非接触供电的LED照明系统

1、非接触供电的LED照明系统（E题）摘要：本非接触供电的LED照明系统是基于PW啲可调光LED驱动电路，可提 供LED需要的电压和电流。以 PIC系列单片机（PIC16F777A及PIC16F73为控 制核心，信号采用调幅方式，LED照明模块利用变压器原理实现与能量发送模 块无线通信（反向散射调制），完成LED照明模块对发射模块的光强反馈，达到 自动省电功能。系统中数据传输应用单片机编码技术，实现光强反馈的可靠反 馈，功耗低，效率咼。一、系统方案1、硬件方案选择方案一、信号调制采用调频方式进行。此方式发射采用电容三点式振荡，发 射频率选择比较高的频率，如85MHZ等。接收部分使用SONY勺CAX

2、1691接收芯 片，中频采用10.7MHz,市场上可以购买到现成的元件，这样就可比较快的实 现功能，但此方案LED照明模块发射电路的电流比较大，难以实现无源的发射。 所以不选此方案。方案二、信号调制采用调幅方式进行。根据变压器原理，耦合得到的电压 经整流得到直流电压，这样才有可能实现无源的 LED照明模块。发射电路在能 量发送模块上，由外接电源提供，可以产生比较大的发射功率。LED照明模块可以通过反向散射调制来实现数据的传递，为提高供电效率，能量发送模块采用 半幅调制。LED照明模块通过发送来改写相应发射电路的 EEPROM本系统用 FLASH程序存储器）数据。编码和解码都是由单片机的软件实现

3、。所以本系统 米用此方案。2、软件方案选择方案一、程序采用软件模拟PWM使用定时器0中断产生脉冲，设定PWM_T 为占空比控制变量控制占空比，用 P1 口输出PWM波形作为调制信号。外接AD 模块进行电压采集与编程，在LCD1602t显示功耗。反馈方式也有单片机发出 脉冲波形由反向散射调制传回发射模块，由单片机进行解码，调整软件模拟 PWM占空比。方案二、采用常规的数字调制。将 PIC16F877输出的PWM波形作为数字基带信号， 将此基带信号直接对载波进行调制，即FSK调制，由接收端整流输出有效值不同的电压。光敏电阻接收到光强信号后，由 PIC16F873A采集其电压值，发出编码信号输出。功

4、率显示模块由PIC直接采集，计算后输出至 LCD1602进行显示。由于PIC有内置AD转换模 块，与PWM输出口，故选择方案二。3、整个系统的描述本系统的总体框图如图1.3.1AKKiijR (MC1J kIM豊.彳高菽功故 J L _ 1空形施大J 八沖1 |MCU HlX图 1.3.1本系统方案可以分为能量发送模块，LED照明模块两部分。当LED照明模 块进入发射模块耦合线圈区时，LED照明模块以耦合方式获得能量。能量发送 模块长时间供电，通过整个过程信号的传输都采用半调幅方式。LED照明模块线圈过来的电磁通过能量发送模块线圈得到耦合电压，为LED照明模块供电，发送信号时经过线圈反向散射调

5、制来实现 PWM波形的传输。、理论分析与计算1、耦合线圈匹配理论本装置以电磁波为载体。通过相互耦合，LED照明模块的电源从线圈收到 的微弱信号中取得，要求在不影响信号正常接收的前提下电磁波传递能量的效 率尽可能高。合的线圈（天线）进行通信。下面分析两个相互耦合的线圈间的 关系。图 2.0.0如图所示，发射机用理想电压源 Us和输出阻抗Z1等效，L1是发射天线的 电感，L2是接收天线的电感，Z2是L2的负载。M是L1、L2间互感，根据电磁 学原理和基尔霍夫电压定律。有u1j L 1 i 1jMi2（式2.1.1)usi 1 Zj 1 L 2ii 1jM01i2 Z2U 20()M 2=乙可以得出

6、：当Z2 j L2时负载Z2得到的功率最大。此时天线匹配最好。2、丙类谐振功率放大器（V 90）当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅vcm反映输入信号振幅vbm的变化，放大器必须在vbm变化范围内工作在欠压状态。当谐 振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在 vbm变化的范围内工作在过压 状态。固定VBB增大vbm和固定vbm增大VBB的情况类似，它们都使基极输 入电压vBEma随之增大，对应的集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放 大器的工作状态由欠压进入过压区。工三、电路与程序设计1能量发送模块电路本设计的发射频率为6MHz直接利用PIC16F877A单片机晶体振荡器

7、产生， 高频三极管9018用作射极跟随器，信号经调制后，由高频三极管放大，再经高 频三极管C1971进行功率放大，并从17圈的线圈发射出去。线圈输入信号经电 容耦合，检波二极管2AP9检出LED照明模块的反向散射调制信号，再由 LM358 放大和整形后供单片机识别、解码。电路详见附录。1）、ASK调制调制级的核心是用作开关的检波 管（如图3.1.1）。当ASK控制信号为高电 平时，二极管关断，信号流经C20、C21、C6，并在C21中衰减一部分。当 ASK控制信号为低电平时，二极管导通， C21相当于被短路，信号几乎无衰减的通 过。从而对载波进行振幅键控。调制输出端的负载是下级放大器的输入阻

8、抗RL，约为500欧，C20、C6容抗很小。设载 波幅度为uc。调制输入为高电平时，负载上得 到的电压为：Ul1RlRl21C20Uc Uc1C6调制输入为低电平时:u L2Rl其中,Rl211C20C6C211，故调制度为:RlC21k Ul1 Ul2 100%Ul1 Ul2可见，一选择合适的值就可以得到合适的调制度。1(1733KC2(JK*臥Hto 2D3-ML53RiO10KUc100%i；r1E：图 3。 1。 11UcIII vk=100% 2）、高频功放寸，调制度本电路工作频率为 6MHz，相对于9018，C3355，D667的干截止频率，可以不考虑器件的高频特性。从原理图不难求

9、出rbi 155krb2 179由9018构成的射极跟随器，用作阻抗匹配，使单片机的震荡器不因负载过重而停振。其输入阻抗ri Rb1 / r b1Rb1 （1V!Re1ie121K实验表明，这个负载可以被PIC16F877A的震荡器驱动。由于C1971用作丙类放大器，故其输入电阻不易确定。为于便于分析，可以把R视为以C3355为核心的放大器的输出端内阻，C1971作为其外部负载。则放大器的电压放大倍数Aurb3 251rb2放大器输出电阻为300 Qo谐振回路比较简单，不在此计算。末级功率放大器工作于丙类状态，基极馈电采用自给发射极偏置电路。在工作时可以产生发射结负偏压。根据丙类放大器理论和工

10、程实践经验，导通角选择60度到70度，由于C3355输出幅度不可预知，这一点必须通过实验调整。3）、LED接收模块电路具体电路见附录。该部分电路由检波器和整形电路两个单元构成本设计采用二极管包络检波，D1用于改善检波效果。本装置传送数据选用20KHZ和 100Hz的方波信号，而载波频率为6MHz，要求检波器能滤除 6MHz的信号，检出20KHz 的信号，因此RC并联路应满足：R16C1683.0 10R16C1610的在满足条件的前提下，RC回路的时间常数应尽可能小。故取图示参数。运放LM358的单元A用作有源带通滤波器。该滤波器的传递函数为：R21C15SR26C15S 1R21C17S1本

11、设计微控制器的硬件及其接口部分较简单，不攒述。2、LED照明模块电路此电路是通过线圈过来的能量用桥式整流电路整出直流电压作为整机的电 源。当LED照明模块接近能量发送模块时，开始对 LED照明模块的储能电容充 电，使电压快速上升。能量发送模块不断发送高频载波 ，保证LED照明模块可以 长期得到能量维持工作。当单片机 PIC16F73检测到光敏电阻上电压升高时， LED照明模块开始向能量发射模块发编码，编码方式已在软件方案二简述过。 当有发码时，能量发射模块就接收LED照明模块发出的数据，减小PWMt出波形 的占空比。应答器的解码电路通过提取敕流输出电压的包络进行放大，此放大 只用一个三极管。电

12、路见附录。1）、ASK解调以9014为核心。R3 D6为9014提供稳定的偏压，并可补偿9013结电势 的温漂。R10用作限流。并可减小从R2 C5进来的信号的损耗。9014导通时最 大集电极电流5.1V 0.2V100K49 A设应答器ASK有效信号的幅度是0.5V （此条件易满足），那么0.5VR249 A所以F2取470。ASK调制电路与解调电路相似，不攒述。拔码开关利用PIC16F73内部上拉电阻，为降低功耗，检测开关状态时才使能上拉电阻。4、测试方案与测试结果测试仪器：万用表，TDS1001示波器，QJ-3003S电源，函数信号发射器，射频信号发生器。硬件测试方法：有源发射机与无源接

13、收机通过线圈耦合，线圈距离从0逐渐向上增加到40mm左右，看接收机中的led是否发亮，并检测接收机的感应的电压是否能达到3伏以上。调节发射机的放大功率，再测试亮度是否能通过按键控制，如果亮度过亮，接收机是 否能回传信息给发射机，让发射机能进入省电状态。软件测试方法：给系统上电，用示波器观测从 PIC16F877的RC2 口是否输出为预置的占空 比方波。是否可用按键调节PWM波形占空比的变化。测试结果：发射模块的调制信号可以通过按键调节其占空比的增减，增减达到5级。但由于发射功率不够，即放大倍数不够，末级发射信号的峰峰值才3V。耦合到接收机信号太弱，无法产生足够的电压点亮 LED。附录一发射模块

14、原理图:FT：IttLH ”rt4-.接收模块原理图:13=1 II=-|HL- a附录二：程序流程图VV附录三(发射端主要源程序)：mai n()un sig nedl ongresult=0x00;int i;uchar temp6;ini t();while(1)for(i = 0;i 0;i -)ADi nit();ADGO=1; while(ADGO); result=result+ADRESH; result=(result/6);result=(&(result/100)*300)+result(result/100)*5; result=(result*4.88125);temp0 = (uchar)(result /1000) % 10) + 0x30;temp1=.;temp2 = (uchar)(result /100)% 10) + 0x30;temp3 = (uchar)(result /10) % 10) + 0x30;temp4 = (uchar)(result % 10) + 0x30;write_data(temp,5);dela y(2);keyboard