无线电能传输-555定时器.doc

201109440925 编号（学号）： 本科学生毕业论文（设计）题 目： 无线电能传输装置 学院名称： 电子信息工程学院 专业名称： 电子信息科学与技术 年 级： 2011级9班 学生姓名： 刘伟 学 号： 201109440925 指导教师： 冯正勇 职称/学历： 副教授/博士 教务处 制无线电能传输装置刘伟电子信息工程学院电子信息科学与技术专业2011级 指导老师：冯正勇摘 要：本设计主要利用电磁耦合原理，通过初、次级线圈的感应来实现电能的传输。基于这种方式的无线电能传输系统主要有三大部分，即能量发送端、收发线圈、能量接收端组成。本设计收发线圈可以随意移动，并且设计的电路比较简单，也很容易实现，这种设计可以适用于一些对于距离传输不是要求很高的地方。通过测试，在一定距离测试范围内，传输效率高达30%，具有很好的实用价值。关键词：无线充电，电磁感应，耦合效率，传输效率Design of radiotransmissionDeviceLiuweiCollege of Electronic Information engineer, Electronic Information Science and Technology, Grade 2011 Instructor: Feng Zhengyong Abstract：This design uses electromagnetic coupling principles, through primary and secondary windings of induction to achieve energy transfer. Based on this way of wireless power transmission system has three main parts, namely, the energy transmitter, receiving coil, the energy receiving end components. The design receiving coil can be moved, and the design of the circuit is relatively simple, and very easy to implement, such a design can be applied to some of the transmission distance is not a demanding place. Through testing, the test range within a certain distance, the transmission efficiency of up to 30%, has good practical value.Keywords:wireless charging, electromagnetic induction, coupling efficiency, Transmission efficiency 目 录1.引 言11.1课题的来源和意义11.2总体方案介绍12.单元电路设计22.1波形发生电路方案选择22.2谐振电路的方案选择22.3驱动电路的方案选择32.4接收线圈电路32.5线圈的选择与论证53.理论分析53.1电磁谐振耦合无线电能传输系统的理论基础53.2 电磁谐振耦合无线电能传输系统的工作原理63.3耦合模的正频率幅度73.3.1无损耗系统两谐振器模式的耦合83.3.2有损耗系统两谐振器模式的耦合93.4无线传输系统工作原理分析及效率计算103.4.1耦合线圈电感计算103.4.2耦合线圈互感计算103.4.3线圈间耦合因素计算113.4.4耦合线圈电阻计算113.4.5耦合线圈高频电容计算114.硬件与程序设计11 4.1 系统总体原理图11 4.2电源转换电路设计12 4.3发射单元硬件电路设计13 4.4接受单元硬件电路设计14 4.5发射的接收线圈的设计145.测试方案与测试结果155.1系统实物155.2距离范围测试16结 论17参考文献18致 谢 19171 引 言 随着科技的进步，笔记本、手机、MP3等大量的电子产品正不断影响着我们的生活，这些电器设备大多通过有线的电源获取电能，即电器与电源之间一般都需要导线连接才能正常工作，然而，电源线的频繁插接和拔出，很容易损坏，并且也是十分的不安全，时间久了难免会发生一些安全事故，繁琐的电线不仅影响了设备的灵活性，而且还很大程度上影响了环境整体的美观，所以，在这个时候，我们需要一些新技术来替代一些传统的老技术，而无线电能传输能好解决了我们遇到的问题，所以无线电能传输装置具有很好的实用性，和推广性。1.1课题的来源和意义首先无线电能传输可以给我们带来我们最想要的方便和效率，利用无线电能传输我们不再担心有限的限制和我在我们手机没电的时候一直处于关机状态，以及我们骑电瓶车在马路上没有电的情况，还有我们在外面自己的笔记本电脑因为没有电而无法打开，是我们错过了一些很重要的文件或者资料，那么我们该怎么样去解决这些问题呢，本毕业设计论文全面讲述了我们如何去实现利用无线电能的方法和设计，虽然这次试验我闷得传输距离还不是很远，但是也不代表着未来无线电能传输达不到我们想要的要求，因为社会在不断进步，科技也不断在进步，我相信不久的将来我们的装置一定会走向市场，我们不会再为有限的限制而烦恼，一旦我们实现这样的电力传输，那么我们就不会再为一些小的装置就可以永久的摆脱电池的束缚，同事无线电能传输是利用电磁耦合的方式去实现无线电能的传输，不仅可以改变我们的电脑和手机都需要电池充电，既不安全又容易磨损的现状，还可以利用无线电能传输技术来制造电动车无线充电，电子遥控门锁，梦幻彩灯等一些有价值的应用，极大的改变了我们的甚或方式，所以实现无线电能传输是我们未来发展的方向，我们要朝这个方向，不懈努力。1.2总体方案介绍磁谐振耦合无线电能传输技术的理论基础是“耦合模理论”。假如能量发射装置与接收装置的谐振频率相同，并且激发发射器在这个特定的谐振频率下产生交变磁场，发射装置在这个交变磁场下先产生自谐振，并产生相同频率的交变磁场，当接收装置靠近发射装置时，也会产生自谐振，接收装置不断集聚能量并传给负载，这样就实现了能量的无线传输，其传输示意图如图1.1所示：图1.1电磁谐振耦合无线电能传输示意图2 单元电路设计2.1波形发生电路方案选择 方案一：石英晶体振荡器,它又叫做晶振，它的制作原理是根据压电效应，什么叫压电效应呢，就是把它放置在交变电场中，当加入的频率和它的固有频率相同时，这时候我们就把这种现象叫做是它的主要特性，它的体积小，可靠性也好，它产生的频率稳定性也好，缺点就是不容易调节它所产生的频率。方案二：单片机+DDS芯片产生PWM信号，利用单片机在比较模式下输出的脉宽调试（PWM）波，来实现D/A转换的工作原理。此法产生的PWM信号数字可调，但是电路复杂成本高。方案三：利用555时基电路产生PWM信号，它的原理就是在NE555的基础上加入二极管和电位计，用这种方式就能产生一种可以调节的宽频调制器，此方法中NE555，价格便宜，设计简单，稳定可靠，最主要是它能产生我们想要的频率。综合以上三种方案，方案一产生的频率稳定，但是不好调节，方案二结构复杂，成本偏高，方案三工作原理简单，经济实惠，所以我们选择方案三。2.2谐振电路的方案选择方案一：串联谐振电路，它是要是由电阻、电容和电感串联组成，串联电阻的特性是，当串联阻抗之和为0，使得整个电路呈现为一种纯电阻性，串联谐振电路中，容抗和感抗又相互抵消的作用，WL-1/WC=0,串联协整电路中它的阻抗为0，电流和电压的相位也是相同的，它的设计也简单，但是耗能比较高。方案二：并联谐振电路，同样它也是由电容、电阻和电感经过并联组成，我们知道串联阻抗中，交流阻抗为0，但是在并联阻抗中，电路谐振时，它的阻抗最大，当并联谐振时，它的路端电压和电流处在同一相位，谐振频率计算公式： F=2根号1/（LC） 通过计算，F=2根号1/（LC）=85KHZ。(其中线圈电感L=46UH，并联电容为304PF)图2.2并联谐振电路 如图2.3在电感两端段并电容即可，由于计算值和实际值有一定误差，电容标称值和实际值也不同，经过测试在430KHZ频率下，如上图即可产生谐振。 综合以上两种方案的比较，方案一耗能高，稳定性不好，方案二设计简单，购材方便，简单易用，所以我们选择方案二。2.3驱动电路的方案选择 方案一：三极管驱动，这是我们常见的驱动方式，它可以驱动LED、数码管、蜂鸣器等，三极管有两种，一种是PNP型，另一种是NPN型，它有三个极，即发射极、基极和集电极，三极管驱动一般要加入一些电阻来完成，它的原理总体就是通过小的交流电压，控制大的静态电流，能量都是遵守能量守恒原理，所以三极管驱动不会无缘无故产生能量，由它产生的驱动适用于一些单片机外围电路，它的结构简单，只需要三极管即行，但是稳定性欠佳。方案二：mos管驱动，场效应管是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS场效应管的工作原理。MOS场效应管也被称为MOS FET，它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的是增强型MOS场效应管，其内部结构见图2.1。它可分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型通常称P沟道型，我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流，对于一般的场效应管，它的输出电流是根据输入电压决定的，所以，我们可以把场效应管中的电流认为很小，或者说它基本趋于0，根据它的这个特性，使得场效应管有了很高的输入抗性，它的特点是对它可以输入大电流，它的处理能力很强，一般它的抗电击能力也很强，目前常用的MOS管为IRF540N，它的能力强，但是价格却很便宜，对于电路设计者来说，是一个很好的选择。 用IRF540构成驱动电路，IRF540开关管开启时间为4NS，关闭时间为3NS，理论上开关频率可以达到几十M，并且功耗低通过电流大完全符合要求，具体设计如图： 图2.3放大电路的设计 综合以上，方案一稳定性差，抗干扰能力差，方案二设计简单，价格实惠，所以通过比较，我们选择用IRF540型MOS管作为我们电路的驱动。2.4接收线圈电路 方案一：全桥整流，如图全桥整理的结构图：图2.4接收部分电路设计 我们知道电子产品的最核心部分除了它的功能外，还有一部分更重要，就是电源部分，除了在某些特定场合下采用太阳能电池或化学电池作电源外，多数电路的直流电是由电网的交流电转换来的。一般交流电压转化为直流电压要经过以下几个步骤，首先是经过电源变压器吧高电压转化为低电压，然后是通过整流电路整流，其次是滤波，通过滤波电路，排除干扰，最后是稳压，设计整流电路可以利用二极管的单向流通特性来设计，它可以把交流电压变为单向脉动电压，我们再设计的时候是把二极管的电阻看做是0电阻，但是在一般情况下，都会有一些误差，这种直流电源的组成以及各处的电压波形也有误差。但输入电压小时，例如输入为3V，则输出只有2V多，需要考虑二极管正向压降的影响。整流（和滤波）电路中既有交流量，又有直流量。对这些量经常采用不同的表述方法：输入（交流）用有效值或最大值；输出（直流）用平均值；二极管正向电流用平均值；二极管反向电压用最大值，此设计系统复杂。方案二：半桥整流，它是主要将桥式整流的两个二极管封在一起，用两只二极管，利用变压器线圈的中心抽头形成对称回路。它的特点是结构简单，成本低。 综合以上两种方案，方案一全桥整流的设计结构复杂，不以实现，方案二半桥整流设计简单，成本低，通过比较我们还是选择方案二。2.5线圈的选择与论证 方案1：用铜管（空心），这种空心铜管方便一般都有成品，但是规格和大小不好计算，而且价钱比较贵，一般的店铺都不容易找到。 方案二：用这种漆包线绕，这种方式的绕发由自己需要的大小决定，并且可以通过理论计算来决定绕的半径的圈数，而且这种铜丝方便购买，不用了也方便回收，减少了资源的浪费。 综合以上两种方案，方案二更简单方便，所以我们选择方案二。3 理论分析3.1电磁谐振耦合无线电能传输系统的理论基础 基于电磁耦合基础的无线电能传输系统的基本理论是麦克斯韦电磁场理论，下面将从理论出发分析电磁谐振耦合无线电能传输过程中磁场的传播途径和方式。麦克斯韦电磁场理论认为运动着的电荷或者交变的电场在其周围能够产生磁场;而交变的磁场又能够产生电场。图3.1是螺旋线圈周围磁场的分布图，H表示磁场强度，当螺旋线圈中通过交变电流时它的周围将产生交变磁场。离中心线圈越近，磁场强度H越大。 将发射线圈看作是高频发射源，x为接收线圈到发射线圈中心的距离，分析传输系统两个线圈周围磁场的分布情况，如图2.2所示。在这里,将高频发射源周围的磁场分为两大部分，近场区和远场区。近场区为距发射线圈中心/2（为电磁波波长)的距离，远场区为/2到无穷远的距离。磁场强度和电场之间在近场区范围内没有明确的比例关系，但这两者之间在远场区范围却有比例关系。通常情况下，高电压小电流的场合，电场强度远大于磁场度；而在低电压大电流的场合，磁场强度远大于电场强度。图3.1近场和远场区域的划分3.2 电磁谐振耦合无线电能传输系统的工作原理如同声音的谐振、钟摆的运行谐振都是广泛存在于自然界的物理现象，我们统称为谐振。在这么多谐振中，基于电磁耦合的无线电能传输装置利用的是电路中的谐振。依据耦合模理论，假如物体m由外界驱动产生振动，并和物体n（可能是多个体）产生谐振，那它们会有如下关系： 假设只有两个物体相互谐振，即发射线圈S和接收线圈D；为耦合系数；假如接收线圈直接和负载相连，则接收线圈D的衰减率中包括其本身的衰减率和由负载引起的附加衰减率，所以接收线圈总的衰减率为：在这里我们定义传输效率为负载所获得的能量和谐振源所提供能量的比值，根据耦合模理论，可知，当两个线圈同时达到完全共振时，这时传输效率将达到最大值，可表示：3.3耦合模的正频率幅度本文中的耦合模公式体系是普遍适用的，能够用来处理各种谐振模式物理系统。我们可以通过讨论一个简单例子来说明所用的物理参数的含义，为此选择一个简单的 LC 电路。它的方程是： 由这两个相互耦合的一阶微分方程可以得到关于电压的二阶微分方程： 其中 通过定义两复变量可导出它的一阶微分方程，用它来代替上述两耦合一阶微分方程，我们把等式分别乘以的因子，并作加减处理，然后就可以得到：由等式可得到下面的等式：综上所述电路的模式幅值为：3.3.1无损耗系统两谐振器模式的耦 基于电磁耦合的无线电能传输的理论基础是耦合模型理论，假设模态信号为 a1（t） 和a2（t） 的，固有频率为w1 和w2的无损耗系统，当两个谐振器之间耦合时，我们能够得到方程： 其中k12和k21是两模型的耦合因数，然而根据能量守恒我们可以知道，随着时间的变化，能量逐渐趋于0，由此我们可以知道：因为a1和a2可以设置为任意值，耦合关系有：由上面的几个方程我们可以知道:3.3.2有损耗系统两谐振器模式的耦合考虑一般实际系统中是存在的损耗的，所以很容易把耦合模型理论联系到当前无线电力系统中，我们可以得到下面耦合微分方程：其中和表示信号源和设备的模式信号，是各自的角频率，是耦合因素，是各自的衰减率，解方程组可以的：这里我们只考虑线圈 S 和线圈 D，发射和接受的单匝线圈暂不考虑，同时假设线圈 S 和线圈 D 完全相同，同时该系统在开始传递能量时，线圈 S 的能量为 1，这种形式也就方便我们讨论谐振情况跟非谐振情况下，线圈的能量传递。3.4无线传输系统工作原理分析及效率计算 把直流变为交流，通过电磁感应，是接收端产生对应的交流，在利用整流电路变为直流电。驱动相应的设备系统的输入功率和输出功率可通过Pin=Udc Idg、Pout=UL2/RL两式进行计算，其中Udc、Idg分别为E类逆变器的输入电压和电流，UL为ul的有效值，通过多组数据并计算，可得输出功率、传输效率随距离的变化曲线。计算公式：效率3.4.1耦合线圈电感计算 对于不同结构和形状的线圈，其电感量的计算公式不同，本系统中线圈电感的大小计算公式为L=N2r0（）-1.75公式中，N线圈匝数； 0真空磁导率； 0=410-7H/m； r线圈半径（m）； a线圈导线半径（m） 3.4.2耦合线圈互感计算 在耦合谐振式WPT系统中，耦合线圈之间的距离及各自的位置都不是固定的，所以线圈之间的互感也是不固定的，而互感的大小对能量的传输有直接的影响。 平行同轴的两线圈互感M可通过公式计算得到，计算公式如下：M=0n0n1(2-b2)K(b)-2E(b)其中：b=式中： rS、rD线圈S、D半径； n0、n1线圈S、D的匝数； d两线圈中心之间的距离； K(k) 第一类完全椭圆积分； E（k）第二类完全椭圆积分3.4.3线圈间耦合因素计算 线圈间耦合因素为: k=由上式可知，耦合因数与互感成正比，结合前面的理论分析可知，耦合因数随着线圈间距离增加而减小。 3.4.4耦合线圈电阻计算 线圈工作在谐振耦合状态下时，其电阻由欧姆电阻和辐射电阻组成，计算公式如下： 欧姆电阻：R0= 辐射电阻：Rr=式中： 为真空磁导率； 为空气介电常数； n为线圈匝数； h为线圈宽度； 为导线长度； 为线圈导线的电导率； a为线圈导线半径； r为线圈半径 由于磁耦合谐振系统工作频率在0.525MHz，此时Rr R0，所以线圈内阻近似等于R0。 3.4.5耦合线圈高频电容计算 两匝线圈之间的电容大小为：式中： a为线圈导线半径； r为线圈半径； h为两匝临近线圈圆心之间的距离。4 硬件与程序设计4.1 系统总体原理图 系统由信号发生电路、驱动电路，功放电路，整流滤波和单片机控制电路组成，通过线圈谐振耦合，实现无线电能传输，如下图，为系统总设计图。图4.1系统总设计图4.2电源转换电路设计 由于系统采用12V直流供电，而单片机的供电电压为5V，所以要把12V电压转换为5V电压，本设计采用3端正稳压电路7805，7805系列集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电较大时，7805应配上散热板,如下图就是7805内部保护结构图。图4.2三端稳压器 7805它是TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。我们设计的是固定稳压电路，但是我们可以外接不同的电压，这样可获得不同的电压和电流。4.3发射单元硬件电路设计 555电路的内部电路方框图如图4.2所示。首先我们可以查资料知道，NE555有八个引脚，1引脚表示接地，2脚是触发点，他的功能室触发NE555里的时间周期，但是它的触发上缘电压不能大于输入电压的2/3，下缘触电压也不能小于输入电压的1/3。3引脚表示输出，4引脚表示重置，1个低逻辑电位送至这个脚位的时候时会重置定时器，会使它输出回到一个低电位。它通常接我们的输入电源，5引脚表示控制频率，它用来调整我们的内部频率，6引脚表示重置锁定，7引脚表示放电，这个接脚和主要的输出接脚，有相同的电流输出能力，8脚表示电压输入端，它的输入电压一般是4.5V到16V之间,其中4脚和8脚接电源正极，第8脚和6脚之间连一个滑动变阻器，7脚接滑动变阻器的划片，5脚接一个电容为100000PF的普通电容，2脚和6脚相连，接一个电容大小为1000PF的电容，然后接地，1脚接地，第3脚接场效应管。如下图就我我们设计的NE555时基电路： 图4.3 555时基电路 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角愈小，放大器的效率愈高。如甲类功放的=180，效率最高也只能达到50%，而丙类功放的 90，效率可以达到惊人的80%，甲类功率放大器可以适合于中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率，我们的功率放大函数是采用IRF540N和并联谐振回路组成，场效应管一段接一个小的电阻，然后接地，起到保护作用。4.4接受单元硬件电路设计 接收电路相对比较简单。它只需将接收线圈感应到的能量进行转换。因为充电时需要直流；因此需要将能量转换成直流电，所以只需在后级加上整流滤波电路即可。图4.4 LC震荡4.5发射的接收线圈的设计 本设计采用0.2MM的同心线圈按照直径15厘米绕着34圈，经过测试其电感为43UH左右。线圈不能饶太少，太少的话电感不够大，也不嫩绕太多太多的话，在并联谐振时候由于谐振频率较高其感抗=JWL， 过大，类似于电阻过大通过的电流就小，产生的磁场也小，综合实际情况，我们制作的线圈如下图4.2.5所示：图4.5线圈设计实物5 测试方案与测试结果5.1系统实物图5.1系统实物图5.2距离范围测试本系统接收端采用 6个额定功率为 1W 的 LED 作为负载，并设定NE555 输出振荡信号为 440KHz。输入输出功率定义：电源的输入功率是指电源的输入端的电压和电流的乘积。电源的输出功率是指在电源输出端接入负载后，电源输出端两端的电压和电流的积。当发射线圈与接收线圈之间的距离发生变化时,磁场强弱也会变化,因此输出电压的大小也会随着改变。即当发射线圈与接收线圈之间距离增大时，磁场变弱，输出电压减小。以距离步进 1cm 的高度，测得不同的电压、电流及功率的大小如下表 5.2所示表5.2测试结果 由测试表 5.2得，该无线电能传输系统输出功率随着收发线圈距离的增加迅速衰减，在 0-15cm 的范围内可以点亮 6只 LED 。结 论 本文以实现中程距离的无线电能传输为目标，采用电磁谐振耦合式无线能量传输技术，运用理论与实验相结合的方法，以实现距离、效率、功率最大化为设计目的，研究并设计了一个无线电能传输系统。详细介绍了电磁谐振耦合无线电能传输系统中发射电路、传输电路和接收电路的选型与设计，对发射电路中各个模块，它的功能，它