非接触供电系统.doc

非接触供电的LED照明系统设计 摘 要本系统是非接触供电的LED照明系统，设计采用microchip公司生产的低功耗、稳定性强的单片机PIC16F684作为控制芯片，该系统主要由控制模块，能量发送模块、能量接收模块组成。两线圈耦合从而实现能量的传输，点亮后级LED。该系统还具有监测、显示发射模块的功率和总电流、控制后级LED亮度变换等功能。关键词：PIC16F684，无线能量传输，耦合。一、方案设计与论证系统总体设计方案：系统可以分为能量发射和能量接收两个模块（如图1），当后级接收模块与前级发射模块通过磁场耦合的方式，将能量发送给后级，点亮五个LED灯。发射端通过PWM控制来改变发射的能量，从而改变后级LED灯的亮度，在保持线圈距离不变时，通过按键可以控制LED从暗变亮，从亮变暗，亮度变化有四级。PIC单片机通过自带A/D监测发射模块功率并由液晶显示。 系统总体框图（图1）1.1 控制芯片选型方案 1：采用现在比较通用的51系列单片机优点：51系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟。缺点：此系列单片机进行采样检测时还要外接A/D转换器，增加电路复杂度和功耗。方案 2；选用PIC16F684单片机PIC16F684单片机具有低功耗，抗干扰能力强，稳定性好的特性。本系统会产生高频磁场，该单片机是中等单片机中抗干扰性最好的一款。内置的A/D转换器使电流采样电路更简单。方案选择：结合题目要求及PIC16F684单片机的特点，本系统选用PIC16F684单片机。1. 2 震荡电路 方案一：采用KA3525A芯片产生震荡的电路优点：它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。缺点：本系统不需要双通道正反信号输出，也不需要占空比调节，多一些不必要的功耗。且频率只能达到400KHz。不符合LC谐振网络需要达到800KHz 以上的频率。MAX038与KA3525的用途相同，其输出频率在MHZ级可调，但芯片价格昂贵，不经济，因此也放弃使用。方案二：采用单片机控制产生方波优点：单片机能够产生频率和脉宽可调的PWM波，对PWM波输出可进行精确调节。缺点：单片机产生700KHz2MHz的方波，对单片机的要求比较高，而且不断地在短时间内要中断，单片机很难进行其他的工作，这不是一个相对可行的方案。方案三：采用74HC00与非门芯片组成RC振荡器。电路结构简单，易调节，而且输出波形稳定，电路产生的频率范围大且可调，产生频率可以满足LC振荡网络所需的700KHz1M的方波。同时与单片机控制的PWM波经过与非门可以实现LED灯亮暗的调节。方案选择：结合各方案优缺点及系统要求，选用方案三1.3 LC谐振驱动电路方案一： H桥驱动电路。优点： H桥驱动电路利用轮流开关两对MOS管产生可以产生很高的正反向电压，有利于能量的传输，而且此时的效率较高。缺点：H桥对输入的两端PWM信号波形及驱动能力，要求比较严格，相互之间需要配合。虽然尝试过在前级增加一个放大电路和射极跟随器，但实际测试效果并不明显。方案二：单管驱动电路。用一个控制信号控制管子的开断，进而驱动LC网络。优点：电路采用MOS管IRF830，功耗低，耐压高。单端信号更容易控制。缺点：振荡器输出电压不足以驱动单管，MOS管存在级间电容。我们在前级加了一个放大电路和射极跟随器。单管驱动虽然效率不是很高，但是实际测试时效果更好。方案选择：结合实际测试选用方案二。二、电路与程序设计2.1 主要电路设计与原理分析2.1.1 振荡电路根据设计方案，选用非门集成芯片74HC00与R、C构成振荡器，74HC00是一款高速CMOS器件,该芯片反应快，输出波形稳定。可组成双稳态振荡器，输出稳定方波。该振荡器输出端的脉冲频率为：f=1/(1.4RC)。其中电阻选用1K电位器，电容为1000PF，使输出频率在KHz级到MHz级可调。再将第6脚输出与单片机控制的PWM波做为一个与非门的输入，其输出做为控制频率，实现LED灯亮暗的调节(附录图2) 2.1.2 单管驱动电路由于前级震荡模块输出的方波信号驱动能力小，高电平时只有5V，MOS管存在极间电容，所以在单管驱动前端加上一个放大电路和射级跟随器（如图2），以提高信号的驱动能力。当输入高电平时，Q1,Q3,Q6导通，Q2,Q5,Q4截止。当输入低电平时，Q2,Q5,Q4导通，Q1,Q3,Q6截止。输入为高频信号，由此驱动Q4开关可让LC谐振。其中R3为上拉电阻，R4，R5,R6,R7为限流电阻。Q5，Q6分别给Q2,Q3分流。 （附图3）2.1.3 LC谐振电路 图2 LC并联谐振等效电路当LC谐振时并联谐振电路的频率： 公式： LC电路谐振时，支路电流近似为总电流的Q倍，通常，Q1，所以 ，谐振时LC并联电路的回路电流比输入电流大得多。此时线圈产生的能量最大，接收端耦合得到的能量也最大。测得两个振荡线圈是用线径分别为1.35mm和0.45mm的漆包线在直径约为6.5cm的易拉罐上绕3圈与50圈，电感值分别为2uH与373H。电路实际检测到当能量传输效率最好时，前级震荡频率达到780KHZ,前级匹配电容为32000pf。2.1.4 采样电路 在发射模块接地前端接一个1欧姆的电流采样电阻。单片机内置A/D转换器检测放大后的电压，通过软件计算整个能量发射模块的功率。（采样电路见附录附图4）21.5 接收部分电路接收端用一个线径为0.45mm的漆包线绕成匝数为50的线圈，这样接收到的电压较小但电流大，能够驱动多个串联的LED灯，这里加上5个LED。（接收部分电路图见附录附图5）216总体电路图见附录附图122 软件设计软件流程图如下：该程序的功能有：调节LED亮度，显示发射模块功率。三、设计总结 经过四天三夜的奋战，我们完成了题目基本要求和部分发挥要求，但由于经验、时间和硬件资源的限制，个别指标做的不是非常完善。首先，我代表我们小组感谢本次竞赛的主委会和全体评审老师以及我们的辅导老师。回想这四天三夜紧张生活，短暂而充实。有付出，所以有收获，就我们而言，大家在许多方面都有了明显的进步和收获，无论是专业知识、拼搏精神还是团队协作我们都有了较大的提升。不管结果如何，我们都会继续保持这种状态，不断提高和完善自己。 参考文献：（1） 华成英、童诗白 模拟电子技术基础第四版 高等教育出版社（2） 陈利永、郑明 数字电路与逻辑设计 中国铁道出版社（3） 曾兴雯 高