无线供电系统设计.docx

1、无线供电系统设计无线供电系统设计应用科技学院 电子信息工程专业 陈启俊 指导教师：李汪彪【摘要】本系统设计并制作了一个采用STC12C5A60S2控制的无线(非接触式)供电系统，系统包括能量发送模块和能量接收模块。能量发送模块由555振荡产生频率为140KHz的交流信号，再通过单片机PWM占空比的控制发送至谐振电路，它能实现的功能是：在能量发送模块和接收模块之间不通过任何导线连接，通过感应线圈实现电能的传输使接收模块的LED灯发光以此来模拟供电；实现人机交互、用LCD162A显示，具有友好的的显示界面。在发射距离10mm的情况下，能量发送模块的功率小于1W，并且能够实现对发送模块按键的控制使L

2、ED亮度规则变化.【关键词】STC12C5A60S2;无线;能量发送;功率显示;PWM.引言概述无线供电，就是电源不依赖导线的情况下对目标进行供电。无线供电技术是一种新型的电能传输技术，它摆脱了传统供电方式，而采用无线的方式为用电设备提供电力。没有了连接电源的导线的束缚，无线供电使得系统更加安全而且方便。1研究背景2010年九月一日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织无线充电联盟在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国。信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心也加入该组织。无线充电联盟副主席、来自美国安利的子公司富尔顿创新公司董事布雷特刘易斯介绍，联盟成员近60家，包括劲量、LG电子、诺基

3、亚等。安利净水器10年前就开始采用富尔顿的无线充电技术。无线充电更方便，更安全。没有外露的连接器，避免了漏电、跑电等安全隐患。很多人担心的辐射问题，在8年之前的净水器的安全性就已经得到了36个国家的验证，据介绍，无线充电大致上是通过磁场输送能量，而人类以及人类身边的绝大多数物件都是非磁性的，所以对人类不会构成伤害。无线充电还有一个好处是省电，无线充电设备的效能接收在70%左右，和有线充电设备相等，但是它具备电满自动关闭功能，避免了不必要的能耗。而且，这个效能接收率在不断提高。无线充电设备比普通充电器“聪明”很多，对于不同的电子产品，电源接口能自动对应，需要充电时，发射器和接收芯片会同时自动开始

4、工作，充满电时，两方就会自动关闭。它还能自动识别不同的设备和能量需求，进行个性化工作，这就是智能供电。现在，为了消费者的安全以及他们的便利性考虑，相关科研人员先提供了近磁场无线充电技术（即需放在发射器旁边），未来，不仅是小功率电器，常见的家用电器设备、医疗设备、电动工具、办公室电器、厨房电器等都可以实现无线供电了，一边传输一边使用电能，不需要任何类似于电池的电量存储设备，更不需要提前充电，到那时，电线、插线板、电池都可以消失了，你甚至感受不到电的存在，它就像空气一样，让你觉得手到擒来。1 研究现状早在电子技术刚刚问世不久。Nicola Tesla（尼古拉.特斯拉）就已经进行过远距离无线供电的实

5、验研究。2007年6月，麻省理工学院(MIT)以Marin Soljacic为首的研究团队首次演示了灯泡的无线供电技术，他们从6英尺的距离成功地点亮了一个60W灯泡。经过一百年的发展，无线供电已经进入了应用的阶段。家电和数码生产企业纷纷推出自己的无线供电产品。2010年的CES（国际消费电子产品展）上，至少有3家厂商对外展示了其专为移动设备设计的无线充电底座。成立于2008年12月17日的国际玩笑充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC）已制定无线供电的业内标准为目标，目前正在倡导“Qi”标准。WPS已于2010年3月发行了无线供电传输标准的正式版。不久的将来，无线

6、供电技术还将在照明、电动车、医疗电子设备、无线传感网络等领域大放异彩，甚至未来的电力传输也将是无线传输的。世界大公司对无线供电做出的研究： Palm公司是美国老牌智能手机厂商，它最早将无线充电应用在手机上。它推出的充电设备“触摸石”，就可以利用电磁感应原理无线为手机充电。 海尔推出的概念性“无尾电视”，不需要电源线、信号线和网线。海尔称该产品采用了与麻省理工学院合作的无线电力传输技术。 Powermat 推出的充电板有桌面式和便携式等多种，主要由底座和无线接收器组成，售价在100美元左右。 劲量（Energizer）是美国知名的电池和手电筒品牌。该公司预计将于10月正式推出一款无线充电器，售价

7、在89美元左右。 微软亚洲研究院研发的一款无线充电板装置名为uPad，已在2008年底造出样机。 富士通的系统与美国Witricity公司研发的技术类似，后者同样利用磁共振传输电量，传输距离可达到几米远。这项技术将促使日本政府在2012年之前在公共场所设置无线充电网点。国内无线供电研究起步相对较晚，近年来才得到了一定数量的应用，尤其是变压器松耦合方案得到了不少的应用，但是和国外相比还是有一段差距。1系统设计系统预期目标设计并制作一个无线供电系统（用LED来模拟接收电路），该系统包括能量发送模块和LED照明模块。LED照明模块包括一个能量接收单元和五个LED灯，LED照明模块不外加任何电源，供电

8、只来自能量发送模块，两个模块之间没有任何导线连接，电能的传输通过感应线圈由能量发送模块以无线方式传输给LED照明模块，线圈间的介质为空气。其中，能量发送单元采用12V的直流电供电。 实行电能的无线传输，通过无线供电方式使LED照明模块发光（每个LED的平均电流大于5mA）； 在LED照明模块实现正常亮度时（5个LED，每个LED的平均电流为10mA），发射距离10mm的情况下，能量发射模块的功率小于5W（DC12V供电）； 能控制LED的亮度：保持线圈距离不变，从暗变亮，从亮变暗，亮度变化至少有四级（不能用电位器手动调节电源的方式），可以在能量发射模块端用按键调节； 能量发射模块能实时显示发射

9、机功耗，误差不超过5%。系统总体实现方案设计 图2-1 系统总体框图1.1.1. 主控制器采用宏晶STC公司的STC12系列中的STC12C5A60S2单片机作为主控制器。该芯片是一款1个时钟/机器周期8051、超强加密、高速，高可靠、低功耗，超低价、强抗静电，强抗干扰的微处理器，功能模块多含AD及PWM功能，能更好的人机交互以及控制。该微处理器可设置为在空闲时进入休眠模式，使得系统的功耗更低。STC12C5A60S2与本系统相关简介：图2-2 STC12C5A60S2实物图STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代805

10、1单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S)。 增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051 片上集成1280字节RAM，60K的FLASH。 通用I/O口44个,可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏 ，每个I/O口驱动能力均可达到20mA。 ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），可通过串口（）直接可下载用户程序。 共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，有独立波特率发生器，

11、做串行通讯的波特率发生器 ，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。 2个时钟输出口，可由T0的溢出在T0输出时钟，可由T1的溢出在T1输出时钟。 外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块， Power Down模式可由外部中断唤醒INT0/, INT1/, T0/, T1/, RxD/, CCP0/(也可通过寄存器设置到 ), CCP1/ (也可通过寄存器设置到。 PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）可用来当2路D/A使用 ，也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断。 A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速

12、度可达250K/S(每秒钟25万次)。 通用全双工异步串行口(UART)，还可再用定时器或PCA软件实现多串口。 STC12C5A60S2系列有双串口，RxD2/(可通过寄存器设置到，TxD2/(可通过寄存器设置到 封装：PDIP-40 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接 74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口, 还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。21.1.2. 振荡电路采用NE555时基集成电路构成的多谐振荡器产生150KHZ左右的载波完成调制发射，电路简单，器件购买方便。NE555与本系统相关简介：图2-3 555实物图

13、NE555 (Timer IC)大约在1971由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的30非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电。 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波信号。NE555的特点： 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 其输出端的

14、供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 11.1.3. 人机交互采用LCD1602显示,低功耗,可显示16x2字符,使用比较方便。1602液晶简介：图2-4 LCD1602实物图工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看

15、到字母“A”。11.1.4. 整机功耗检测采用ZXCT1010来测量电流以用来测量功耗。以下是ZXCT1010简介：图2-5 ZXCT1010标注图该 ZXCT1010 是一种精度高侧电流检测监控。使用这种类型的设备，无需破坏地平面时，感应负载电流。该ZXCT1010其中提供了一个最小的感应电压是需要申请的100个固定增益。该ZXCT1010应用于电池充电器、支援编辑电池组、直流电动机控制、过电流监视器、电源管理、翻译水平、可编程电流源，ZXCT1010的功能有：动作精准，高边电流检测、输出电压调整、为 - 响20V的供应、25A的静态电流、1的典型精度、采用SOT23 - 5封装。4硬件设计

16、单片机最小系统设计如下图3-1所示，单片机最小系统采用LCD显示、ADKEY。有做普通按键和LCD串并口选择，有做PWM占空比调节或者DA调节以及IO口排针的预留，数据口如P9所示，因为STC可ISP下载。再外加一个RS232转换电路既可完成程序烧写。40脚为VCC脚，加去耦电容以抗干扰。其他电路与普通51单片机接法无异。图3-1 单片机最小系统原理图能量发送设计能量发送模块通过耦合线圈发送一定频率的射频信号，不论以什么方式只要能使穿过闭合回路的磁通量发生变化，此闭合回路内就一定会有感应电动势出现。为了提高射频信号识别和接收的效率，LC谐振回路应工作在谐振时，其谐振频率为 ，L1的取值（用直径

17、不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10圈制成。线圈直径为0.5 cm），通过电桥测量其电感量为13uH，考虑到市场上可供购买的高频电容容量值，故C1取值为，所以有： (3-1)即电路谐振频率为140KHz。图3-2 555振荡电路如图3-2电路所示，其可产生最大频率为500khz，因此本电路谐振频率设置为140KHz，555振荡频率公式： (3-2)C=C13=、R13=2K,则R15=4K左右，可用可调电阻R15进行调节。进行调节后可通过示波器测试将R15调节得到系统所需要的140KHZ的频率。 图3-3 能量发送模块原理图如图3-3所示能量发送模块有做利用555时基振荡器产生振荡频

18、率或者由单片机直接产生振荡频率的选择P10口,通过P10的2脚输出振荡波形与74HC00与非门的45脚相连进行缓冲输出6脚再经第二级与非门的2脚输入与单片机PWM输出口1构成与非门，从74HC00的第三脚输出信号。再经过R16可调电阻以及Q1 B772以及并联谐振电路构成丙类（谐振式）放大器。当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时,功率放大器发生谐振,此时现圈的电压和电流达最大值,从而产生最大的交变电磁场。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接受线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值。构成了如图图3-3的谐振回路。实际上，发射线圈回路与接收线

19、圈回路均处于谐振状态时，具有最好的能量传输效果。注：这个电路设计有预留2种方案选择：a) 单片机直接发送频率，既P10的1、2口由跳线帽短接，P7口开路，P8口1、2跳线帽短接接入PWM进行占空比的调节从而达到调节亮度，P8口的2、3短接还可以接入DA控制。b) 555 时基振荡器产生振荡频率，既P10的2、3口由跳线帽短接，P7口短路，既接入555。P8口1、2跳线帽短接接入PWM进行占空比的调节从而达到调节亮度，P8口的2、3短接还可以接入DA控制。通过555或者单片机产生频率为140KHZ的方波经与非门与单片机的PWM占空比进行能量的控制以达到控制接收电路LED灯的亮度。电源电流采集电路

20、以及供电设计图3-4 电源模块原理图如图3-4所示 J1接入12V直流电压.经过ZXCT1010(电流检测器)测出整机电流通过ZXCT1010算法得出整机功耗,再经过LDO（7805）给单片机供电.ZXCT1010算法：Rout1 100欧，Rsense1=欧。由则 Vout =Vsense Vsense = Vsense+ - Vsense-= Vin - Vload= Iload x RsenseVload=Vin-Vsense所以负载功率 如果是5V输入 P=(（5-Vsense）/*5*1000 mW.接收模块设计图3- 5 接收模块原理图如图3-5所示，当进入耦合线圈工作区域时，根据

21、法拉第电磁感应定律,其耦合线圈的磁通量发生变化产生感应电动势及感应电流，从而在接收模块无外接电源的情况下，耦合线圈得到的电磁场能量转化为交流电源，再经过D1、C1及LDO（78L05）等组成的整流稳压电路转化为直流电源，为LED供电。此处有接限流电阻以免电流过大导致LED灯烧毁。在后续调试阶段可进行相应的修改。软件设计软件设计需要解决的问题本系统控制软件主要由AD模块，LCD显示模块以及PCA模块构成。主要实现功能如下：（1）LCD显示模块需显示整机功耗、供电等级、PWM占空比等（2）AD采集模块借助ZXCT1010芯片测量到的电流值通过单片机自带AD送回单片机。以及用ADKEY按键扫描来控制

22、PWM的占空比以改变供电等级（3）PCA模块利用单片机自带的PCA0模块来实现8位PWM,改变占空比来改变供电等级,利用PCA1模块来实现振荡频率140KHZ的发生。总体设计根据设计需要解决问题,绘制总体设计流程图如图4-1所示:图4-1 主程序流程图单元模块设计1.1.5. LCD显示模块 图4-2 LCD显示的流程图以及时序图如图4-2所示,编写 、 供主程序调用的配置函数如下/*/*-/*函数名 ： LCD_Init(); /*功能描述: 液晶初始化/*函数说明：控制命令的写入设置液晶为16X2显示,开显示,不显示光标,写一个字符后数据指针自动加1,显示清0,数据指针清0。 /*创建人:

23、 陈启俊（Vicky） 创建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void LCD_Init();/*/*-/*函数名 ： LCD_DisChar(uchar x,uchar y,uchar c) /*功能描述: 在任意位置显示一个字符/*函数说明：X表示行，Y表示列，c表示一个字符 /*创建人: 陈启俊（Vicky） 创建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void LCD_DisChar(uchar x,uchar y,uchar c);/*/*-/*函数名 ： LCD_DisString(uchar x,uchar y,const uchar *st

24、r); /*功能描述: 在任意位置显示一段字符串/*函数说明：X表示行，Y表示列，*str表示一段字符串 /*创建人: 陈启俊（Vicky） 创建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void LCD_DisString(uchar x,uchar y,const uchar *str);1.1.6. PCA模块脉宽编码调制（PWM，Pulse Width Modulation）是一种使用程序来控制波形占空比、周期、相位波形的技术，在三相电机驱动、D/A转换等场合有广泛的应用。STC12C5A60S2系列单片机的PCA模块可以通过程序设定当寄存器CL的值小于EPCnL,CCA

25、PnL时，输出为低；，使其工作于8位PWM模式。PWM模式的结构如图4-3所示。2图4-3 PCA作PWM操作图由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有他们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器EPCnL,CCAPnL有关。当寄存器CL的值小于EPCnL,CCAPnL时，输出为低；当寄存器CL的值等于或大于EPCnL,CCAPnL时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时， EPCnH,CCAPnH的内容装载到EPCnL,CCAPnL中。这样就可实现无干扰地更新PWM。由于PWM是8位的，所以：PWM的频率=PCA时钟输入源频率/256。根据以上这些DATASH

26、EET内容编写,供主函数调用的配置函数如下:/*/*-/*函数名 ： PCA_Init /*功能描述: PCA初始化/*函数说明：module 模块选择；PCA_CCAPMn 模式选择 PCA_CCAPnH PCA_CCAPnL 频率设定 PCACLK 时钟选择 如PCA_Init(1, PWM, 0xFF, 0xFF, CLK0); 第2路PCA的PWM模式，PCA时钟源Fosc/12 /*创建人: 陈启俊（Vicky） 创建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void PCA_Init(bit module, uchar PCA_CCAPMn, uchar PCA_CC

27、APnH, uchar PCA_CCAPnL, uchar PCACLK);/* * 函 数 名：Set_PWM_Fre * 调 用：Set_PWM_Fre(523); * 设置PWM频率为523Hz * 功能描述：定时器0作为PCA时钟源时，PWM可设置184Hz46KHz */extern void Set_PWM_Fre(uint fre);/* * 函 数 名：Set_PWM0 * 调 用：Set_PWM0(40); * 占空比40% * 功能描述：设置PWM0占空比 */extern void Set_PWM0(uchar duty);1.1.7. AD功能模块STC12C5A60A

28、D/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz(25万次/秒)。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。 STC12C5A60S2系列单片机ADC(A/D转换器)的结构如下图4-4所示。2图4-4 AD模块操作图/*/*-/*函数名 ： AD_Init() /*功能描述: AD模块初始化/*函数说明：选通AD通道，开启AD /*创建人: 陈启俊（Vicky） 创建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void AD_Ini