无线电能传输装置

1、2014年重庆市TI杯电子设计大赛设计报告【本科组】无线电能传输装置设计报告2014年8月15日目录摘要31、设计任务与要求41.1设计任务（见附录1）41.2设计要求（见附录2）41.3 题目分析42、方案比较与论证42.1 单元电路方案比较与选择4前端电路方案选择4后端电路方案选择52.2整体方案论证53、硬件电路设计53.1系统的总体设计5设计思想5设计步骤63.2理论分析与单元电路参数计算6理论分析6电路参数计算63.整体电路原理图（见附录3）73. 整体模块PCB板74、软件系统设计74.1单片机选择74.2程序总体流程图84.3测距模块流程图944程序清单（见附录4）95、系统调试

2、95.1电路部分的测试方法95.2测试仪器95.3测试结果（基本要求测试）106、系统电路存在的不足107、附录：11附录1：设计任务11附录2：设计要求11附录3：整体电路原理图12附录4：PCB板13附录5：程序清单13F题 无线电能传输装置摘要本设计包括发射端电路设计，接收端电路设计，和线圈选择三个部分。发射电路采用自激震荡电路将15V直流电压逆变为高频交流电。接收端部分采用整流和滤波模块将感应交流电处理后输出为直流电压。线圈选用热损耗小的铜质线圈。本设计能达到指标为：(输入电压15V时)输出电压>8V，LED灯在两线圈距离75cm时可点亮，传输效率为43.3%。关键词：无线电能传

3、输逆变电路整流电路AbstractThis design includedtransmitting module design, receiving module design, and coil selection. The transmitting module employed a self-excited oscillation circuit to convert direct current (15V) into high frequency alternating current (AC). The receiving module employed a certificatin

4、gcircuit and a filtering circuit to convert AC into DC output. The coil with small thermal energy loss was selected. The designed circuit can achieve:output voltage >8V (input voltage 15V), LED was lightened up when the coils were 75cm apart, and the transmitting efficiency was 43.3%. Key words:

5、wireless transmission of electricity power, self-excited oscillation circuit, certificating circuit1、设计任务与要求1.1设计任务（见附录1）1.2设计要求（见附录2）1.3 题目分析无线电能传输装置指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式，目前常用的方法为磁场耦合式无线电能传输。根据题目要求可知输入电压为15V直流电压，输出为8V直流电压，所以设计重点为将直流逆变为交流的驱动电路和将交流整流为直流的整流电路。由于无线电能传输所需的正弦波频率在兆赫兹级，所以需要频率产生芯片

6、。调试时主要是通过调整线圈的匝数调节传输效率。2、方案比较与论证2.1 单元电路方案比较与选择前端电路方案选择题目要求输入为15V直流电压,磁耦合谐振需要给线圈输入高频交流电,驱动电路就是将15V直流电压转换为高频交流电。方案一：高频逆变电路，使用IR2110驱动逆变电路。IR2110为美国IR公司生产的中小频率变换装置中常用的驱动装置，内部集成逻辑输入，电平平移及输出保护等电路。使用时外围电路简单，对硬件要求低，但是在逆变过程中需要对其电容进行匹配。由于电容型号有限很难匹配出合适的电容值。方案二：高频震荡。高频振荡产生的频率远远高于三极管的频率，而且高频振荡产生的频率范围广，满足无线电能传输

7、所需的频率。另外，高频自激震荡电路简单，容易进行电路检测。方案选择：根据电路的简单化和可实现性，第二种方案电路更加简单。而且第一种方案对驱动芯片的频率要求较高，而IR2110驱动芯片的频率无法达到无线电能传输的要求，第二种方案通过电路的自激震荡就可以产生较高的频率足以满足无线传输的要求。考虑以上几个因素，选择方案二。2.1.2后端电路方案选择经过线圈感应后产生交流电，但题目要求输出直流电流，因此需要对产生的交流电进行整流处理从而使交流变成直流。方案一：只加滤波电路。滤波电路只能滤去一定频率的波形，但是最终的不到直流电流。方案二：加整流电路和滤波电路，先经过整流电路将正弦波整流为半波，再将半波经

8、过滤波得到稳定于某个值的电流,方案选择：滤波电路无法满足要求,只进行滤波得不到要求的电流。因此采用方案二。2.2整体方案论证图1系统框架图此次设计中前端发射装置的驱动电路为自激震荡电路，自激震荡电路之前加上继电器对电路进行低电压保护。自激震荡电路可以产生频率大约为1MHZ的正弦波，通过线圈磁耦合，在接收装置部分通过整流电路将正弦波变为只有上半周期的波形。再经过滤波电路将半波正弦波稳定在8V电压以上，从而满足题目要求，使输出电压大于8V。3、硬件电路设计3.1系统的总体设计设计思想1、尽量采用简洁可靠的软硬件环境，充分利用现有资源；2、系统硬件模块化，便于电路测试和电路检查；3、充分发挥想象力，

9、尽可能发挥自由设计模块。设计步骤1、设计输出部分电路，电路的功能为将15V直流电压转换为接近1MHZ的交流电，并给输出线圈供电；2、设计接收电路，接收电路将接收的交流电变为直流电供给负载和灯泡；3、解决线圈与电容的匹配问题，为了达到磁耦合需要两个线圈和各自的电容达到谐振，4、对总体电路进行调试并进行测量。3.2理论分析与单元电路参数计算理论分析磁耦合谐振式无线电能传输是目前最常用的无线传输方式，其原理就是利用电磁效应进行无线电能传输，在发射端交流电使线圈产生变化的磁场，变化的磁场使接收端的线圈产生变化的电流即交流电，从而达到无线电能传输的目的。电路参数计算前端电路分为继电器低电压保护模块和自激

10、震荡模块，继电器选用驱动电压12V，当输入为15V时继电器常开闭合前端电路正常工作，前端电路重点是自激震荡电路，自激震荡电路产生高频正弦电流并驱动MOS管在供给线圈电流。前端电路的重点是自激震荡电路，自激震荡电路通过仿真可以实现功能，就根据仿真图进行参数的确定。图2自激震荡仿真图自激震荡可以正常工作之后就是线圈与电容的匹配问题，根据：F=12LC（1）当线圈确定时，使用电感测量仪测量其电感值，根据上面的公式计算电容值从而使前后的线圈各自达到谐振。两个线圈感应时：根据网孔法可列方程Us0=R1+jwL1-jwM-jwMR2+jwL2+RL1+jwC2RLI1I2（2）传输效率影响因素： K2Q1

11、Q2=M2w2R1R2（3）根据上面的公式可以通过调节元器件提高效率，并且进行相关计算。后端电路需要对线圈感应产生的交流电进行整流，电路模块为整流电路和滤波电路。整流电路由四个二极管构成，对线圈感应产生的正弦波进行整流。滤波电路对整流电路输出电流进一步稳定，使后端电路输出电压大于8V。整流电路使用四个IN4007二极管，其后端由电容滤波。电流中的高频部分流经电容接地，达到削弱高频电流的目的。3.整体电路原理图（见附录3）3. 整体模块PCB板4、软件系统设计4.1单片机选择MSP430系列具有众多不同型号的单片机,本次设计所需的单片机内部需要集成ADC采样模块、计时器、串口通信、flash存储

12、等模块，而且还要有足够的I/O口用于输出SPWM波形以及连接矩阵键盘和LCD 12864。再从编程简单，易操作的角度进行筛选，最终我们选择F149型号的单片机。F149单片机的特点：l 内部集成12位ADC；l 内部具有参考电压源；l 具有采样、保持、自动扫描等功能；l 内部集成的2个16位计时器，具有捕获、门限功能；l 内部集成有比较电路；l 具有安全熔丝可编程代码保护功能；l 内部存储器为60KB+256B闪速存储器和2KB的RAM；l 它的外设具有独立的振荡器和分频器，最大频率为8MHZ；l 共有48个I/O口，可以与多个外部设备同时接通，具有可编程的USART串行接口。这些特点足以满足

13、本次设计所需。图3 单片机及外设原理图4.2程序总体流程图图4 系统框图4.3测距模块流程图图5 声波测距模块流程框图44程序清单（见附录4）5、系统调试5.1电路部分的测试方法1、在接收端后面接上功率负载，调节功率电阻阻值测量发射端和接收端电压值和电流值从而计算效率；2、调节最远距离使灯泡发光。5.2测试仪器1、3A30V直流学生电源2、双踪数字示波器3、函数信号发生器5.3测试结果（基本要求测试）发射端接收端效率V(v)I(i)V(v)I(i)34.68%151.5528.590.28235.76%151.628.610.337.60%151.6928.280.33738.48%151.7

14、328.290.35341.48%151.8727.770.41941.48%灯泡发光：6、系统电路存在的不足1、自激振荡电路部分有时会不稳定，尤其是当线圈与电容不匹配时会发生短路，但是在当初电路设计没有考虑到这一点，所以到后期开始测试阶段电路经常出现问题；2、线圈与电容的匹配问题，磁耦合谐振无线电能传输基于发射和接收端电感和电容谐振，从而实现无线电能传输，但是在匹配时需要计算好数据，当电容数据不能满足要求时电路不能正常工作。7、附录：附录1：设计任务设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。图6 电能无线传输装置结构框图附录2：设计要求（1）保持发射线圈与接收线圈间距

15、离x =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U28 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率。（45分）（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。（45分）（3）其他自主发挥（10分）（4）设计报告（20分）项目主要内容分数系统方案系统结构、方案比较与选择4理论分析与计算无线传输系统工作原理分析及计算6电路设计相关电路设计5测试测试结果及分析3设计报告结构及规范性摘要，正文结构，公式与图表的规范性2总分20附录3：整体电路原理

16、图图7发射模块电路图图8接收模块电路图附录4：PCB板图9 接收模块PCB板图10 发射模块PCB板附录5：程序清单#include<msp430.h>#include"lcd.h"#define CPU_F (double)8000000)#define delay_us(x) _delay_cycles(long)(CPU_F*(double)x/1000000.0)#define delay_ms(x) _delay_cycles(long)(CPU_F*(double)x/1000.0)extern void Init_Keypad(void);exte

17、rn unsigned char flag;unsigned char juli;unsigned char cl;long bz1,bz2=0; /* * 系统时钟初始化 * 系统主时钟选择高速晶振aclk=32768k,mclk=XT2,SMCLK = XT2。 */void Clk_Init(void) unsigned int i; DCOCTL=DCO0+DCO1+DCO2; / Max DCO数字晶振最高频率 BCSCTL1=RSEL0+RSEL1+RSEL2; / XT2on, max RSEL选择高速晶振最高频率 BCSCTL2|=SELM_2+SELS; /MCLK=8M,S

18、MCLK = XT2,系统主时钟选择高速晶振 do /清除振荡器失效标志，等振荡器稳定。 IFG1&=OFIFG; for(i=0XFF;i>0;i-); while(IFG1&OFIFG)!=0);/* * MSP430内部看门狗初始化*/void WDT_Init(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / Stop WDT/* 初始化IO口子程序* P1.07P1.0用于测距 P2.07key按键端口控制 显示流程 P3.07P3.4用于测距 P4.07LCD数据口（记得用杜邦线插） P5.34567LCD控制口 P5.012 P6.012A

19、D模拟电压输入端 P6.3P6.7*/void Port_Init(void) /测距模块 P2DIR&=BIT0; P2IE=0x01; P2IES=0X00; P2IFG&=BIT0; P3DIR=0X30; P3OUT=0X00; /k e y P1DIR = 0x0f; /P2.0P2.3设置为输出状态,P2.4P2.7输入 状态(外接上拉电阻) P1OUT = 0; P1IES = 0xf0; /P2.4P2.7下降沿触发中断 P1IE = 0xf0; /P2.4P2.7允许中断 P1IFG = 0; /中断标志清0 /L C D P4SEL = 0x00;/普通io口使用 P4DIR = 0xFF;/芯片输出数据给lcd P5SEL = 0x00;/普通io口使用 P5DIR|= BIT0 + BIT1 + BIT5 + BIT6 + BIT7;/lcd控制输