教你自制无线传能充电器-TI杯电子设计大赛优秀论文.pdf

1 题题题题目目目目： 无无无无线线线线传传传传能充电器能充电器能充电器能充电器 指导老师指导老师指导老师指导老师： 邓柳 李德明 队员及年级队员及年级队员及年级队员及年级：罗国见 欧明亮 李键 （2006 级） 学校及院系学校及院系学校及院系学校及院系：长江职业学院 工学院 摘要 本无线传能充电器由能量发送单元和能量接收单元两大部分组成， 可在 6cm 的距离以内对电池进行快速和慢速充电。能量发送端可用市电和直流电源供电， 具有交流优先和交直流自动切换的功能； 接收端控制电路采用 MSP430 低功耗单 片机，电压和充电时间显示采用低功耗 OCM126864-9 液晶屏。 Abstract The wireless energy transmitting charger is made up of an energy transmitting unit and an energy receiving unit. Battery can be charged by this system in two modes(quick mode /slow mode) with the distance upto 6cm. The energy transmitting unit can be powered by AC or direct current and AC is a high periorty. Energy receiving unit is made up of charge-circuit and control-unit which controled by MCU named MSP430.The charging process will be monitored by lcd(OCM126864-9) . 1 方案设计方案设计方案设计方案设计 1.1 理论分析理论分析理论分析理论分析 本系统设计的关键点一是用线圈耦合方式传递能量， 使接收单元接受到足够 的电能，以保证后续电路能量的供给；二是如何提高充电电路的能量利用效率， 在满足充电电路正常工作的前提下尽可能采用低功耗设计。 1.2 选用选用选用选用 TI 器件的依据器件的依据器件的依据器件的依据，选择理由选择理由选择理由选择理由，所选所选所选所选 TI 器件详细介绍器件详细介绍器件详细介绍器件详细介绍 依据：为了保证充电器的稳定性，准确性；实现充电过程的实时监控。 理由： TI 公司 MSP430 系列是一个超低功耗类型的单片机，特别适合于电 池应用的场合或手持设备。 无线传能充电器能量接收单元由于其耦合方式获得电 流有限，充电过程若采用单片机控制，必须采用低功耗的单片机；充电过程要实 现电压的实时监控，内嵌 AD 转换器的 MSP430 系列无疑是最好的选择。 TI 器件介绍：1）有多种省电模式，功耗特别省，一颗电池可工作 10 年, 在液晶显示时也能达到 0.8uA 的低电源消耗 2）片内资源丰富,有 ADC,PWM,若 2 干 TIME,串行口，WATCHDOG,比较器,模拟信号 3）开发简单，仿真器价格低廉， 不需昂贵的编程器。4）16 位精简指令结构同其它微控制器相比，带 Flash 的微 控制器可以将功耗降低 5 倍，既缩小了线路板空间又降低了系统成本。 高效 16 位 RISC CPU 可以确保任务的快速执行，缩短了工作时间。大多数指令可在一个 时钟周期里完成； 6 微秒的快速启动时间可以延长待机时间并使启动更加迅速， 降低了电池的功耗。 MSP430 产品系列可以提供多种存储器选择， 从 14 位 ADCs 到 LCD 驱动电路的混合信号外设，简化了各类应用中 MSP430 的设计 ESD 保 护，抗干扰力特强。 1.31.31.31.3 设计方案论证设计方案论证设计方案论证设计方案论证 1.3.1 电源切换电源切换电源切换电源切换 方案一： 采用晶闸管， 其优点是切换无噪声， 但驱动电路复杂， 且要安装散热片。 方案二：采用继电器，功率大，内阻小，缺点是存在切换噪声。 综上所述：要实现交直流自动切换，由于工作电流大，切换频率不高，所以选择 （方案二） 。 1.3.2 振荡电路振荡电路振荡电路振荡电路： 方案一：使用晶体管振荡，可以产生稳定准备工作频率，但频率不可调。 方案二：使用 RC 振荡，其频率在一定的范围内可调，电路简单而且省电。 综上所述：因系统选择频率不高，频率可调在一定的范围内，所以选择 NE555 与 RC 构成的振荡（方案二） 。 1.3.3 功率放大功率放大功率放大功率放大电路电路电路电路： 方案一：采用大功率开关三极管作为功放元件，但管耗较大，需要大面积的散热 片，成本较高。 方案二： 采用场效应管作为功放元件， 功耗低于三极管， 驱动功率小， 使用方便， 所以选（方案二） 。 1.3.4 充电电路充电电路充电电路充电电路： 方案一：变流充电，但是时间与电压上升不呈线性关系，对电池有影响，而且难 以把握充电时间。 方案二：恒流充电，恒定的充电电流对电池影响小，充电电流不随电池电压的变 化而改变，电压与电流呈线性关系，便于控制时间。 由于无线传电电压随能量发送单元和接收单元耦合线圈的间距 D 在测试中需 要改变，而充电时间相对固定，所以固定电流充电是首选方案。 3 2 系统实现系统实现系统实现系统实现 2.1 硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计 2.1.1 系统框图系统框图系统框图系统框图 系统框图 2.1.2 单元电路设计单元电路设计单元电路设计单元电路设计 1、电源切换电源切换电源切换电源切换 交直流输入采用单刀双闸继电器，交流上电常开闭合，常闭打开实现交流优 先，交流断电继电器断电，常闭闭合，实现自动切换。在切换时，时间很短， C1可提供一定时间的电量，可以实现不断电切换，不影响充电。 图（1）电源系统 4 2、 发射及接收电路发射及接收电路发射及接收电路发射及接收电路 发射电路由振荡信号发生器和谐振功率放大器两部分组成，见图（2） 。采用 NE555 构成振荡频率约为 510KHZ 信号发生器，为功放电路提供激励信号；谐振 功率放大器由 LC 并联谐振回路和开关管 IRF840 构成。振荡线圈按要求用直径 为 0.80mm 的漆包线密绕 20 圈，直径约为 6.5cm，实测电感值约为 142uH，由 LC f 2 1 = 可知,当谐振在 510KHZ 时，与其并联的电容 C1(图3)约为 680p,可用 470pF 的固定电容并联一个 200PF 的可调电容，可方便调节谐振频率。 图（2）发射部分 大功率管 TRF840 最大电流为 8A、完全开启时内阻为 0.85，管子发热量 大，所以需要加装散热片。 当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时，功率放大器 发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值，从而产生最大的交变电磁场。 当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感生电压，当接收线圈回路 的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值。构成了如图（3）所 示的谐振回路。实际上，发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，具 有最好的能量传输效果。 图（3）谐振回路 C1 5 3、充电电路充电电路充电电路充电电路： 图（4） 充电系统 电能经过线圈接收后，高频交流电压经快速二极 1N4148 进行全波整流， 3300F的电容滤波，再用 5.1V 稳压二极管稳压，输出直流电为充电器提 供较为稳定的工作电压。 因为 dtti c tUc =)( 1 )( 为了准确控制充电时间，我们在设计中采用恒流充电的方法，可以保证充电 电流大致为一常数 I，上述电容电压与时间的关系可表示为： t c I tUc=)( 根据题设要求，充电时间应满足快充小于 30 秒，慢充控制在 12020 秒， 计算出快充、慢充所需电流大小 快 I、 慢 I分别为： mASVFI2 . 230/322000= 快 mASVFI55. 0120/322000= 慢 6 图 （4） 中二极管 D1、 D2 的导通电压基本不变， 故可作为电压基准， 约为 1.4V。 各电压关系为： VUUUU DDEBR 4 . 1 21 +=+ 可见在恒流充电电路中，充电电流仅由电阻 R1、R2 确定。计算中约定 EB U=0.7V，充电电流 Ic（三极管集电极电流）Ie，可计算出快充、慢充所需 电阻 R1、R2 分别为： =318 7 . 0 1 快 I V R =K I V R2 . 1 7 . 0 2 慢 设计中采用可调电阻，可调节充电电流的大小。 2.2 软件设计软件设计软件设计软件设计 2.2.1 流程图流程图流程图流程图 图(7) 定时中断流程 图（5）控制系统示意图 7 软件设计的主要任务是对充电过程的监视及充电电路的控制。具体方法是： 利用 MSP430 单片机自带的 AD 转换器实时检测充电电池上的电压， 达到规定电 压时发出控制信号，关断充电电路。 基于 MSP430 较高的速度、高精度的 AD 转换器、功能丰富的定时器等资源 特点，我们在 LCD 上设计了充电进度条的绘制、实时充电电压显示、充电时间 显示等内容。其中进度条的绘制需要定性反映实时电压大小，我们采用的方法是 根据电压值计算出坐标， 并调用自己设计的画直线函数进行实时绘制， 效果逼真。 2.2.2 MSP430 单片机单片机单片机单片机应用技巧应用技巧应用技巧应用技巧 丰富的硬件资源、极低的系统功耗是 MSP430 单片机的两大优势。但与 51 单片机不同的是，其不具有中断嵌套功能。这样，在充电时间计算和 AD 采样中 断两个中断同时出现时容易出现定时器无法中断的问题。 我们考虑到 AD 转换器 对直流并不需要很高的采样速率，故采用定时器先中断，然后在定时器中断程序 中启动 AD 的方法，AD 每秒对直流电压（电池电压）采样 16 次，获得了很好 的效果。 3作品性能测试与分析作品性能测试与分析作品性能测试与分析作品性能测试与分析 3.1 系统系统系统系统测试测试测试测试方法方法方法方法 1）快充时间测试：将线圈距离调整为 2cm，调节快充电流为 2.2mA 左右（参照 表头） ；观察记录充电时间； 2）交直流切换：将交流 220V 电压和直流 24V 电源一起接入能量传送单元，观 察充电过程稳定性；在充电过程中断开交流 220V 电压，观察充电过程稳定性； 3）在快充 30s、慢充 120s 条件下，适当调节充电电流，以获得最大充电距离。 3.2 各功能的实现情况各功能的实现情况各功能的实现情况各功能的实现情况 如表(1)所示。 表（1）无线传能充电器功能一览 各部分功能完成完成情况 是 否 20V/50HZ 交流供电 24V直流供电 自动切换交直流供电 快充 慢充 D2cm 快充2cm 慢充=12020S 用uA表头自制电流表定性监测电流 充满显示 关断充电 8 3.3 线圈距离线圈距离线圈距离线圈距离 D 与快充慢充时间的关系与快充慢充时间的关系与快充慢充时间的关系与快充慢充时间的关系 如表(2)所示。 表（2）使用 22000uF 电容充电实测数据： 交流供电 直流供电 距离D(cm) 快充时间 （s） 慢充时间(s) 快充时间（s） 慢充时间（s） 2 28 105 29 109 2.5 27 106 29 109 3 28 105 28 110 4 27 106 28 109 5 27 105 29 110 6 28 106 29 110 7 33 117 34 120 3.3.3.3.4 4 4 4 改进设想改进设想改进设想改进设想 充电效率是一个不得不考虑的问题。可以在发射接收电路的能量传输部分 做适当改进，以获得更高的效率和更远的距离。 设计充电设备检测电路，在没有能量接收电路时能量发送部分处于睡眠状 态，当能量接收电路靠近发送部分时，激活发射电路开始充电。 4 4 4 4 附录附录附录附录 9 附件附件附件附件一一一一：整机电路整机电路整机电路整机电路图图图图 10 附件二附件二附件二附件二：部分程序部分程序部分程序部分程序: while (1) /ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; / Sampling and conversion start _BIS_SR(LPM0_bits + GIE); / LPM0, ADC10_ISR will force exit voltage=ADC10MEM;/voltage=1023*(Vin-Vr_)/(Vref-Vr_) vx=ADC10MEM; voltage=voltage*2.0/1023*2500;/2.5v vref; if(powercheck)/power check powercheck=0; plotp=(vx*150)10)+10; if(plotp99)|(plotp99) done=1; P3OUT /充电完成 disp_chn(0*16,2,8); disp_chn(1*16,2,9); disp_chn(2*16,2,10); disp_chn(3*16,2,11); disp_chn(4*16,2,12); disp_str(5*16,2, ); else don