基于单片机控制的手机无线充电系统的研究与设计.docx

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基于单片机控制的手机无线充电系统的研究与设计

毕业设计（论文）

基于单片机控制的无线充电系统的研究与设计

系别：

机械与电子工程系

专业（班级）：

2011级电子信息工程2班

作者（学号）：

张玉荣（51101031011）

指导教师：

孙长伟

完成日期：

2015年6月10日

蚌埠学院教务处

英文摘要2

3系统的硬件设计9

3.1系统框架9

3.2硬件设计9

参考文献29

附录30

插图清单

基于单片机控制的无线充电系统的研究与设计

摘要：

由于人们对生活中使用的电子产品的要求变得越来越高，那跟着它一起发展的就是电子产品的充电器了，最开始出现的充电器是有线充电，其次是万能充，目前悄然兴起的是无线充电器。

我本次研究和设计的课题是基于单片机控制的手机无线充电器系统，其实关于无线充电技术，在国外已经相当成熟了，但在国内任然处于摸索和创新的状态。

要想实现无线充电，方法还是有很多，但是其对电能的利用率是我们所要考虑的。

电磁感应方式、电磁耦合共振方式、电场耦合方式、微波谐振方式都可以实现这个机制的供电性能。

我这次采用的是基于单片机（STC单片机）下，基于近场电磁感应无线电力传输的设计方式。

该无线充电过程是智能充电过程，通过接收端装配的红外发射的数据，经过发射圈中的STC单片机到达继电器，来告诉发射端的继电器是否切断或者打开线圈电源。

关键词：

无线充电器；单片机；电磁感应；红外发射

TheResearchAndDesignofWireless ChargingSystem BasedonMCUControl

Abstract:

With the requirementofelectronicproductsincreasinghigher, alongwithit isthe

developmentofthe charger, Atfirst,thechargeriswithwired,thenisriseofthe

universalcharger,butnowwirelesschargerisrisingquietly. My topicisthe 

researchanddesignofwireless mobilephonechargerbasedonsinglechip, infact,

wirelesschargingtechnology inforeigncountrieshasbeenverymature, butitis

stillintheexploratorystateinchina.Inordertoachievewirelesscharging,thereare

stillmanymethods,buttheutilizationrateofelectricityiswhatweneedto

consider.Thepowersupplyperformanceofelectromagneticinductionmethod,

electromagneticcouplingresonancemode,electricfieldcoupling,microwave

resonantmodecanrealizethismechanism.Iusedthis,itbasedonsingle-chip

microcomputer,thenear-fieldelectromagneticinductiondesignbasedonwireless

powertransmission.Thewirelesschargingprocessisintelligentchargingprocess,

thereceiverassemblyoftheinfraredemissiondata,throughthelaunchofSTC

MCUtorelaycoil,thetransmittertotellwhethertherelaycoilpowercutoropen.

Keywords:

 Wirelesscharger;MCU; electromagneticinduction; infraredemission

基于单片机控制的无线充电系统的研究与设计

1引言

1.1课题背景

由于人们对生活中使用的电子产品的要求变得越来越高，那跟着它一起发展的就是电子产品的充电器。

对于手机充电的方式，在手机刚刚兴起的时候是通过有线传输的，但是这种充电方式还是不能满足人们的生活习惯，由此让人们对无线充电的方式跃跃欲试。

目前来看，手机无线充电产品还属于一个朝阳产品，虽然无线充电技术不属于一个新兴的技术，它只不过是建立在无线电力传输技术上一个新应用。

在19世纪初，人类才刚刚拥有电力，但在最开始，关于电力怎么使用、怎么传输有两种不同的思路，一个是通过我们自己搭建电缆对电能进行不同距离的传输，另一个就是通过无线传输方式进行电能传送。

在前人研究的理论和结果的情况下，我们可以想到的直接办法就是通过电磁感应的方式进行电能传送，让天空和土地中的电离层作为介质，电能通过该介质进行损耗较低的传送。

科学家们对这个设想进行了大量的研究，但是由于各种原因还是终止的实验，导致后来这个猜想没有进行广泛的研究和发展。

1.2课题研究的意义

手机无线充电技术之所以现在能够悄然兴起，是因为人类对这方面的要求越来越高。

有线充电的方式存在很多麻烦和隐患。

首先，电线容易暴露在空气中，如果环境潮湿，导致短路，对手机和充电器都有很大的寿命影响，其次，有线充电需要电线传输才能进行，不同型号的手机产品其接口方式不一样，导致一根电源线不能多用、无电力环境下不能进行充电的弊端。

无线充电的方式将会打破这些我们所要顾及的因素，在充电的过程中，能量传递的效率不受外界的影响，随时随地都可以进行。

而且最主要的事如果采用无线充电的方式，我们只需要一个电能的发送端，就可以给多个不同型号的手机电池进行充电。

当然我们可以自己去制定一个无线充电的充电规范和标准，通常，在同样的标准情况下，我们就可以将所有符合和满足这项标准的可充电电池，用同一个无线充电装置来进行充电，这样就大大的减少了我们出行时需要带大量的充电设备[1]。

手机对人类生活的影响太大，在很多情况下，有可能会出现在使用过程中，手机处于低电状态的时候，可是周围却没有可用的电源给手机充电。

这时候，如果身上携带着一个无线充电装置，我们只要将自己的手机放在上面，无需连线，就可以进行电能传输了。

当然，无线充电技术不仅仅可以使用在电子产品上，在现在的医学上也得到了很大发展和进步。

由于各方面的原因，有一部分人的身体有一些缺陷，科学家们通过研究来研制一些电子设备，仿制人类身体上各种器官，来弥补身体的不足，给身体再次健康的机会。

比如人造器官、人造心脏等。

这些电子设备需要放置在人体内部，而且需要不间断供电的设备。

其中一个供电的方式就是通过利用变压器作为无接触的电能传输，这种方式得到广泛运用，因为对人体伤害小，对环境没有污染，传输效率高等优点。

1.3国内外无线充电技术的发展及现状

尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）在19世纪末为无线电技术做出了杰出的贡献。

比如感应电动机、多相交流传输及配电系统、高频变压器、赫兹振荡器等就是他发明的，这些发明尽管很早发现，但到现在依然在广泛的使用着，为我们的生活带来了很大的方便。

但在当时，无线充电技术由于效率低原因导致其一直没有发展起来。

2008年9月，北美电力研讨会发表的论文表示，他们已经可以将800W的电力采用无线的方式传输到距离他们实验室5m远的地方。

这项实验引起的极大的轰动，说明无线电力传输技术又得到了一个新的突破。

2009年，Palm推出点金石充电系统，用户只要把手机放在点金石上，在没有连接任何电源线的情况下，手机就会自动充电，并且其充电效率高，在电池充满的情况下，点金石自动为电池断电，由此使得电能能够得到最大的利用。

点金石这项技术也属于无线充电技术中的一种。

无线充电技术就是利用电磁共振原理，在充电器和我们手上的电子设备之间的空气中传输电能。

充电器上的线圈和设备上电容器形成共振，从而实现电荷在不同物件之间进行转换，使得电能能够在无线情况下，能得到高效率的传输[2]。

1.4无线充电技术的分类

无线充电技术主要分为电磁感应方式、电磁耦合共振方式、电场耦合方式、微波谐振方式；传统的电磁感应方式，我们可以看作是两个分离开的变压器，这个系统是由一个初级线圈、一个次级线圈、一个磁芯组成；当我们在初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中将会产生一个交变磁场，进而在次级线圈上感应处一个与交变磁场相同频率的交变电压，这样的话，电能就从初级线圈传输到次级线圈上了。

电磁耦合共振方式是指将电能通过振荡器产生高频振荡电流，然后经过发射线圈对外发射磁场（该过程是将电能转换为我们所需要的磁场），在中程无线电力传输系统上得到了广泛的利用。

电场耦合方式的工作方式与前两种有所不同，前两者的传递能量的媒介是通过磁场，而电场耦合方式传递电能的媒介则是通过电场。

[3]这种无线充电方式具有体积较小、传输过程中发热较低以及传输效率很高的优势。

微波谐振方式的原理类似于我们日常生活中的wifi传输原理。

由于其发射过程中是四散式的发射，不利于电能的集中处理，如果无线充电器采用这种方法，则电能的利用率将会大大减少。

1.5课题主要研究内容

现如今，我们需要考虑的对象就是怎样去提高手机无线传输过程中电能能够得到最大的利用，尽量减少电能的浪费。

我们所要研究的影响电能传输的几点因素主要是线圈之间的距离、线圈的大小、谐振的补偿方式，通过做实验使得手机无线充电系统得到更好的改善，并且能够提高手机与充电器之间的距离，研究不同的因素对电能利用率的影响。

2线电力传输原理

2.1电磁感应原理

我们都知道，在电磁学中，如果穿过某一个闭合导体回路所围成面积的磁通量发生变化的时候，我们先不考虑这样的改变是因为什么样的原因，但是当磁通量发生改变时，回路中产生了变化的电流。

这样的现象就是人们常说的磁感应现象。

我所设计的无线充电器的理论基础就是这个。

电磁感应现象的定律可以表达为：

如果穿过一个闭合的导体回路所围成面积磁通量发生改变的时候，我们先不考虑这样的改变是因为什么样的原因，但回路中都会产生了电流的变化，也就是发生了感应电动势，而且该感应电动势是正比于此电路中磁通量对时间变化率的负值，即：

（2-1）

εi的单位是伏特，Φ的单位是韦伯，t的单位是秒[4]。

2.2基于近场磁感应无线电力传输原理

其实所说的近场磁感应式无线电力传输系统的主要原理还是电磁感应原理。

生活中作用的变压器也是基于这个原理。

电磁能在空气中是以场形式存在的，如果我们在初级线圈上施加一定的交变电压，那么线圈中将会产生一定的交变电流，进而在周围空间就会产生我们所需要的交变磁通。

当设备中的次级线圈处于产生的磁场范围内时，在线圈中将会产生交变的电场，然后实现电源能量从设备中的初级线圈到同一设备中次级线圈的传递。

为了提高电能的使用效率，传统变压器中的初级线圈、次级线圈是通过铁心联系在一起的，因为铁心采用的材料事高磁导，并且使用的是环形结构，磁路又是闭合，因此两者之间的互感很大，漏感又很小，那么传输效率就会很高。

如果我们将传统变压器中的初级线圈与次级线圈进行分离放置，换句话说就是初级线圈与次级线圈之间没有铁心连接，中间仅仅隔着空气，下面就是我们说的近场磁感应无线电力传输系统的原型，如图2-1:

图2-1近场磁感应无线电力传输系统原型

2.3基于电磁耦合共振的无线电力传输原理

基于电磁耦合共振方式无线电力传输的基本思想是：

如果两个物体之间具有相同谐振频率，那么在很短的距离内，两个物体之间就能实现耦合谐振，并且进行能量之间的高效率交换，不过，如果两个物体之间的频率不同，那它们之间的相互作用相对较弱。

也就是说，着两个物体之间的能量交换率也会变得很低。

系统原理结构的组成主要包括发射端与接收端两个部分。

发射端是由发射电路与源谐振线圈组成的，接收端是由接收谐振线圈与负载电路组成。

他们的工作过程是发射电路当做激励源产生我们需要的中高频信号，驱动源端的谐振线圈发射该能量，源谐振线圈和接收端源谐振线圈将会产生磁耦合谐振对能量进行传输，接收端源的谐振线圈和负载电路相连接实现能量的传输。

线圈都被设计为具有相同谐振频率，然后在磁场作用下，产生谐振。

共振系统是由具有相同的本征频率物体组成的，能量只能在系统中物体间进行传递，但是和系统之外的物体基本上市没有能量之间的交换，在达到共振的时候，物体振动的幅度将会达到最大。

[4]（图2-2为基于电磁耦合共振的无线电力传输原理图）

图2-2基于电磁耦合共振的无线电力传输原理图

其中，高频电源是由高频振荡电路与功率放大电路共同组成，高频振动电路的作用是产生和发射装置所需要谐振电流的频率相同的正弦信号，然后经过功率放大电路将该信号功率进行放大，再通过一个线圈将此能量感应到发射装置中，发射装置与接收装置是两个具有相同的结构的天线，当发射天线中感应得到交变电流时，则在其周围产生相同频率的交变磁场，从而在接收线圈中感应生成相同频率的电流，由于接收天线的本征频率和电流频率相同，从而发生自谐振，两线圈之间通过磁场建立耦合关系，能量由发射装置源源不断传递到接收装置，为了保证磁场可以尽可能穿过接收线圈，两线圈应同轴。

3系统的硬件设计

3.1系统框架

此次设计和研究的无线充电器主要包含两个部分，分别是发射部分和接收部分：

图3-1系统框架

该发射部分的功能主要就是给接收部分提供电能，由于在接收部分内部装有红外发射装置，该装置的作用就是接收部分在接收电能时，用来断定是否需要运用发射部分的继电器来切断或者打开线圈的直流电源。

当然，接收部分对于发射部分提供的电能是需要经过整流滤波装置进行整流稳压后再给我们的手机充电，若充电完成，则通过红外发射的数据来通知发射部分及时进行断电处理，进而起到保护电池和节能省电的作用。

3.2硬件设计

硬件设计过程中，在我们设计这款无线充电器所需要的成本以及设计的性能要求下，我们主要采用一些市场上已经很成熟的芯片，在技术方面，也是建立在一些前人研究成果的基础上进行改良和创新，并且在规定的时间内完场产品设计和组装。

我们在设计的过程中需要考虑很多问题：

（1）发射部分的电源和信号是否完整。

若不完整，将对整个系统的工作产生极大的影响；

（2）发射线圈和接收线圈是否兼容。

若不兼容，则无线充电器的发射部分发射的电能则达不到传递，手机则无法进行充电过程；

（3）整个系统的散热性能是否良好。

散热性若不好的话，温度过高，多手机和充电器内部的零件结果则会产生影响，无线充电器的使用周期将会大大缩减，所以在设计的时候，我们在这个无线充电器的外壳上添加了一些通气口；

（4）对电能的利用率高不高。

这个如果没有考虑周全的话，该无线充电器的意义就会减少。

现如今，最主要的就是注意节能减排；

（5）在设计原理图的时候，还要注意不同阻抗之间的匹配度，布线过程应提前想好怎么规范整改布线格局。

我这次设计的无线充电器里面既有模拟电路部分，还有数字电路部分。

硬件的设计过程中遵循的是先设计整体，然后再针对性的设计部分电路的思想，其规划如图3-2：

图3-2设计规划图

由上面的规划图可以看出来整个系统的电流和信号的流向：

（1）电源经过逆变电路被逆变成我们所需要的高频交流电；

（2）经过补偿点燃补偿后，加载到发射部分的发射线圈上；（3）随即就是接受线圈立即感应到电动势，再向我们设计系统的负载输出电流；（4）电流再次经过补偿电容、全桥整流电路、π型滤波电路，然后就变成了可以对手机进行充电的直流电了；（5）在充电过程中，STC单片机通过采集充电过程中的感应电压，来判断手机的充电状态信息，STC单片机得到的数据将会经过红外发射装置发射到发射部分中的红外装置中；（6）该红外装置具有解码功能，将传来的信息解码后传递给发射装置中的STC单片机：

（7）发射部分的STC单片机会根据接受到的信息来断定手机充电过程是否完成，是否应该进行及时断电处理，进而起到保护电池和节能省电的作用[5]。

　　3.2.1发射逆变电路设计

逆变电路是将直流转换为交流的，因为充电器是固定的，所以其频率不需要改变。

我们只需设计一个固定频率的逆变器。

根据以上要求功率需要6。

本系统中发射频率设计为514，过小的发射频率虽然比较容易实现，但是会使其补偿电容过大，所以514较为适中。

传统的逆变电路有半桥逆变和全桥逆变。

由于半桥逆变电路发射被接收部分接收全桥整流后电压会下降一半，不能直接供给电池充电部分，需要增加一个升压电路，增加了设计的复杂性，所以我们选择全桥逆变。

全桥的工作原理：

如下图所示，四个组成此全桥电路。

当桥臂1和4导通时，2和3截至，电流由桥臂1经电路到桥臂4。

当桥臂2和3导通时，桥臂1和4同时截至，电流经由桥臂2、到桥臂3。

如此循环，将直流电逆变为交流电，供给电路发射。

由于只需要6的功率我们可以选择来制作全桥逆变电路。

根据需求我们选择6635开关管。

6635漏极连续电流为5.7A，上升时间6S，下降时间14S，关闭时间28S，最大耐压值为35V完全符合设计要求。

[6]本次逆变电流较大，所以在设计时要着重注意散热问题。

图3-3全桥逆变电路

逆变电路可以使用温补方波晶振产生方波来驱动，温补晶振的稳定性好，本系统选择514Khz的频率，而且温补晶振的电路简单。

但是温补晶振输出的方波峰值只有5V，还需要进行放大之后才能输入到驱动电路中。

放大电压一般使用运放，但是本系统的频率较高，需要摆率大的运放才能达到要求，这种运放价格一般比较贵。

还有一种方案是使用开环放大电路，也就是比较器，比较器的放大速度较快，经过选择，本系统选择LM358作为放大芯片，方波发生以及放大电路如3-4图：

图3-4方波发生以及放大电路

如果仅仅用前端电路产生的方波驱动全桥的开关管，会出现以下问题：

当高端桥臂导通时（1或2桥臂），由于负载的存在，极的电位将被抬升与相同，那么此时=0，导致高端桥臂不能持续导通，所以需要加入驱动电路。

最终本系统选用了2110，驱动芯片选择的是IR2110S，其主要特点是：

（1）独立的低、高端输入通道； 

（2）悬浮电源采用的是自举电路，高端工作电压最高可以达到500V；

（3）输出的电压源的电压范围是10到20V； 

（4）工作频率可达500KHz； 

（5）开通延迟时间为120ns,关断延迟时间为94ns；

（6）峰值电流为2A。

IR2110S内部功能主要由三个部分组成：

逻辑输入、电平平移和输出保护。

如上所述2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。

尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制[7]，2110组成的驱动电路图如图3.5：

图3-5IR2110MOSFET驱动电路

图3-6两个IR2110低端驱动波形

图3-7两个IR2110自举高端驱动波形

驱动电路工作过程：

晶振经过放大后产生的方波，输出后分成两路，一路送给第一个驱动芯片，作为逻辑电平输入，另一路经过反相器4069反相后，输入到第二个驱动芯片，作为逻辑电平输入。

两路信号一正一反，使两个驱动芯片交替导通全桥的两路桥臂。

完成直流到交流的逆变。

4069是逻辑器件，输入电压最高可达18。

这样2110和反向器4069就构成了完整的全桥驱动电路，原理图如图3-6所示：

图3-8反向器4069

　　3.2.2补偿电容设计

本次设计的发射频率设计为514KHz，测得在两线圈相距0.5cm时电感为6.7uF，将这两个值代入公式中，计算出补偿电容值为4700pF。

初级串联补偿和次级串联补偿电路图分别如图3-7、图3-8所示。

图3-9初级串联补偿图3-10次级串联补偿电路

　　3.2.3线圈尺寸及线圈间距离设计

无线充电器最关键的部分是线圈部分的设计，制作一个共振系统需要发射、接收两端的自振频率相同，这要求两端的线圈最好相同。

制作线圈最常见的就是使用铜丝绕制，但是手工绕制的铜线圈很难保证规格相同，所以决定使用线圈。

上文估算出流过线圈的最大电流约为700mA，制作线圈的覆铜厚度是1盎司，则线圈线宽设计为20完全能够满足电流要求。

制作好的线圈使用串联电容谐振法测得电感量约为6.7μF。

本文设计的充电器是给智能手机上的电池充电，根据手机尺寸的大小，决定将线圈设计为内径50，外径100，匝数为18，两线圈间的距离为5。

按照以上参数，实际制作出来的线圈有5.8欧姆的电阻，要想减小电阻可以将线圈制为双层并联的，或者在线圈上面加锡。

由于制作成本考虑，本系统使用的是单面线圈。

图3-11单面线圈

　　3.2.4接收整流滤波电路设计

整流电路是将线圈上感应出来的高频交流电流整流成直流，再经过滤波电路变成直流电流。

常见的整流电路有全桥整流和半桥整流。

半桥整流又叫半波整流，只有对正、负半周交流电压中的正半周进行整流，所谓的全桥整流就是正负半周都得进行整流（每半周有两个二极管导通）[8]。

半桥整流出来的电流不易滤波，所以我们这里选用全桥整流。

由于交流频率较高，且电压较低，选用肖特基二极管作为整流器件非合适，最终确定使用4个额定电流为1.5的SS14组成全桥整流电路，设计完全符合要求[7]。

图3-12全桥整流电路

经过全桥整流电路整流出来的波形由一个个尖峰组成，称之为馒头波。

这样的电流是不能直接供给充电电路使用。

需要经过滤波电路滤成平滑的直流电流。

滤波电容选取容量大的电解电容或者漏电小的钽电容。

钽电容属于电解电容的一种，跟普通的电解电容相比，采用金属钽作为介质，而且钽电容本身电感极小，贴片封装，体积小。

充电器的接收部分装载在电池上，要求体积尽可能的小，所以在电路板中多使用钽电容作为滤波和去耦电容[9]。

如下图所示，整流过后的电流经过钽电容2滤波。

2、1、3组成型滤波电路，使得电源更稳。

由于下面还有单片机电路，需要进行降压给单片机电路使用。

稳压器选用-1117-3.3，这款稳压器是一款使用广泛、非常成熟的产品，且最大电流为800mA，完全满足设计要求。

-1117-3.3输出的电压经过4、6滤波后再给后级电路使用。

图3-13整流稳压电路

下图图3.12为线圈接收到的波形图，图3.13是整流滤波稳压电路的实际效果图，可以看出经过整流滤波电路后获得的电源脉动较小，符合充电电路对电源的要求。

图3.14线圈接收波形

图3-15整流后直流波形

以上设计的无线供电部分，电压可以提升到24V，在输入24V，0.84时，次级输出21，0.5，计算得出整个电路的效率为52%，达到设计要求。

在输入24，1.1时，次级输1出12.3，1，计算得出整个电路的效率为46%，之所以会电流越大效率降低是因为单个线圈上面的电阻为5.8欧姆，两个加起来就有11.6欧姆，消耗了大量的能量。

但是整体供电设计部分是完全达到设计要求的。

　　3.2.5手机电池充电电路设计

完整的充电电路原理图如图3.14所示，2口接手机电池，第7管脚接单片机的口，充电时第一管脚输出低电平6一直被点亮，充电结束后第七管脚输出低电平，通知单片机充电已经结束，并且4熄灭，7被点亮。

经过测