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专业综合实践

摘要2

1.绪论2

1.1设计背景3

1.1.1无线电能传输简介4

1.1.2国内外发展现状及前景5

1.2本文研究内容8

2.系统设计8

2.1系统总体设计8

2.1.1系统结构定义9

2.1.2系统设计要求10

2.2设计与分析10

2.2.1信号源的产生电路模块10

2.2.2降压电路模块11

2.2.3驱动电路模块12

2.2.4传输模块14

2.2.5接收模块15

3.硬件设计16

3.1系统电路原理图16

3.2系统PCB图17

4、装置调试18

结束语-----------------------------------------------------------------------------19

参考文献-------------------------------------------------19

摘要

随着电子产品的快速发展，越来越多的电源连接线开始困扰人们的生活，为改善传统导线电路电能传输的弊端，给出了一种基于近距离无线电能传输原理的传输系统，而电磁谐振耦合无线电能传输技术正可以很好解决对距离有较高要求的这类问题。

本设计主要包括发射模块、传输模块和接收模块三大部分。

首先由信号发生器的方波，通过驱动IR2110及MOS管提高了交流信号，加强后的信号源经发送线圈通过磁耦合谐振感应到接收线圈，再经过半波整流和滤波后得到稳定直流电压,带动负载工作，即实现了无线电能的传输。

关键字：

无线电能有源晶振驱动电路谐振半波整流

Abstract

Inthispaper,Withtherapiddevelopmentofelectronicproducts,moreandmorepowercablesonpeople'slives,toimprovethedisadvantagesoftraditionalpowertransmissionconductorcircuit,presentsatransmissionsystembasedoncancloseradiotransmissionprinciple,andtheelectromagneticresonancecouplingcanradiotransmissiontechnologyisverygoodtosolvethiskindofproblemhavehigherrequestforthedistance.Thisdesignmainlyincludesthetransmittingmodule,transmissionmoduleandreceivingmodulethreeparts.First1MHZsquarewavegeneratedbytheactivecrystals,drivenbyIR2110andMOStubeimprovethesignalcommunication,strengthenthesignalsourceapprovedbythesendingcoilmagneticcouplingresonantinductiontothereceivingcoil,andafterahalf-waverectifierandfiltergetsteadydcvoltage,drivetheworkload,whichcanrealizetheradiotransmission.

Keywords:

radiocanactivevibrationcrystaldrivercircuitresonancehalf-waverectifier

1.绪论

1.1设计背景

从宏观上看，如今人类对电能的热爱非常强烈，消耗越来越大，如乱麻的电线和污染环境的电池，带来更多困扰，无线电能传输技术是解决这些问题很好的途径。

1.1.1无线电能传输简介

“无线电能传输”是利用一种特殊设备将电源的电能转变为可无线传播的能量，在接受端又将此次能量转变回电能，从而达到对用电器的无线供电。

现在已经问世的无线供电技术，根据其电能传输原理，大致上可以分为三类：

第一类是非接触式充电技术所采用的电磁感应原理，这种非接触式充电技术在许多便携式终端里应用日益广泛。

这种类型中，将两个线圈放置于邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势。

第二类是最接近实际应用的一种技术，它直接应用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。

这和100年前的收音机原理基本相同：

直接在整流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用，但不使用放大电路等。

同以前相比，这种技术的效率得到提高，并正在推动厂商将其投入实际应用。

第三类是利用电磁场的谐振方法。

谐振技术在电子领域应用广泛，但是，在供电技术中应用的不是电磁波或者电流，而只是利用电场或者磁场。

2006年11月，美国麻省理工学院（MIT）物理系助理教授MarinSoljacic的研究小组全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的可能性。

1.1.2国内外发展现状及分析

从目前国内外公开发表的文献来看实现无线电能传输方式主要有咀下几种电磁感应方式．磁共振方式．微波方式，激光方式等。

下文将详细介绍这几种无线电能传输方式的原理、特点、优势、难点及当前国内外发展研究的情况。

3.1电磁感应方式电融感应方式就是利用变压器碌理．通过韧、扶级线圈的感应米实现电能的传输。

基于这种方式的无线电能传输系统主要有三大部分组成，即能量发送瑞、无接触变压器、能量接收端。

交流电能由能量发送端经过整流、逆变产生高频交流电，井通过分离功率变压器输送到能量接收器。

接收端将接收的自E量再通过整流或逆变得到直流或交流电能。

采用这种能量传送方式的特点有：

（I）能量接收端与次级线圈楣进．具有可灵活移动的特点。

（2）原理简单，易于实现，可用于对距离要求不高但又不需要机械和电气连接的场台。

但是这种电能传输方式由于初、次级变压器之问有气隙存在，耦台系数较小能量传输能力和效率叠低，因此提高胡、次级之司的耦台系数增加可分离变压器之间的能量传输和效率是系统设计的难点和突破点。

目前，这种技术已经在部分领域中得到应用，包括电动剃须刀、电动牙刷、净水器和无绳电话等。

3．2电磁波（共振原理）方式电磁波（共振原理）方式即非辐射电磁能昔振隧道效应，又称作“Witrlclty”无线供电拄术。

系统由两个具有相同谐振频率的线圈回路组成，采用单层线圈．两端各放置一个平扳电容器．共同组成谐振回路。

当发送端接通电源后，两个线圈都以相同的频率振动．从而产生强大的电磁场，通过“电振”传递电能。

电磁共振原理关键在于让两个相同频率的谐振物体产生很强的相互藕台。

采用电隘共振原理实现能量实现方式的特点：

（1）电磁辐射水平低。

和桉磁共振仪的辐射程度相差无几，可咀有效地避免了电磁辐射的对人体的影响。

（2）系统只对能与其产生频率共振的设备进行电能的传输。

合理设置共振参数可避免对其他电子设备的影响，从而使能量有效的传输，也可以同时给几个频率相同的跬备提供电能。

目前关于“Witricity”无线供电技术MIT的助理教授马林索尔贾希克和他的研究小组在实验中使用了两个直径为60cm的铜线匦”1，通过调整靛射频率使两个线圈在10MHz产生共振。

从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡。

而且，即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器，都不会影响灯泡发光。

3.3微波方式采用微波方式传输电能是目前主要的应用方式之一，也是较早人们探索的方式之一。

系统所涉及的关键嚣什由发射机．波束控制．以及接收整流无线等构成。

发射机主要实现能量以电能功率转化为射频功率并且以一种被控制的和低损耗的方式将功率辐射出去。

但系统的关键因素还是波束的控制能力，它体现了系统的安全特性。

接收整流天线则实现把微波能量转变成直流或交流电能。

作为一种点对点的能量传输方式，采用微波技术传输电能具有以下特点：

（I）能量以光速进行传送，可迅速变换传输方向。

（2）在真空中传递能量无损耗，波长鞍长时在大气中能量传递损耗很小，能景传输不受地球引力差的影响。

（3）微波电能传输的距离远．频率越高传播的能量越大。

微波技术被普遍应用于远距离大功率无线输电上。

1964年美国WCBrown成功演示了工作在245GHz频率上的直升飞机，该飞机从天线中获得了200W的功率。

在这之后1969到1975年Brown将30kW的微波能量求传播一英里远的接收站上．效率高达84％。

在2003年时欧盟就利用微波输电技术在非洲的留尼汪岛建造了一座10千瓦的实验型微波输电站，而整流天线的研究也不断的深入，箍流天线的研究越来越向高频率、高集成化方面发展。

3．4激光方式激光具有方向性强，携带能量太等特点．在无线能量传输中越来越被人们所重视。

无线传输的实现原理很简单和一般的激光发生器相差无几，只是在数量级上和激光接收上有差距。

它包含电源和激光发生器，电源是给激光发生器提供必要的工作能量。

激光发生器将电能转换成激光能，然后发射出去。

激光接收装置用来接收激光发射装置发出的激光井将其转化为电能，这是微光发生过程的逆过程。

当激光照射到光电转换器，光电转换器可以实现由光能向电能的转化，转化后的电能还要经过整流、滤波来提高电能的质量。

激光输电技术相对于传统的输电技术来说有两个突出的特点（I）相对于电气的绝缘没有要求。

（2）相对于电磁的绝缘也没有耍求。

利用撒光技术进行输电有很多问题需要解决。

馓光束的能量场强度高．汇聚能力强，接收端会产生很大的热量，而且激光的产生程中也会伴随着电磁辐射的产生，高强度的撇能量会瞬间对人类产生不可修复的伤害，所以激输电挂术目前还只局限于太阳能空间基站理论究和一些实验研究。

1.2本文研究内容

本次设计是基于磁耦合的电能传输，是21世纪科研的主要研究课题。

在设计本系统中采用了555信号发生器来产生信号，IR2110作为驱动芯片，经过放大电路进行放大，通过发射线圈和接受线圈进行无线电能传输。

负载进行检测，实现了在较短距离内的无线电能传输。

2.系统设计

2.1系统总体设计

本课题是基于电磁感应设计无线电能传输装置，该装置是一种近距离

无线电能传输系统，采用磁耦合谐振式无线电能传输。

本系统可以分为发射、传输和接收三大模块，整体框图如图1所示。

图1系统结构框图

其中发送模块由信号产生电路、驱动电路和功率放大电路组成。

传输模块由发送线圈、接受线圈组成，介质为空气；接收模块由整流电路，变压电路、负载电路组成。

2.1.1系统结构定义

（1）信号源发生电路

方案一NE555振荡电路，电路复杂，产生的频率较小。

（2）驱动电路

IR2110可靠性高、大电压、高速、不需要对供电电源进行隔离。

因此采用2110作为驱动芯片，便于实际电路的简易性。

（3）整流、滤波电路

方案一半波整流电路，电路结构简单，使用元件少但整流效率低，输出电压脉动大，适用于要求不高的场合。

方案二：

桥式整流电，与半波整流相比输出电压提高，脉动成分减小。

基于节能和稳定，选择方案二。

2.1.2系统设计要求

（1）保持发射线圈与接收线圈间距离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U2≥8V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。

（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负1载为1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。

（3）其他自主发挥

2.2设计与分析

本设计电路的硬件组成为有源晶振、7805降压、IR2110驱动、双MOS管发大功率、桥式电路接电容滤波整流

2.2.1信号源的产生电路模块

在振荡信号电路设计部分，采用NE555构成频率可调的多谐振荡器。

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。

因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

NE555可稳定输出1MHz以下的方波，并且占空比可调，电路调试容易，成本较低。

2.2.2降压电路模块

用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

本系统采用的15V直流电源经7805后输出5V的电压，起到稳压和降压的作用。

2.2.3驱动电路模块

NE555构成频率和调的多谐振荡器

驱动电路原理图

如果仅仅以NE555输出的方波驱动后面电路会由于驱动能力不足使场管不导通，所以需要加一级驱动电路。

本系统采用专用高低端驱动芯片IR2110构成后级功放驱动电路。

2.2.4传输模块

谐振耦合无线电能传输系统示意图如图所示，能量传输系统包括发射端和接受端，发射端和接受端谐振频率一致。

发射端与功率放大电路连接，接收端与整流滤波电路连接。

图4无线能量传输示意图

接收线圈和发射线圈我们采用电磁谐振耦合电路，电感电容连接图如下：

图5电感电容连接图

上述电路满足相互耦合的一介微分方程：

2.2.5接收模块

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，需要将接收到的交流信号进行整流、滤波处理，处理之后的直流电压方可供其负载使用。

该模块主要包括整流电路以及变压电路。

整流电路由于接受线圈接受的电压为交流电且电压比较小，所以要经过整流滤波电路整流滤波。

图6桥式整流电路

3.硬件设计

3.1系统原理图

发射部分完整的电路原理图

发射部分基本电路连接图

单片机方波产生程序

3.2系统PCB图

发射部分PCB原理图

接收部分的PCB原理图

4、装置调试

当发射线圈与接收线圈之间的距离发生变化时,磁场强弱也会变化,因此输出电压的大小也会随着改变。

即当发射线圈与接收线圈之间距离增大时，磁场变弱，输出电压减小。

在此阶段中，要求不断加大发射线圈与接收线圈之间的距离，同时兼顾LED灯的亮度，使装置性能最优化，主要手段就是调整谐振电容的容值，让谐振最理想。

产品实物图

结束语

通过本次设计，我发现了自己存在很多不足，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，我们自动化的同学，不仅要技术好而且要有很好的想象力与前瞻性，能够适应日夜变化的生活需要。

在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，技术只有在经常的实际运用过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。

参考文献

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浙江大学,  2010. 

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湖南师范大学,2009