电子竞赛(最新版)

1、12014 年年全全国国大大学学生生电电子子设设计计竞竞赛赛【本科组本科组】代码代码: HA011参赛学校：参赛学校：淮阴师范学院淮阴师范学院学生姓名：学生姓名：张荣荣、包同波、王晓张荣荣、包同波、王晓 2014 年年 8 月月 12 日日2 无线电能传输的研究学 生：张荣荣、包同波、王晓指导教师：邵云涟、孙红兵摘 要：所谓无线电能传输（Wireless Power TransmissionWPT）就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。无线输电分为:电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式。电能给人类带来巨大的发展，然而错综复杂的输电线分布在生活的各个角落，给人们带来极大的不便，因此人类一

2、直有摆脱电线的束缚实现电能无线传输的梦想。本文章指出现有的几种无线电能传输的方式，和他们的优点缺点.并且怎么利用这其中的方式，为人类获取一些可节约利益，和能源的节约。关键词：无线电能；传输wireless energy transmission way researchStudents:Zhang rongrong、Bao tongbo、Wang xiaoSupervisor:Shao yunlian、Sun hongbinAbstract:so-called radio can transmission (Wireless Power Transmission-WPT)is the elec

3、tromagnetic field or electromagnetic wave to help energy transfer of a kind of technology. Wireless transmission is divided into: electromagnetic induction type, magnetic resonance type and electromagnetic FuSheShi. Power to the mankind tremendous development, but the complexity of the transmission

4、line distribution in each corners of the life, give people inconvenient, so humans have been out of the shackles of wire realize the dream of electric power wireless transmission. This article points out some existing radio can transmission way, and their advantages disadvantages. And how to use thi

5、s which way, for human gain some can save interests, and energy saving.Key Words: Wireless Power；transmission31 1 发展历程发展历程.42 方案方案论证与比较论证与比较.42.1 无线充电方式的选择.42.1.1 电场耦合方式.52.1.2 电磁感应方式.52.1.3 磁共振方式.52.1.4 无线电波方式.5 2.2 电路图选择方案.6 2.2.1 电源的选择.6 2.2.2 振荡器的选择.62.3 处理器的论证与选择.63 电磁感应传输系统的分析计算电磁感应传输系统的分析计算.7

6、4 系统设计系统设计.84.1 单元电路设计.84.1.1 振荡部分的设计 .84.1.2 发射、接收模块电路的设计.94.2 总体设计.105系统系统测测试试.116 结论结论.12参考文献.12致谢.13附件：电路实物图41 1 发展历程发展历程19 世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”,尼古拉特斯拉（Nikola Tesla，18561943）在无线电技术何其他电气方面作出了杰出的贡献。1881 他年发现了旋转磁场原理，并用于制造感应电动机；1888 年他发明多相交流传输及配电系统；18891890 年制成赫兹振荡器；1891 年他发明高频变压器（特斯拉线圈） ，现仍广泛用于无线电、电视机

7、及其他电子设备。他曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性，并在 1899 年演示了不用导线采用高频电流的电动机，但由于效率低和对安全方面的担忧，无线电力传输的技术无突破性进展3。19011905 年在纽约附近的长岛建造 Wardenclyffe 塔，是一座复杂的电磁振荡器，设想它将能够把电力输送到世界上任何一个角落，特斯拉利用此塔实现地球与电离层共振。2001 年 5 月，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用微波无线传输电能点亮40m 外一个 200W 的灯泡。其后，2003 年在岛上建造的 10kW 试验型微波输电装置，已开始以 2.45GHz 频率向接近 1km 的格朗巴桑村进行点对点无

8、线供电。2005 年，香港城市大学电子工程学系教授许树源成功研制出“无线电池充电平台” ，但其使用时仍然要将产品与充电器接触。2006 年 10 月，日本展出了无线电力传输系统。此系统输出端电力为 7V、400mA，收发线圈间距为 4mm 时，输电效率最大为 50%，用于手机快速充电。2007 年 6 月，美国麻省理工学院的物理学助理教授马林索尔贾希克研究团队实现了在短距离内的无线电力传输。他们给一个直径 60 厘米的线圈通电，6 英尺（约 1.83 米）之外连接在另一个线圈上的 60 瓦的灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振” 。2008 年 9 月，北

9、美电力研讨会发布的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将 800W 电力用无线的方式传输到 5m 远的距离。2009 年 10 月，日本奈良市针对充电式混合动力巴士进行了无线充电实验。供电线圈埋入充电台的混凝土中，汽车驶上充电台，将车载线圈对准供电线圈就能开始充电。2 2 方案论证与比较方案论证与比较2.12.1 无线充电方式的选择无线充电方式的选择无线充电方式充电效率使用频率范围传输距离电场耦合方式无无无电磁感应方式92%22KHz数 mm-数 cm磁共振方式95%13.56MHz数 cm-数 m无线电波方式38%2.45GHz数 m-52.1.1 电场耦合方式电场耦合方式的无

10、线供电技术与“电磁感应方式”及“磁场共振方式”不同，电场耦合方式利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力，具有抗水平错位能力较强的特点。2.1.2 电磁感应方式 利用电磁感应原理 进行充电的设备，类似于变压器，在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给用电设备。 2.1.3 磁共振方式 磁共振方式的原理与声音的共振原理相同。排列好振动频率相同的在磁场中的相同振动频率的线圈，也可从一个向另一个供电。 2.1.4 无线电波方式 类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，接收电路，可以捕

11、捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。小结：一般，利用电磁感应原理的无线供电技术最具现实性，并且现在在电动汽车上有实际应用；电磁感应式非接触充电系统存在以下三方面的问题： （1）送电距离比较短，如果两个线圈的横向偏差较大传输效率就会明显下降。目前来看只能实现传输距离很小的范围，需要考虑很多的散热问题，比如线圈之间的发热。（2）耦合的辐射问题，电磁波的耦合会不会存在大的磁场泄漏。电磁感应在线圈之间传输电力，如同磁铁一样，在外圈有一定的泄漏，人如何避免受影响是个很大问题。（3）线圈之间也是有可能有杂物进入的。虽然磁场共振方式，是现在最被看好、被认6为是将来最有希望

12、广泛应用于电动汽车的一种方式，但是目前技术上的难点是，小型、高效率化比较难。电磁波送电方式，现在则提出了利用这种技术的“太空太阳能发电技术” ，可以从根本解决问题。设计最难的部分在于安全。因为无线充电系统会发射电磁波能量，有两大问题，一是长期发射，长时间下会造成能源浪费。二是当充电系统上放的金属异物，电磁波对其加热，轻则烧毁装置，重则发生火灾。所以需要有“受电端目标物辨识” ，当正确的目标放置时才送电。经过多方考虑选择方案二电磁感应的传电方式。2.22.2 电路图的选择方案电路图的选择方案 经过实践，比较了多个电路，最终确定电路图。2.2.1 电源的选择 大赛规定除了 15V 直流电源外，不得

13、使用其他电源。2.2.2 振荡器的选择方案一：方案一：采用 2M 晶振与集成电路 4069 等组合，完成振荡电路。方案二：方案二：采用电感和电容并联，实现 LC 共振。 方案三：采用 555 定时器完成振荡电路。 方案四：采用 CD4069 完成 RC 可调振荡电路。鉴于以上对比与分析，本设计采用方案二与方案四，因为电路中用到两处起振。2.32.3 处理器的论证与选择（处理器的论证与选择（LM311LM311）方案一：基于 CD4069 集成块的振荡方案。方案二：基于 74LS04 集成块的振荡方案。方案三：基于 74LS16 集成块的振荡方案。鉴于上述对比与分析，本设计采用方案一。73 3

14、电磁感应传输系统的分析计算电磁感应传输系统的分析计算利用电磁感应进行短程电力传输的摹本原理如图所示，发射线圈和接收线圈 L2 之间利用磁耦合来传递能量。若在线圈 L1 中通以交变电流，电流将在介质中形成一个交变磁场 ，线圈 L2 中产生的感应电势可供给移动设备或者给电池充电。系统的传输效率取决于发射和接收线圈之的耦合系数 k 和品质因数Q。最小损耗因数的计算公式如下：其中，耦合系数 k 又与两个线圈之间的距离 z，相对大小(D2/D) 目前常见的充电垫也是利用了电磁感应原理，将多个电子产品，如手机、相机、MP3 等放到同个充电挚上，能进行同时充电，而且无需精确定位，原因足充电挚内装有密集的小型

15、线圈阵列，能在各个方向建立磁场。接收线圈由磁性合金绕以电线制成，它附着于电子设备的充电电池上，充电时置于充电垫磁场中的接收线圈就会产生感应电流，能量就从发射端传输到接收端。由于充电垫产生的磁场很弱，所以不会对附近的信用卡、录像带等利用磁性记录数据的物品造成不良影响。该解决方案提供商包括英国 Splash power、美国 wiid Charge 等公司。这种接触式无线电力传输方式的优点足制造成本较低、结构简单、技术可靠，但是传输功率较小、传送距离短，一般只适用于为小型便携式电子设备供电。outompp)(11()(222minkQkQ84 4 系统设计系统设计4.14.1 单元电路设计单元电路

16、设计4.1.1：振荡部分的设计LC 振荡电路： 12U 1A406934U 1B406956U 1C4069R1470KR2100RP100KC11000pCD4069 振荡电路：经实验得：用 LC 振荡电路产生高频振荡比 CD4069 的效果要好！4.1.2 发射，接收模块电路设计9 A?DIODEA?DIODEA?DIODEA?DIODEA?RES1A?LEDA?CAPVCC发射和接收线圈都采用直径 20cm 左右的漆包线绕 10 匝。发射模块的作用是将直流能量高效率地转换为射频功率信号，以便接收电路能够充分利用能量；接收模块是在接收到前级的能量后对其进行处理的模块。为了满足实际应用的需求

17、，需要将接收到的射频信号进行整流、滤波、降压以及稳压处理，处理之后的直流电压方可供其他负载使用。该模块主要包括整流电路以及降压电路。4.24.2 总体设计总体设计1012U1A406934U1B406956U1C4069R1470KR2100RP100KC11000pA?BATTERYA?CAPA?CAPA?DIODEA?INDUCTOR1A?INDUCTOR1A?RES1A?LEDA?MOSFET P 总体设计框架图仿真电路：115 系统测试系统测试（1）在距离为 10cm 时，采用可调负载，电压可以加大，测量输出电压,如表 1 所示。 表 1电感 LZ（微 H）距离 L（cm）电容 C（微

18、 F）频率 F(HZ)电压（V）120k4165k 1454100.01202k 20（2）在距离为 12cm 时，串联两个发光二极管，测量输出电压，如表 2 所示。 表 2电感 LZ（微 H）距离 L（cm）电容 C（微 F）频率 F(HZ)电压（V）260k2760k1054120.011.29M16(3) 效率输入输出距离（cm）电流电压频率电压电流效率（%）100.12mA15V120HZ10.11v0.9mA0.5102.9mA10.15v99HZ15v0.2A0.9100.19A15v99HZ2.6v0.01A0.96 结论本系统实现了题目的基本部分以及发挥部分的部分要求，经过测试，实现了电能的无线传输，传输距离为 10cm，输入直流电压 U1=15V 时，接收端输出直流电流 I2=0.5A，输出直流电压 U2 8V，输入直流电压 U1=15V，输入直流电流不大于 1A。发射与接受线圈为空心线圈，线圈外径均 20+/-2 cm；发射与接收线圈间介质为空气。 I2 为连续电流，制作时12考虑了测试需要，合理设置了测