9远设计说明书查重版

1、 黄河科技学院毕业设计说明书 第 PAGE I页基于51单片机智能无线耦合充电设备的设计摘 要无线充电技术（Wireless charge technology ），源于无线电力输送技术。无线充电也被称作非接触式感应充电、感生充电，经由近场感应的无线充电，即电感耦合，使用供电装置（电源适配器）把电力传输到需要使用的用电设备，系统将接收到的能量对用电设备进行充电，也供其本身运行使用。由于供电装置和电源间通过电磁耦合传送，所以供电装置和电源之间不需要使用电线连接，因此供电设备和用电设备均可做到无导线连接。关键词：无线充电，电磁感应，电磁共振PAGE II 黄河科技学院毕业设计说明书 第15页Bas

2、ed on 51 single chip design of intelligent wireless charge coupled deviceAuthor : Liu TingTutor : Wang YuqiaoAbstractWireless charging technology (Wireless charge technology), from the wireless power transmission technology. Wireless charging is also called non-contact inductive charging, the induce

3、d charge, via near-field inductive wireless charging, namely inductive coupling, using a power supply unit (power adapter) to transfer the power to the electrical equipment required to use the system will receive energy for electrical equipment for charging, but also for their own operational use. B

4、ecause between power supply unit and power transmitted through electromagnetic coupling, so no need to use the power cord between the power unit and connected to the power supply equipment and electrical equipment and therefore can be done without wires.Keywords: Wireless charging, electromagnetic i

5、nduction, magnetic resonance1 绪论1.1无线充电技术的概论无线充电技术就是用无线电来传输电能。由于必须满足对电能质量的需求，因此要求传输的效率高、功率大；无线充电的研究应用领域十分广泛，无线充电的传输功率相差也十分大，从使用磁悬浮技术的列车到功率很小的用电装置、上千瓦功率的电动汽车、几十瓦功率的小型电器、几十毫瓦的生物技术。电磁感应技术、无线电波技术、电磁共振技术是目前无线充电技术比较成熟的三种技术。1.1.1电磁感应技术电磁感应技术是将变压器的原边接入交流电，通过电磁感应原理，变压器的副边就会产生电动势与之相对应，把副边电路与电路连接，副边电路就可以产生感应电流

6、了，再根据楞次得到电流的方向，运用电磁理论就可以得到大小了。因此变压器的原边就相当于发射端的线圈，变压器的副边就相当于接收端的线圈，无线传输就可以实现了。系统制作成本较之十分低、结构简单、技术完整、大功率传输是这种传输方式的优点；但是这种方式传输距离特别短，充电器要远离其他金属物品，不然可能向其他金属物品充电可能导致其发热发生火灾。1.1.2电磁共振技术通过两个感应线圈，一个为发射线圈，一个为接收线圈，让两个线圈发生共振，这就是电磁共振原理，这也是无线充电的基础。把发射端的频率进行转换，从低频率到高频率，使发射端高频率振动，两个线圈之后会产生一个能量。由于接收和发射的频率一样，因此两个线圈之间

7、产生了共振。每一次共振，接收感应器就会产生一个电压。当共振次数有了一定的数量，感应器才能被足够能量产生，接着就可以产生更多能量，通过电磁转换，无线传输电能就实现了。当达到了技术所需的频率事，电磁共振的传输距离可达三到四米，传输的功率也很大，1.1.3无线电波技术通过激光或微波来进行电能远距离传送的技术叫无线电波技术，无线电波系统由发射天线、接收天线、高频电磁波整流器、变电设备，电磁波发生器组成。电磁波发生器有两个名字，一个叫激光器，另一个叫微波源，通过发生器，电源把电能转换为电磁波，然后发射天线传送电磁波，接收天线接收电磁波，经过高频电波整流器接入天线吸收能量，高压直流电通过电流逆变就能用了。

8、这种方式传输的距离是最远的，但是他的传输功率也很小，效率低，很多能量会以无线电波的方式浪费。1.2无线充电研究现状耦合变压器技术是我国国内现在研究的主要技术，磁悬浮和感应充电运用了耦合变压器技术，他的传输距离非常短。跟国外相比较，我国的无线充电技术才刚刚发展，在期刊上发表了几篇相应的文章。2002年电气传动上发表了一篇相关的文章，这篇文章的作者是西安学院的李发教授发表的。重庆大学电气与自动化学院无线电能传输技术研发组，在无线充电理论和实际的研究上做出了重大的突破1。我国仍然处于无线充电的理论研究阶段，最近的几年里才有所突破，但也只是研究阶段没有任何实际应用的成果。无线充电虽然没有广泛的应用，但

9、是他也有三个标准：PMA标准、Qi标准、A4WP标准。1）PowerMattersAlliance标准PowerMattersAlliance标准是由DuracellPowermat公司发起的，该公司实力非常强并且还是AllianceforWirelessPower（A4WP）标准的支持成员之一。AT&T、Google和星巴克这三家公司都加入了PMA联盟。PMA联盟一直在研究无线充电并且为其制定标准，在无线充电方面走的世界前沿。2）QI标准外国建立了无线充电联盟，无线充电联盟又叫做WPC，他们推出了无线充电新的标准，QI标准，QI的最大特点是便携和通用。假设一个充电设备具有了此标准，那么用同一

10、个充电器，就可以对所以的设备进行充电，这样就会使用户们更加的方便和快捷的充电。中国在无线充电技术方面领先外国。QI也是用了这个标准。Samsung、Apple、Nokia等公司都加入了此标准之中。3）A4WP标准这是无线充电的另一个标准，也是无线充电联盟的又一个标准，A4WP标准，该联盟有以下成员，Qualcomm、Samsung、Power等。还包括SKT、PeikerAcustic、EverWinIndustries、GillIndustries等成员，自从有了无线充电联盟，无线充电的产品变得产业化和标准化了。2 电磁感应原理2.1电磁感应发现从人们发现电磁感应之后，对电磁感应的研究就没有

11、断过，有些著名科学家在研究它的逆效应，他们猜测电磁能否产生电及磁能否对电产生影响问题，因为当时科技原因没有直接发现感应电流，而发现最早的电磁感应现象是电磁阻尼和电磁驱动，并且没有文字说明。十九世纪，科学家法拉第在一个铁环上绕上线圈，将一个线圈接入闭合回路，将一个磁针放在导线下面，然后把另一个线圈与电源连接，打开电源形成闭合回路。当打开电源之后，磁针发生了反向的偏转，当关闭了电源以后，磁针发生了偏转，通过这个实验现象，证明了该线圈有所感应。经过上述的实验和分析，证明了感应电流与导电能力成正比关系。经过一系列例证，在感应系统里，电动势产生了电流，无论有没有闭合，或者有没有电流情况，感应电动势都依然

12、存在。楞次定律决定了感应电流的方向。动生电动势和感生电动势，是感应电动势的两种形式。分别产生于不同力，前者是根据洛伦兹力，后者是电磁场变化产生。法拉第电磁感应定律是一直做了成百上千次试验才得出的定律。在现在已经被正式化，他有许多其他的版本，现在都是被称为电磁学的瑰宝。法拉第电磁感应定律是由于法拉第于1832年所做的实验。在这同一时间也有人发现这电与磁的关系但是他发表万物法拉第。楞次定律的发现为判别感应电动势的方向和生成感应电动势的电流方向提供了一种方法。当一个导体在闭合电路磁场中，由于进行切割磁感线运动，然后产生了电流，这种现象我们把它叫做电磁感应现象。通过这种现象产生的电流，我们把它叫做感应

13、电流。详细的步骤为：不改变线圈的面积，然后改变磁场强度，磁通量会因此产生变化，伴随着也有感应电流产生。因为磁通量发生了变化，产生了感应电流，这就是磁感现象的本质。2.2电磁感应基本概念当导体中产生一个电动势，电磁感应发生了变化，这就是电磁感应现象。在一个闭合回路里，如果进行闭合，将有电压驱动电子流动，由此形成了感应电流。电磁场是最伟大的成就之一就是电磁感应的发型。电磁感应证实了电与磁之间的内在联系，同时也为电和磁实验之间的相互转换奠定了基础，人类获得了巨大的经济力量和开辟了道路，在实际意义上有显著的性能。随着发现了电磁感应现象，人们进入了一个重要的工业和技术革命的时代。研究表示，电力，电子技术

14、，电气化，自动化都广泛使用了电磁感应，电磁感应促进科学技术的发展。2.2.1磁通量在一个均匀强度的磁场中，有一个平面与磁场方向垂直，假设这个平面的面积为S，磁感应强度为B。（1）定义：磁感应强度B与平面面积S的乘积称作磁通量。（2）公式：=BS当磁场方向与平面不垂直时：=BS=BScos（3）物理意义穿过面的磁感线数量用穿过面的磁通量表示。（4）单位WB磁通量的国际单位是Wb（韦伯）。2.2.2电磁感应（1）电磁感应（Electromagnetic induction）又称磁电感应现象，是指闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动，导体中就会产生电流的现象。（2）闭合回路在原磁场内产生的磁

15、场阻碍原磁场磁通量发生变化的电流叫做感应电流。（3）电磁感应现象产生条件：两种不同表述a导体与磁场发生相对运动。b磁通量发生变化穿过闭合电路。两种表述的比较和统一a两种情况所产生感应电流的根本原因不一样闭合电路的导体和自由电子的磁场产生部的相对运动遵循导体的导体一起移动，然后再进行一洛伦兹力分量，因而是自由电子然后形成移动的当前方向，这种情况下产生的电流称为动感电流。b两种表述的统一闭合电路中，磁通量会发生变化。产生电磁感应的条件闭合电路的磁通量如果发生了变化，那么一定会有电流在闭合电路中产生。条件：1闭合回路2部分导体3切割磁感线的运动2.2.3能量的转化系统遵循能量转换守恒定律，电磁感应的

16、现象也遵循能量转换守恒定律。2.2.4感应电动势（1）定义：电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势。方向由低到高。（2）产生条件：在电流穿过闭合中，磁通量发生变化。（3）方向：感应电动势的方向为感应电流方向。（4）物理意义：在电磁感应现象中，感应电动势是基本物理量。（5）反电动势：起到消弱电动势的作用的感应电动势，称作反电动势。2.3计算公式计算感应电动势的大小公式（1）E=N/t（E感应电动势，N感应线圈的匝数，/t：磁通量变化率）。（2）E=BLVsinB(做切割磁感线运动)，E=BLV中的V和L的方向不会平行于磁感线，但是不跟磁感线垂直，公式中sinB中B为V或L跟磁感线的夹角。可以用

17、来求平均电动势，可以计算瞬时感应电动势。（3）最大感应电动势Em=nBS。（4）E=B(L2)/2（导体一端固定以角速度旋转切割）（：角速度单位rad/s，V:速度单位m/s，L2是L的平方）。2.磁通量公式=BS（：磁通量单位Wb，B:磁场的磁感应强度T，S:正对面积单位是平方米）3.感应电流的方向可以用来判定感应电动势的正负极，负极到正极。4特别注意，/t无必然联系，E与电阻无关E=n/t。电动势的单位是伏特V，磁通量单位是韦伯Wb，时间的单位是秒s。2.4电磁感应意义当磁通量在闭合回路中发生变化，感应电流就产生了，通过一系列的实验表明。感应电流为磁通量发生变化产生的电流，电磁感应现象是磁

18、通量变化的现象。感应电动势用符号表示，就是=n/t。感应电动势大小与磁通量变化率成正比，电动势越大，磁通量越大。电磁感应现象是电磁学里非常重要的发现，它证明了电与磁之间的关系。通过电磁感应定律我们可以知道，发电机、电动机等大规模远距离传送的设备都是通过该原理设计的。他还在很多技术方便有着重要的作用，比如说电子技术、电工技术以及很多电磁测量。由于电磁感应现象的产生，我们的生活变得更加的方便，我们也走入了电气时代。3 电路设计3.1结构设计本系统基于电磁感应原理，由两个线圈进行耦合，传递电磁波，。系统工作时，用直流电进行供电，也可以把整流过后的市里用电为电路供电。然后经过一些特殊芯片和LC震荡发生

19、器产生电磁波，然后接受线圈得到电压，在经过整流和特殊芯片的处理会产生5V直流电为电池供电。系统原理图如图3.1所示。图3.1 系统原理图根据电磁感应原理设计，系统结构图如图3.2所示。图3.2 系统结构图通过接收和发射线圈之间的电磁感应，电能实现了传送。互感原理图如图3.3所示。图3.3 互感原理图3.2具体电路设计3.2.1发射电路设计发射电路如图3.4所示。图3.4 发射电路图发射电路选用了三极管Q1选8050，也可以用9014代替。Q2选8550，也可以用9015代替。电容使用了瓷片电容和其它电容。R3用了碳膜电阻，其它的选用金属膜的电阻。电阻单位为欧姆，简称欧。三极管B772要加适当的

20、散热片。发射线圈L，选直径0.4-0.6的漆包铜线，在直径3cm的圆柱体上紧密绕线20圈，然后取下用胶带缠好，并留出两根引线。接线圈时，线圈两根线不分极性。发射电路才用了三极管8050、三极管8550、三极管B772， 8050是一种非常非常常见的晶体三极管，在各种电路中都可以发现他的身影，他的应用范围很广，他的功能是进行高频放大。8050也可以用作开关电路的设计。8550三极管是一种低电压、大电流、小信号的三极管。B772的管脚E，C，B，采用数字表二级管档，是一种PNP型三极管。3.2.2接收电路设计接收电路采用了一个整流电路，它是一个全波型的整流电路，输出功率的全波整流器的利用率为百分之

21、一百，低输出直流电压的纹波很低，选择的时候，不仅要考虑到耐压值，还要考虑实用性，开关，恢复时间，特效，电容值，还要考虑其他一系列的电容值，耐压值要高。接收电路：当接收线圈感应电磁场时，感应线圈靠近发射线圈。高频电压经过线圈接收后，快速进行全波整流，电压的正向电流为150mA，恢复时间反方向为4ns。1000uF的电容滤波后输出直流电源和限流推动发光二极管显示。如果再用5.1V稳压二极管稳压，输出直流电为充电器提供较为稳定的工作电压。接收电路如图3.5所示。图3.5 接收电路图接收模块使用了整流二极管1N4148，该模块的特点是：速度快，开关敏捷，信号频率较高，可以进行单项隔离，是广泛应用于通讯

22、，电脑，电视机的控制电路，十分的廉价且好用，符合设计理念。1N4148是一种非常适合普通整流用的二级管，他具有高频开关，包括了SOT23、DO35、0805、LL34都有所使用。二级管的反向恢复时间为4ns、平均正向电流为150mA、结合电容为4pf、反向恢复时间为4ns，这种整流二极管可以用于多种场合，经济实惠，容易购买，是一款非常不错，通用性强的小信号高频率二级管。接收线圈L选直径0.4-0.6的漆包铜线，在直径3cm的圆柱体上紧密绕线20圈，然后取下用胶带缠好，流出两根引线。接线圈时，线圈两根线不分极性。4 测试结果根据所设计的电路，焊接好所有元器件后，开始进行测试。在本次测试中，无线供

23、电的负载，选择了一个LED灯，原供电电压为4.4V。收发线圈：铜线线径0.4mm，线圈内径30mm，绕线20匝。测试一：两个线圈重叠在一起，发射电路接5.0V电压，发射电路电流为240mA，此时，接收电路输出电压为3.01V，输出电流为38.3mA。LED灯发出较亮的光，如图4.1所示。图4.1 LED灯测试一测试二：两个线圈相距约4.0mm，发射电路接5.0V电压，发射电路电流为330mA，此时，接收电路输出电压为2.78V，输出电流为10.81mA。LED灯较上个测试变暗，如图4.2所示。图4.2 LED灯测试二结 论随着人们生活水平的提高，数字终端飞速发展，在未来的各种场合，智能无线充电技术势必要扮演着重要的角色，为人类服务。就目前市场研究情况看出，无线充电技术发展尚未成熟，技术标准没有统一性，成型产品在距离、效率、发热等方面存在弊端，是今后需要研究的重点。现在的无线充电充满了很多问题，需要充电器进行传输，看样子比较麻烦，不够，经过实验的成熟，各种设备额完善，我相信会在大多数地方出现这种无线充