基于单片机的无线充电器设计

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1、 基于单片机的无线充电器设计 学生：学生*：院 系： 电气信息工程学院 年级专业： 电子信息工程 指导教师：助理指导教师：二一五年五月摘 要 随着用电设备对供电质量、可靠性、方便性、平安性、特殊场合、特殊地理环境等要求的不断提高，接触式的电能传输方式对于满足实际需要越来越显得捉襟见肘了。与此同时，无线电能传输系统，摆脱了线路的限制，实现电器和电源的完全别离，具有无线传输电能、设备体积小、传输效率高、便于携带和集成等优点。本课题设计介绍了一种运用新型的能量传输利用电磁波感应原理和有关的交流感应技术，采用STC12C5A60S2低功耗单片机作为无线传能充电器的监测控制核心,实现电流控制和电压控制功

2、能，电能充满后给出充满提示且自动停顿充电。基于STC12C5A60S2单片机控制发射端和接收端产生的相应交流信号来进展充电的智能无线充电器。利用设计通过对系统的硬件局部和软件局部的设计实现无线能量传输，在距离发射线圈的指定围对小型用电器如手机、MP3等直接充电。硬件局部包括高效直流稳压模块、驱动模块、显示模块、控制模块等的设计；软件局部主要根据系统的设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过C语言实现相应的编程要求。通过理论分析和仿真证明，建立谐振耦合无线电能传输系统模型以及谐振耦合无线电能传输系统模型,通过计算得出了系统中电路参数与输出功率的关系。设计并制作谐振耦合无线电能装置,使用LCD

3、1602设计显示,实时充电电压显示。关键词 无线电能传输,谐振耦合,无线充电器, LCD1602,STC12C5A60S2单片机ABSTRACTThis paper introduced the use of a power transmission technology, wireless power supply technology model, using the principle of electromagnetic induction and the induction technology,intelligent wireless charger for charging th

4、e AC signal based on the STC12C5A60S2 single-chip microputer to control the transmitting end and the environment and other requirements continue to increase, the power transmission mode of contact to meet the actual needs bee more and more difficult. At the same time, wireless power transmission sys

5、tem, get rid of the limit line, pletely separate electrical and power, with the wireless transmission of electrical energy, the equipment has the advantages of small volume, high transmission efficiency, easy to carry and integration. In the rapid development of science and technology in 21 Century,

6、 the prospects for the development of intelligent wireless charger .The design through the design of the hardware part and the software part of the system to achieve the wireless energy transmission, within the specified range of the transmitting coil in small appliances such as mobile phone, MP3 an

7、d other direct charge. The hardware part includes efficient DC power module, drive module, display module, control module and so on; the software part is mainly based on the design thought of the system design of the main program and the subprogram flow chart, and through the C language to achieve t

8、he corresponding programming requirements. relationship between the circuit parameters and the output power of the system. The design and fabrication of resonant coupling wireless device, using the LCD1602 design draw progress bar shows charging, charging voltage, charging time display.Keywords radi

9、o transmission, resonant coupling, wirelesscharger ,LCD1602 STC12C5A60S2 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1课题背景11.2 国外研究现状、水平11.3本课题的开展趋势22 系统总体设计方案42.1系统总体设计方案简述42.1.1系统的根本功能42.1.2主要技术参数42.2系统设计方案选择52.3方案分析72.4系统的理论分析83 系统的硬件设计103.1单片机的选择与其控制103.1.1 单片机概述103.1.2 单片机STC12C5A60S2的介绍103.1.3 单片机最小系统的介绍113.1.4单片

10、机控制模块设计133.2无线发射电路模块设计143.2.1 NE555芯片简介143.2.2 MOS管的选择与性能分析153.2.3振荡电路的设计163.2.4功率放大电路的设计173.3 电源稳压控制模块设计183.3.1稳压器LM2940简介183.3.2 KA7500B芯片简介193.3.3稳压控制电路设计193.4按键指示电路模块设计203.5显示电路设计及实现213.6 DC/DC转换电路设计233.6.1 DC/DC变换器简介233.6.2 运算放大器LM358简介243.6.3电压/电流采样模块设计243.7系统总体电路设计264 系统的软件设计284.1 整体设计思想284.2

11、系统的主要程序框图294.3 主要程序模块294.3.1电路启动初始化294.3.2 按键采集程序304.3.3 LCD1602显示子程序314.3.4 数据采集及模数转换程序314.3.5 充电子程序的设计325 系统仿真设计与调试345.1.仿真软件Multisim的简介345.2电路的仿真345.2.1方波信号的产生345.2.2实际电路的测试365.3测试结果及分析365.3.1测试构造365.3.2实际电路的测试数据366 系统PCB设计386.1 PCB设计软件简介386.2 PCB板设计方法387 组装与调试407.1系统组装407.2硬件调试407.3软件调试407.4硬件软件

12、联合调试407.5 调试结果40结 论41参 考 文 献42附录A：无线充电控制系统源程序代码43附录B：整体电路图和PCB板图53附录C：设计实物图55致 561 绪论1.1课题背景随着科学的开展与社会的进步,人们的需求变化正在日益发生着深刻的改变,对科学技术含量的要求越来越严格。无线电能传输技术作为一种新型的传能方式，主要包含谐振耦合无线电能传输，它具有传输效率高、适合中等传输距离等特点，以磁场和谐振耦合理论为根底,能在不接触情况下,将电能高效的传输到负载，克制了传统的电能传输方式的许多缺乏和缺点。与普通的感应电能传输技术相比,具有传输距离相对较远,与电磁波辐射传输技术相比具有更好的传输效

13、率。近几年来，国外许多研究机构和公司关于无线充电的技术相继对微距及短距离的无线供电产品进展讨论和研究。无线电技术几乎普及到全球的每一个角落，融入于通信系统，从当初的简单的无线电播送和电报，开展到科学技术兴旺的今天的技术含量高的卫星和微波通信等，使人们的生产和生活方式极发生了改变。然而，无线通信传送的都是微弱的信息, 无线传输的距离越远，设备耗能越高，接收的也不是功率较大的能量。即使目前一些知名公司已经推出一些无线充电设备，但有一些地方还不很完善，还需进一步改良。对于实施大功率的无线传输来说，比拟困难了。无线充电技术在小功率的围还是可以显示出它的优越性的。首先，它满足了现代人们快节奏生活需要方便

14、的要求，许多使用极为方便的便携式的移动产品，都要不定期地连接进展充电，也因此留下了各种插口和连接电缆，防水性能的密封工艺也从而不易实现。其次，由于人类对电能的消耗越来越大，带来了的诸多的环境污染等困挠，而无线非接触式充电技术顺应了现代社会的需求，提供了解决问题的有效途径，进一步加强肯定了建立可持续开展社会。在社会不断开展的今天，无线充电器设计基于一项新型的技术，应用涉及领域广泛，本课题设计增加了充电智能保护，稳定性好，电路简洁，实用性高，更加全面的丰富了充电器的实用性，方便了人们的生活，具有良好的开展前景。1.2 国外研究现状、水平无线供电技术传输电力已与早期20世纪早期在电磁感应现象发现后国

15、外就掀起了设计风潮。绕线式变压器的“E字形状型铁心绕上铜线后，通电后发现可以感应起电，但传输效果不会很理想，感应强度减弱甚至是消失。这是由于在市电频率50Hz下，电磁波的无线传递会随着距离增加而出现能量的快速衰退。这是由于电磁感应技术用以传递能量的变化磁场，随着传输的距离的增加，消耗的磁能就越多，而在用电负载中所获得能量也越少。但无论是采取电磁还是磁电的方式进展的远距离的无线传输，根据磁能传输原理，能量都会产生流失和损耗，而且随着转换次数的增加，损耗也会越来越大，而与此次同时带来的其他不利因素也会增加用电设备的提前衰老，如电流过大等，都会对生产生活的使用带来了许多不便。随着电子产业的蓬勃开展，

16、相继研发出了产生利用谐振耦合进展交流振荡并利用单片微机控制和利用LCD控制的无线供电系统，该系统主要由两局部组成，第一局部是驱动发射电路，第二局部是电能变换接收电路，以及产生了电压电流独立显示系统、充电智能能控制系统等。在当前的无线充电技术，能够在微短距离围的近磁场对电子设备进展无线充电。国的无线供电设备设计相对于起步较晚，市场上也出现了许多无线充电产品，但都是在用电功率比拟小的领域，比方，电动剃须刀、电动玩具等，可瓶颈仍然没有实质性的突破。各厂家都在剧烈的竞争着，在硬件和软件上各显神通，对于不同产品的升级，实现了无线充电技术在产品层面的功能，满足了消费者的需求。能量的传送要求能够到达负载的的

17、用电功率，以及传输效率的问题，有别于信号的传输，后者要求其传输过程中无失真，无损坏，保持容的完整性和真实性。虽然能量的无线传送的想法早已有之，但因为一直无法突破效率这个问题，使它一直不能进入实用领域。但是，为了充分发挥无线充电的方便性，实施大功率的无线传输，就比拟困难，还需要进一步的钻研与完善，随着新材料新方法的研究也一定有所突破。利用高新技术采用比拟简单易操作的设备实现较远距离下的无线电能传输，形成商业化的趋势应用，当今的移动电子设备世界将能迎来新的一次变革。1.3本课题的开展趋势无线供电技术在问世以来，经过几十多年的开展，已成为了美、德国等工业兴旺国家的重要产业之一，世界总销售额不断上升，

18、生产厂家不断涌现，品种在不断的更新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。无线供电技术在传输过程中的损耗只有传统供电技术的能量损失的百万分之一，对于能源短缺的今天，具有非常重要的研究意义。它的原理在于耦合谐振，当振荡磁场的频率发送方和接收方产生的固有频率一样时,接收方会产生共振,从而实现能量的转移，是一种非常有效的传能方式。根据共振的特性，在这样一个共振系统发生能量转移，而其他对象不会影响谐振系统。通过电磁感应来进展无线供电是非常成熟的技术，但会受到很多限制。最主要的问题是，低频磁场会随着距离的增加而快速衰减。如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。但同时，磁场强度的大小一方面会影响电能的消耗，

19、另一方面可能会导致产生磁干扰信号。我们都不想自己的硬盘里面的数据被强磁场一笔勾销吧。随着科学技术不断的开展和研究领域，新型超材料可提高无线电力传输效率。为了填补电力传输过程装置和接收装置之间的空隙，减小在传输过程中的微波或激光造成的干扰，这种超导新材料被制成一种小而薄的透镜放置在电源和用电设备之间从而提高了传输效率。随着现代科技的开展，微型单片机已普遍应用于控制系统的各种环境。控制系统由中央控制装置、终端控制设备和振荡装置等组成。根据设计指定的参数，编写程序存储于单片机中，单片机根据程序，结合终端控制发送系统指令。中央控制装置模块通过检测振荡装置模块输送来的信息，根据相应的指令程序输出控制信号

20、，接收电路接收该信息执行指令任务，实现电能的无线传输。无线电力传输的优势在于不受其他外界因素的太多干扰在任何地方都可以实现能量传输，当然这是无线电力传输开展到一定阶段所能呈现的现象；其次能去除电池、充电线等冗杂额物品，为设备的微型化提供了有利条件，有利于缓解各种用电设备的能量的大量的消耗带来的能源短缺问题。当科技水平到达一定程度时，一种新型的无线充电系统将会应运而生，实现对多种充电设备进展无线充电。当人们可以在任何距离都广泛实现无线供电的时，能量的应用也将会变得唾手可得。无需再抱怨没有适宜的充电器，不用再为电子设备准备厚重的电池以尽量延长它们的待机时间。我们可以把手持设备做得更小更薄，甚至可以

21、容易地植入体。2系统总体设计方案2.1系统总体设计方案简述该无线传输供电系统是由高效直流稳压模块、驱动模块、显示模块、控制模块等组成。通过对交流信号的振荡、分析、处理，然后输出信号来使执行部件进展动作，实现无线能量传输，在距离发射线圈的指定围对小型用电器如手机、MP3等直接充电。软件局部主要根据系统的设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过C语言实现相应的编程要求。通过理论分析和仿真证明，建立谐振耦合无线电能传输系统模型以及谐振耦合无线电能传输系统模型,通过计算得出了系统中电路参数与输出功率的关系。设计并制作谐振耦合无线电能装置,使用LCD1602设计显示实时充电电压显示、电流显示。2.1

22、.1系统的根本功能本设计中根本功能实现如下：1.利用高效直流稳压电源，为无线传输电能装置提供稳定可需的电流电压，在距离发射线圈的指定围对小型用电器如手机、MP3等直接充电；2.利用液晶显示装置显示实时充电电压显示、充电时间显示；3.利用继电保护电路，设定电流电压在正常围，充电指示灯显示，充电时，红灯亮，充满时红灯灭；4.根据无线电能传输进展后续控制,对于充电过程中，通过按键可以设置充电电流以满足充电电池的充电需要。2.1.2主要技术参数按照如下列图的电能无线传输装置构造框图有如下参数：直流稳压图2.1 无线传输装置构造框图1) 按照构造框图,输入端直流电压为12V，I1、I2之差的绝对值小于I

23、1值。2) 按照构造框图，接收端最大充电电流值600mA，两端电压约为5V。3) 使用STC12C5A60S2单片机，在5cm对小型用电器如手机、MP3等直接充电。4) 使用LCD1602设计显示充电实时充电电压显示、充电时间显示。5) 整个工作过程中充电电路的LED指示灯显示的状态如下，通过按键可以设置充电电流以满足充电电池的充电需要。表2.1 LED指示灯显示状态充电状态LED指示灯充电装置未接入全灭正在充电中红灯亮，绿灯灭充电完毕绿灯亮，红灯灭充电出错红绿灯交替闪烁2.2系统设计方案选择方波发生器方案：1） 使用CD4011及其外围电路构成方波发生器图2.2 CD4011方波发生器2）

24、使用NE555及其外围电路构成占空比可调的方波发生器图2.3 NE555方波发生器前级驱动方案：1） 使用S8550、S8050构成的推挽驱动电路图2.4 S8050驱动电路2） 使用IR2104构成的推挽驱动电路图2.5 IR2104驱动电路MOS管：1） IRF3205，阻0.4ohms2） CSD19531KCS，阻7.7mohms恒流源方案：1） 使用LM317构成的简易恒流驱动电路图2.6 LM317恒流驱动电路2） STC12C5A60S2单片机控制的可控恒流源图2.7 STC12C5A60S2控制的可控恒流源2.3方案分析 1方波发生电路 在上述2种方波发生器方案中，使用CD40

25、11构成的方波发生电路构造较为简单，方波频率=晶振频率，既想改变方波频率只能通过更换晶振来完成，且此方案中方波占空比为固定的50%，缺乏之处是现有晶振与LC谐振频率可能不匹配、跟换晶振较为麻烦以及实际需求中占空比不一定为50%的情况。 NE555及其外围构成的方波发生电路通过调节精细可调电阻来调节方波频率以及占空比，相比CD4011来说具有极大优势。NE555构成的方波发生器来说，具有频率比拟稳定的优势，使用更加方便，输出的方波电压幅度较高，能够满足整体电路的电压需求。 2前级驱动方案在上述2种前级驱动方案中，区别在于使用的三极管型号不同，S8550/S8050为小功率开关三极管BD137/B

26、D138为中功率三极管，实际使用需考虑到推动MOS管的电流需求，来采用具体的三极管。考虑到最大电流以及开关特性，采用推挽驱动电路采用BD137/BD138方案。3MOS管在备选的2种MOS管中，CSD19531KCS为Ti公司的高效率N沟道MOS管，阻为7.7mohms，IRF3205为常用的大功率N沟道MOS管，阻0.4ohms。在保证效率的情况下，MOS管的选择与LC谐振回路的等效电阻有关，使LC等效电阻等于mos管的阻，降低MOS管上热散功耗，提高效率。考虑到使用CSD19531KCS驱动时LC谐振回路中的电容大小，故MOS管采用IRF3205。 4恒流源因本设计要求给用电设备进展充电，

27、故使用恒流源最正确，上述的2种方案中STC12C5A60S2控制的可控恒流源虽然有着准确可调的特点，但电路较为复杂。用LM317构成简易恒流驱动器电路非常简单，但是其精度不高，驱动电流不太大。因此为了获得较大的驱动电流，采用STC12C5A60S2单片机控制的可控恒流源电路。2.4系统的理论分析 为了实现无线充电设计系统的是设计，联系实际本设计是采用的是典型的电磁感应式无线电能传输的方式，利用电磁感应原理，初级线圈与次级线圈构成一个非接触式的耦合振荡器，实现电磁能的交替转换完成无线传输。本设计的设计关键是利用线圈的耦合传递能量，保证电路的接收局部可以接收到足够大的能量，提供应充电控制电路。当然

28、如何提高充电电路的能量利用效率是一个不得不考虑的问题，在满足设计电路的根本要求下，尽可能提高电能的传输效率，采用低功耗的设计。设计采用NE555及其外围构成的方波发生电路通过调节精细可调电阻来调节方波频率以及占空比，相比CD4011来说具有极大优势。振荡电路使用晶体管振荡，可以产生稳定的工作频率，但频率不可调；采用RC振荡，其频率在一定的围可调，电路简单而且省电。因系统选择频率不高，频率在一定围可调，所以选择NE555与RC构成的振荡电路。功率放大电路如采用大功率开关三极管作为功放元件，但三极管管耗较大，需要大面积的散热片，本钱比拟高。而使用场效应管作为功放元件，功耗低于三极管，驱动功率小，使

29、用方便，故采用IRF630的型号MOS管。线圈局部采用平板式绕法，在占空比在一定围减小时，平板式绕法的线圈接收端效率会变高。由于题目中提及驱动LED灯，故使用恒流源最正确，恒流源使用LM317构成的简易的恒流驱动，特点是电路构造简单，相对于使用51系列单片机控制的可控恒流源电路来仅仅驱动LED显示指示灯，更方便简洁，但是其精度不高，驱动电流不太大。通过对系统的硬件局部和软件局部的设计实现无线能量传输，在距离发射线圈的指定围对小型用电器如手机、MP3等直接充电。无线充电系统组成框图如下：图2.8 无线充电系统组成框图3 系统的硬件设计3.1单片机的选择与其控制3.1.1 单片机概述 单片机是一种

30、集成的电路芯片，又被称为微控制器Mirocontroller Unit,它是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器、A/D转换器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。与通用的计算机不同，单片机的应用属于芯片级的应用，它可以单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能。通过其相应的指令系统，以及集成电路应用技术和其他设计所需的理论技术，设计特定的芯片应用程序，在软件的控制下准确、快速、高效地完成程序设计事先规定的事物。在软件方面主要以汇编、C语言、嵌入式操作系统为主，具有方便灵活的控

31、制特点。微处理器的开展正朝着面向数据运算、信息处理等功能的系统机的方向开展，具有微型化、简单易用，价格低廉等优点深受广泛应用，渗透到人类生活中的各个领域。总的来说，单片机主要分为通用型和专用型两大类，通用型单片机是提供使用者全部的开发资源，一般我们使用的单片机属于通用型的单片机。专用型单片机顾名思义是针对*些应用专门设计的，例如打印机控制器、录音机机芯控制器等。单片机微控制器的出现改变了原有的传统电路设计方法，由原有的逻辑设计方法演变成现在的软件与硬件相结合的方法，从本质上改变了控制方法和设计思想，是控制技术上的一次伟大的技术改革，是一个新的里程碑跨越。3.1.2 单片机STC12C5A60S

32、2的介绍STC12C5A60S2单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点的新一代的8位8051单片机，工作电压一般为5.5-3.5V，其指令代码完全兼容传统的8051系列单片机,运行速度是普通51系列单片机8-12倍，部有集成的MA*810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换。STC12C5A60S2单片机的功能强大可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，尤其针对电机控制，强干扰场合。STC12C5A60S2的管脚图如下列图3.1所示。图3.1 STC12C5A60S2的管脚图各引脚功能简单介绍如下：1.VCC：供电

33、电压；2.GND：接地；3.P0口：P0口作为一个8位漏级开路双向I/O口，能够用于外部程序数据存储器。4.P1口：P1口是一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流；5.P2口：P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，P2口可用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器；6.P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，也可作为单片机*些特殊功能接口；7.RST：复位输入接口；8.ALE / PROG ：它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，ALE只有在执行MOV*，MOVC指令时ALE才起作用；9.PSEN：作

34、为外部程序存储器的选通信号；10.EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM；当EA端保持高电平时，访问部ROM；11.*TAL1：反向振荡放大器及时钟电路的输入接口；12.*TAL2：反向振荡器的输出端；3.1.3 单片机最小系统的介绍单片机最小系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统,对STC系列单片机而言，最小系统一般应该包括:单片机、时钟电路、复位电路、电源电路。STC系列单片机部除了CPU、FPEROM ，RAM，定时/计数器T0和T1等根本构造组成外，与普通的51系列单片机相比具有以下特点：STC12C5A60S2其部60KB的用户应用程序空间，256B的RAM 和1

35、024B的*RAM能满足程序代码和缓冲区定义的需求，另有与程序存储空间独立的一片闪存区域，可在应用编程中作EEPROM 使用；在同样晶振的情况下，STC12C5A60S2的运行速度是普通51系列单片机的8-12倍，具有8路10位高精度ADC转换模块，转换速度极高可到达250K/S；有PDIP-40封装的芯片，易于方便快速的进展仿真设计，有36个通用I/O 口，大局部可位控，并具有强推挽输出的能力；STC12C5A60S2 有双UART以及ISP串口，无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口P3.0/P3.1直接下载用户程序，含有4 个16 bit 定时器和一个独立的波特率发生器，另外还有两个

36、PCA 模块， 能获得丰富的定时器资源。单片微机部最核心的局部是CPU，CPU主要功能是产生各种控制信号、数据传输、数据的算术运算、逻辑运算等。它的功能是对来自存储器中的指令进展译码，通过实时控制电路，其最小系统的原理图如下列图3.2所示。复位电路图 时钟电路图 电源电路图 单机机引脚图图3.2 最小系统的原理图单片机控制模块设计本系统单片机主要完成的任务是控制指令程序来实现电能的无线传输过程，通过数据的采集和分析处理，将数据发送到显示电路。另一方面采用555方波发生器输出PWM信号控制DC/DC变换芯片。控制模块的具体流程是上电初始化，复位操作，通过设定的软件程序查询键盘，启动整个系统的运行

37、，按键设置确定输出电流大小和恒定电压值的输出；而相应子程序通过计算分析PWM信号波的占空比，从而将采集到的输出电流或电压值数据，转送到LCD显示模块电路，实现人机信息交换。在输出的过程过单片机定时器定时检测输出电流或电压，与设定值比拟后调节PWM占空比，保证输出的电压值趋于设定值，减小实验的误差。在充电过程中，通过检测电流大小，指示状态灯的亮暗来确定充电量的程度，实现充电过程中的智能控制。MCU模块即为单片机局部，整个控制都是依靠单片机完成。通过单片机编程实现了充电过程的智能控制，而且大大简化了硬件电路设计，由于单片机良好的可重用性，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需简单的修改程序即可实

38、现，从而使电路的升级改造变得简单易行。从功能和价位以及此题目要求来看，选择51系列STC12C5A60S2作为本方案的控制核心，P0口接液晶显示LCD1602作为输出数据显示传输，同时P24、P25、P26是液晶LCD控制端口；P13，P14口作为PWM输出,P16，P17为ADC采集端口；P10、P11、P12接三个独立键盘作为输入数据传输；其单片机控制电路图如下：图3.3 单片机控制电路3.2无线发射电路模块设计电源、振荡电路、功率放大电路是组成发射模块的主要局部，电源是指将220V的交流变成直流以供应整个电路提供直流电源。由于能量发射需要通过高頻信号的耦合，因此需要有振荡电路来产生高频信

39、号，而振荡电路产生的高频信号很微弱，因此需要有功放电路对其进展功率放大，最后经耦合线圈发射。本系统无线发射模块的发射电路由NE555构成多谐振荡器产生波形电路和谐振功率放大器两局部组成，如下列图所示。图3.4 发射电路设计3.2.1 NE555芯片简介NE555是一个可以产生准确定时脉冲的高稳度控制器广泛运用于电子产品的集成电路中，属于小规模集成电路，。NE555芯片同时也可以产生准确的定时脉冲信号，芯片输出的驱动电流可达200MA,其正常的工作电压一般为4.5V-16V。NE555芯片工作原理是利用部的定时器构成时基电路，产生时钟信号，提供时序脉冲。NE555时基电路有dip双列直插8脚封装

40、和sop-8小型smd两种封装形式以适应不同的设计环境。其他时钟芯片如HAL7555、LM555、CA555分属不同的公司生产的不同型号的产品，其部构造和工作原理与NE555芯片都一样类似。NE555的部构造主要由场效应三极管、上拉电阻、功放二极管等元器件组成了前端比拟器、RS触发器等电路模块，NE555的特别之处是由电阻构成了的分压器，为部的比拟器提供了基准电压，因此又称之为NE555时基电路。图3.5 NE555的管脚示意图NE555引脚图介绍如下：1.地端GND；2.触发端；3.输出端；4.复位端；5.控制电压；6.门限(阈值；7.放电端；8.电源电压端Vcc。3.2.2 MOS管的选择

41、与性能分析 随着开关频率的不断提高，在产品驱动设计时，如何提高产品性能、延长电池工作时间是设计过程中的关键，对于开关元件的性能也提出了更高的要求。由MOSFET设计的增强型场效应晶体管的特点是大电流、高功率、开关速度较快、导通电阻低，常用作开关稳压器、开关转换器、继电器驱动器等大电流应用的场合。两种增强型MOS管，比拟常用的是NMOS，原因是导通电阻小，且容易制造。以下是MOS管几种常见型号的外形图。图3.6 MOS管外形图 在半桥逆变电路中，对MOS管的选择十分关键，在保证效率的情况下，MOS管的参数将影响系统的传输效率。具体使用型号的MOS管型号，与LC谐振回路的等效电阻有关，使LC等效电

42、阻等于MOS管的阻，降低MOS管上热散功耗，提高效率。对于本设计，MOS管的选择应满足如下条件：1较小的导通电阻2开关延时比拟短，开关速度快。以下是常用N-channel MOS管的比拟：表3.1 几种MOS管的比拟型号导通电阻开关延迟ns最大电压Vds最大电流IdMA* VgsIRF54055毫欧105+70100V22A 20VIRF8400.85欧37+69500V8A 20VIRF28042毫欧133+26040V75A 20VIRF29032.4毫欧124+8530V75A 20VIRF32058毫欧115+11555V110A 20VIRFB36077.34毫欧110+4375V8

43、0A 20V 经比拟和筛选，及考虑本钱因素，N沟道MOS管最终选用了IRF3205，作为半桥的开关器件。IRF3205是IR公司设计生产的一款低阻抗，快速开关管，其主要性能有：导通电阻 7.34豪欧；工作围-55到175摄氏度；极快的开关速度：开延时16nS,上升时间110nS,关延时43nS,下降时间96nS。对于P沟道的MOS管，选用IRF9540。IRF9540是IR公司设计生产的一款低阻抗，快速开关管。其导通电阻 0.2欧；工作围-55到175摄氏度；极快的开关速度：开延时16nS,上升时间65nS,关延时47nS,下降时间28nS。3.2.3振荡电路的设计采用NE555构成多谐振荡器

44、产生波形电路，调节555的变阻器大小可以在一定围改变输出方波的频率及占空比，调节得到所需要的频率，为功放电路提供鼓励信号。采用555定时器组成的震荡电路构造简单，使用方便,通过改变调节变阻器的大小产生输出一定频率的方波信号，与LC电路构成耦合谐振以到达实验效果。振荡源由NE555方波发生器产生一定频率的PWM波，PWM信号经过IR2104构成的推挽式驱动电路放大推动电流以及电压幅度后驱动MOS管。为了能在小功率的推动下也能输出足够大的高频功率，输出驱动选用N沟道场效应管IRF3205，IRF3205上串联LC震荡回路，PWM信号的频率等于LC谐振频率时，LC谐振回路上获得驱动电流，将电能转换为

45、电磁波向周围空间发射。振荡电路如图3.7所示：图3.7 振荡电路设计在本设计中采用NE555时基电路来产生脉冲信号输入单片机中，再由单片机STC12C5A60S2进展后续的数据处理操作。当电路上电时，电源通过驱动电路R36,R42,R40支路给电容C1充电，此时3脚输出高电平，当C1的电位充至2/3Vcc时，555部比拟器使RS触发器输出低电平，通过与非门翻开放电回路，电容放电，此时输出低电平，当电容电位放到1/3Vcc时，比拟器使RS触发器输出高电平，放电回路关闭，电容充电，输出高电平。实际电路的充放电波形如下列图。图3.8 方波发生器输出波形与充电波形单个周期，电路的充电时间式(3.1放电

46、时间式(3.2输出的方波频率为式(3.3理论上，在保持50%占空比的条件下，调节电阻使电路输出的方波频率式(3.4功率放大电路的设计谐振功率放大器由LC并联谐振回路和开关管IRF3205构成。振荡线圈按要求用直径为0.80 mm的漆包线密绕2O圈，长度约为30cm，实测电感值约为90uH。本设计的功率放大电路，采用MOS管的半桥实现，其功能是可以将12V直流电压逆变为12V的交流电压。当接收端线圈与发射线圈不断的逐步靠近的过程中，将在接收线圈中产生感生电压，产生谐振的条件是接收线圈局部的谐振频率与发射频率一样，此时，电压达最大值，实验效果最为明显。所以，发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态

47、时，具有最好的能量传输效果，线圈传递能量效率较高，传送间距越大。采用场效应管作为功放元件，功耗低于三极管，驱动功率小，使用方便。直接使用NE555的输出就可以直接驱动。由于功率管的电流较大，散发的热量比拟多，所以需要加装散热片。半桥的工作原理：如图，两个MOS开关管组成此半桥电路。当MOS管Q1导通时，Q2截至，电流由MOS管Q1经LC电路到地线。当MOS管Q2导通时，Q1截至，电流经Q2、LC到地线。如此循环，将直流电逆变为交流电，供应LC电路发射。图3.9 H桥逆变电路驱动电路工作过程：方波发生器产生的方波经过三极管驱动电路后，直接驱动MOS管，当方波为高电平时，驱动MOS管信号为低电平，

48、Q1导通，Q5截止；当方波为低电平时，驱动信号为高电平，Q1截止，Q5导通。因此，可通过示波器观察到驱动芯片输出波形和线圈发射波形，如下列图3.10：驱动芯片输出波形线圈发射波形图3.10 波形图3.3 电源稳压控制模块设计稳压器LM2940简介单片机电源电路的设计以三端集成稳压器LM2940为核心，运用其器件的部电路来实现过电压保护、过电流保护、过热保护，这使它的性能非常稳定。三端固定输出电压式稳压电源属于串联稳压电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源一样；能够实现1A以上的输出电流，具有多种电压输出值，因此产品的应用围很广泛。LM2940比7805的转换效率高，7805直接输入不接输出的

49、情况下，其部还会有3mA的电流消耗静态电流，而2940型号元件的静态电流就比它远远小得多了。在实际运用的电路中，由于电流通过比拟大时，可能导致稳压管的温度过高稳压性能变差，影响实验效果，此时应当在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器。图是三端稳压器LM2940的典型应用电路及引脚图。图3.11 LM2940的典型应用电路及引脚图3.3.2 KA7500B芯片简介集成电路KA7500B芯片是一种应用于电源电路能够产生固定频率脉宽宽度调制的电路，其部包含了一个线性锯齿波振荡器，其振荡频率可通过RC滤波电路进展调节。KA7500B芯片覆盖了控制开关电源设计的需要的各种功能，专门用于的开关电源的脉宽调

50、制，属于集成电路控制器；它与TL494芯片可以完全兼容并几近可互换，广泛应用于各种桥式的开关电源，能适应于不同场合的需求。KA7500B具有的特点如下：能灵活的进展脉宽调制；置误差放大器；工作电压为5V；包含两种输出方式；死区时间不定；功率晶体管有较高的驱动能力。 KA7500B主要完成的工作容就是输出恒定的稳压电流，通过与的逻辑关系控制其部的两路反应回路；当输出的实时电压低于预先设定的恒定电压值时，此时电流反应称为主导作用，一旦输出的电压电流值超过设定的预阀值后，转换为电压反应完成了恒定电流、电压的控制功能；KA7500B的控制电路方式属于开关电源具有高效率，温升慢，适于电路实际操作等优点。

51、稳压控制电路设计为了降低电源系统自身的功耗，提高电源效率，减小整个电源系统的发热量，应选择低电压差的稳压器。本设计中选择LM7805系列稳压器来提供各级所需的电压。电源模块是让AC220V电源通过变压器降压，整流滤波后得到要调节的电源输入端；降压为AC9V整流滤波后，直接为运算放大器和DC/DC芯片供电；经过三端稳压LM7805，得到5V电压为单片机供电工作电源。图3.12 电源电路设计图3.13 稳压控制电路设计3.4按键指示电路模块设计在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：独立按键和矩阵编码键盘。独立按键的每个按键单片机的I/O接口直接实现通信独立，通过判断按键端口的电位即可识别按键操作

52、；当设计中的按键太多时，而为了减少I/O口的占用，通常采用矩阵式的键盘，由行线和列线组成，也称行列式键盘，按键位于行与列的交点上，通常所用的按键为轻触机械开关，开关在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。在本设计中由于按键不是太多，故采用独立按键法，这样可以减小编程的难度，下列图为本设计的按键接线图。系统中键盘模块设计三个按键S1、S2、S3，如图3.14所示，分别由单片机P10,P11,P12口输入。S3为进入设定按键，可以设置输出电流和电压。S1为电压/电流+,S2为电压/电流-,电压步进0.1V，电流步进100mA。图3.14 按键指示电路设计3.5显示电路设计及实现在日常生产生活中，对

53、于液晶显示器的使用已经非常普遍，在诸多的电子产品器件随处可见液晶显示模块的身影，主要显示的容为数字、符号和图形。它的工作原理是通用过液晶分子对各种光电效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换为可视信号。LCD作为人机交换的重要模块，在很多场合都会涉及和使用。由于软硬件都比拟简单，在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：功耗低、显示精度高、数字式接口、体积小等。LCD1602液晶显示器也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它的显示容量为162个字符，工作电压为4.5V-5.5V，工作电流为2.0mA(最正确工作电

54、压时)。字符位间隔可以很好的显示字符间距和行间距，有利于数据记录。LCD1602分为两种根本的显示型号，即带背光和不带背光，由HD44780控制但在实际应用中并无差异，1602字符型液晶显示器实物如下列图：3.15 1602字符型液晶显示器实物图LCD1602主要技术参数：显示容量：162个字符芯片工作电压：4.55.5V最正确工作电流：2.0mA左右模块电压：5.0V字符尺寸：2.954.35mmLCD1602引脚功能的介绍：图3.16 LCD1602引脚图及尺寸1602LCD采用国际标准模式化的14脚无背光或16脚带背光接口，其引脚接口介绍如下表3.2所示:表3.2引脚接口说明编号符号引脚

55、说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极单片机STC12C5A60S2的P2.4，P2.5，P2.6作为LCD1602显示器的控制口，把P0口作为数据输出。液晶显示电路如下列图：图3.17 LCD1602液晶显示电路3.6 DC/DC转换电路设计3.6.1 DC/DC变换器简介DC-DC转换器具有效率高、输出电流大、静态电流小等优点，非常适用于为便携式设备供电,如笔记本计算机、蜂窝、PDA

56、等中。它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。在电路设计中一般采用开关变换器，因为它具有高效率、灵敏的正负极性和升降压方式灵活等特点，而备受电子设计者的偏爱。DC/DC直流变换是将直流电能转换成另一固定电压或电压可调的直流电能，也称为直流斩波。其根本的直流变换电路包括降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路，在本设计中采用的是降压斩波电路中的典型BUCK电路。BUCK电路属于降压斩波电路，在固定频率下通过脉宽调制的方式改变占空比，实现直流到直流的降压变换使在负载上得到的恒定可调电压。BUCK电路主要起降压和储能的作用，在本电路中由于直流供电电压一定，而负载需要不同的可变的直流电

57、压，充电器控制系统中其输入始终大于输出输出，所以采用脉宽调制方式的BUCK变换器。其中PWM脉宽调制信号有单片机提供，控制开关管的通断，其电路如图3.18所示。这种降压变换电路的优点是电路简单、控制特性好、负载侧电流波动小；而缺乏之处是电源侧电流波动大，只能降压，不能升压。图3.18 BUCK变换器电路图3.6.2 运算放大器LM358简介LM358 芯片是一种常用于信号放大电路中的根本模块，其部由两个分开独立的、增益较高、具有部频率补偿组成的双运算放大器。运算放大器LM358中由两级反应回路组成，在正常的工作电压围，可运用与传感放大器的应用电路，具有直流增益模块的开关电源和其他单电源供电运算

58、放大器的电路模块，这将得益于其极宽围的工作电压。LM358封装通常有塑封8引线双列直插式和贴片式两种形式，在电源电路中主要用作于比拟放大器，并广泛应用于电子产品设计的集成电路中。因LM358有直流电压增益高(约100dB)、单位增益频带宽(约1MHz)、电源电压围宽、低输入失调电压和失调电流、输出电压摆幅大等特点，广泛应用于电子电路中。其引脚图如下所示：图3.19 LM358脚位图电压/电流采样模块设计STC12C5A60S2部带AD模块有8路10位高速A/D转换器，速度可到达250KHZ。单片机部自带8路电压输入型A/D转换模块，通常可用做于温度的检测、检测电压变化值、扫描按键、频谱的输出检

59、测等，具有较高的转换精度。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，由于是自带的AD模块，可以直接把待测信号接单片机的AD引脚就可把数据读入到单片机部的AD存放器，而不需要作为A/D使用的口可继续做为I/0口使用。STC12C5A60S2系列单片机的ADC属于逐次比拟型ADC。逐次比拟型ADC是通过直接转换模式将输入的模拟信号与设定的参考电压依次比拟，当所在转换得到的数字量与输入的模拟信号的数值相差无几时完成A/D转换；逐次比拟型A/D转换器主要由电压比拟器和D/A转换器组成具有转换速度快。 可改变其电压的动态围，适用围广。图3.20 电压采样电路对于电流采样，电路中采用了放大电路，对微小的电流信号

60、有一定比例的放大后处理，便于信号的采集。下面是无线电能充电器中用到的差分放大电路。其中必须满足：R2=R6，R5=R4；放大倍数为：。图3.21 差分运放电路图 由单片机控制产生的PWM信号方波是一种具有固定周期、占空比可调的数字信号；当PWM信号的占空比随时间变化时，通过滤波之后的输出信号的幅度将是随着时间变化的模拟信号。因此可通过控制PWM信号的占空比例，来产生不同的模拟信号。采用单片机的输出PWM信号，经过简单的变换电路实现DAC转换，为了降低本充电设备设计的本钱、设备体积，提高充电效率，采用单片机自带的DAC转换模块通过控制PWM信号的输出，利用简单的RC滤波电路实现数模转换。本系统设

61、计在理论分析的根底上，设计出了简易的DAC其输出电压围为05V，满足系统的需求。简易DA转换电路如下列图。图3.22 简易DA转换电路图3.7系统总体电路设计本设计的无线充电器系统主要包括直流电源模块、无线发射模块、能量转换模块、控制充电四个模块组成。首先由220V的交流电经变压器降压后给直流稳压电源供电，然后由直流稳压电源输出12V的直流电压给发射电路的振荡电路和功率放大电路提供电源。通过TL082构成正交振荡电路，将得到的振荡信号加到由三极管TIP41和TIP42构成的功放电路上进展信号放大。然后把放大信号加到线圈上，线圈把能量从初级耦合到次级。次级线圈耦合到的能量经接收电路稳压、整流、滤

62、涉及功率转换。这样就可以得到适合的给用电设备充电的电压和电流。构造框图如图3.23所示。图3.23 总体设计电路框图整体电路设计如下，采用常用的51芯片STC12C5A60S2作为控制器，P1.7作为输出电压的采样口，P1.6口作为输出电流的采样口。KA7500B的比拟电压需要模拟量，本设计中，用PWM输出经过电容电阻滤波后为直流电压的方式来充当简易的DA。液晶显示电路，该系统使用LCD1602液晶屏显示。主电路的工作原理是由微控制器产生PWM信号，经过变换，通过控制输出电压的大小，之后电流信号通过放大器，给电压、电流采样将数据传送给单片机。主要原理是由微控制器，PWM，改造后，开关电源的输出

63、电压、电流信号通过放大器、单片机的样品。通过单片机控制PWM波信号的占空比，同时控制DC/DC变换芯片实现输出电压电流的恒定可调的改变，将采集到的数据传送给显示电路显示实时充电的电流电压值的大小，再由单片机部自带的ADC模块实现数据的采集及转换，单片机通过预先设定的指令做出相应的判断和处理，实现电子设备的无线智能的充电控制。下列图是系统总体的电路图。图3.24 系统总体的电路图充电系统通过单片机软件编程实现智能控制充电过程，由于单片机具有良好的可重用性，简化了硬件电路局部设计的繁杂；如果需要改变电路工作状态或电路参数，通过简单的修改软件程序，就可以改变电路原有的工作状态以及电路设置参数，系统电路的进一步研究设计改良也会有章可循。4 系统的软件设计4.1 整体设计思想软件是计算机系统的灵魂，没有软件，计算机不能充分发挥其功能，这是软件在计算机中的地位，而在计算机控制系统中，软件占有非常重要的位置。整个程序由主程序、电压/电流采样、键盘模块、控制等子程序模块组成。根据软件程序设