非接触供电的LED照明系统

1 非接触供电的非接触供电的 LEDLED 照明系统照明系统 摘要摘要 本系统由能量发送模块和 LED 照明模块组成 LED 照明模块 包括一个带能量接收单元和五个 LED 灯 LED 照明模块不外加任何 电源 它的供电来自能量发送模块 两个模块之间没有任何导线连 接 电能的传输通过感应线圈 由能量发送模块以无线方式传输给 LED 照明模块 线圈间的介质为空气 其中 能量发送单元采用 12V 的直流电供电 用 STC51 单片机进行功耗检测 具有电路简单 实用便捷 识别距离远等特点 Abstract This system consists of energy to send module and LED lighting modules LED lighting module includes a band energy receiving unit and five LED lights LED lighting plus any power module not only from its power supply module sending two modules energy between a conductor connection no electricity transmission through induction coils send by energy transfer to wirelessly with module LED lighting module the medium for air between the coil Among them the energy by sending unit 12V supply dc With the simple circuit practical identification of distance etc Characteristics 2 一 一 系统总体方案与组成框图系统总体方案与组成框图 系统框图如图系统框图如图 1 所示 所示 图 1 无线供电的 LED 照明系统构成框图 1 1 发射与接收电路框图发射与接收电路框图 图 2 发射电路 图 3 接收电路 发射电路包括振荡电路 高频谐振放大器 单片机检测电路 发射电路包括振荡电路 高频谐振放大器 单片机检测电路 LCD 显示电显示电 路 路 工作频率的选择 工作频率的选择 一般可分为低 中 高频的工作频率一般在一百到几 百百千赫兹 中频的工作频率为几到十几兆赫兹 高频段打几百兆赫兹甚至更 高 高频段有利于远距离传输 但制作的难度较大 低频段仅适合于近距离系 统 要求线圈电路电感量高 达到毫亨级 中频段适合于几厘米到一米作用距 离 范围属耦合系统 而题目所指定的线圈其电感量测得的结果在 10uH 左右 正好适用于该频段 故本系统适用中频段工作 选择较低的 12MHz 工作频率制 作 调试较为方便 振荡电路振荡电路可以采用电容 电感的振荡特性来设计 也可加入晶振来简单 获得载波信号 我们使用 12MHZ 无源晶振 通过高频放大器 从而获得更高 的发射能量 提高发射距离 发射机功率控制 发射机功率控制 由于控制的对象是五盏白色发光二极管 其中亮度四 级可调 因此可以通过用四个的开关来控制与功率管发射极的并联的电阻通断 因此每个开关的接通就代表灯进入到相应的等级 接收电路里面主要有 天线 整流电路 接收电路里面主要有 天线 整流电路 LED 输出等几部分组成 输出等几部分组成 能量发送模块 LED 照明模块 直流稳压 电源 3 接收机整流电路的选择 接收机整流电路的选择 采用桥式整流电路 四个二极管两两并联后对接入 输出电压分别进行正负电压整流 在输出时候获得了正负输出的两次的整流电 压 二 二 理论分析与计算理论分析与计算 1 1 耦合线圈匹配理论 耦合线圈匹配理论 采用线圈与可变电容组成并联谐振回路 测试得线圈电感为 11uH 可变电容 容量为 5 25PF 谐振频率 1 2 F LC 可得谐振频率为 21MHZ 到 9MHZ 之间 对回路进行谐振频率测量得到谐振频率为 12 4MHZ 因而 发射电路部分采用 12MHZ 晶振产生接近与谐振频率的能源载波频率 同理接收电路部分天线与电容也调谐在 12MHZ 2 2 谐振放大器电感的调整与电容的选择谐振放大器电感的调整与电容的选择 同 1 三 三 电路与程序设计电路与程序设计 1 图 4 是 12MHZ 发射机电路原理图 发射机的频率由晶振 BC 来决定 由于晶体振荡器的频率稳定度不会低于 1 1000000 这个指标对 电路有较高的稳定度 本电路晶振频率选用 12MHZ 图 4 4 2 图 5 是功耗显示与检测模块 从发射机电路原理图 VOLT 的二个 管脚输出信号接入到功率检测与显示模块的 VOLT 的二个管脚 对该信 号用 ADC0832 采集电压信号并进行模数转换 转换成相应的数字信号 再把数字信号输入到 STC51 单片机里面 进而通过计算公式测得功率并 显示出来 图 5 3 3 图 6 为接收器电路 它是一个频率调谐在 12MHz 的 LC 网络 其中包含一个线圈和一 只与线圈并联的 24pF 可变电容以及四只高频二极管 1N60 组成一个全桥整流器 对 RF 功率 作整流 整流效率大约为 50 要达到 3 3V 输出电压 线圈脚上需要峰峰值为 9V 的交流 电压 带有 5V 齐纳二极管的并联稳压器提供大于 5V 的电压箝位 以避免功率水平随距离 而变化 最后 全桥整流器后的一个 1nF 电容用于电源去耦 两个线圈天线是在的圆形罐 头上 用 1mm 漆包线绕八匝绕成的 如果应用需要更长的距离 可以将电源增加到 15V 从而在发射线圈中得到更大的电 压摆幅 这得归功于振荡器设计采用的 CMOS 技术 另外 为发射器和接收器两端设计较大 线圈的天线也有助于增加工作距离 5 程序流程图 程序流程图 图 6 LCD1602 液晶初始化 延时 5 秒硬件反应时间 显示功率说明 是否断 电 A D 转换 计算功率 结束 是 显示功率 延时 否 四 测试方案与测试结果四 测试方案与测试结果 1 耦合线圈电感量大小与谐振频率 耦合线圈电感量大小与谐振频率 测试方法 直接用 LC METER 测耦合线圈电感量 用扫频仪测试耦合线圈 并联一电容后的谐振频率 测试数据 见表 1 6 测试项目测试仪器测试结果 耦合线圈电感量宽频 LCR 数字电桥 11 0 H 谐振频率宽频扫频仪12 4MHZ 表 1 耦合 线圈电感量大小与谐振频率 测试结果分析 谐振频率为 12 4MHZ 因而采用载波频率为 12MHZ 可微调 电容实现谐振 2 整机调试与测试 整机调试与测试 1 识别距离测试 识别距离测试 测试方法 发射电路接上 12v 电源 接收电路线圈与发射线圈齐高 移动 距离 测量接收电路电源两端电流 测试结果 见表 2 测试次数识别距离 cm 电流 MA 115 230 8 表 2 距离测试结果 2 识别电压测量 识别电压测量 测试结果 见表 3 测试次数供电电压 U V 距离电压 V 112 0010mm6 8 212 0030mm6 6 312 00404 3 参考文献参考文献 1 谢嘉奎 电子线路 北京 高等教育出版社 1