基于51單片機(jī)智能無線耦合充電設(shè)備的設(shè)計

基于51單片機(jī)智能無線耦合充電設(shè)備的設(shè)計,基于,51,單片機(jī),智能,無線,耦合,充電,設(shè)備,裝備,設(shè)計 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第I頁基于51單片機(jī)智能無線耦合充電設(shè)備的設(shè)計摘 要無線充電技術(shù)（Wireless charge technology ），源于無線電力輸送技術(shù)。無線充電也被稱作非接觸式感應(yīng)充電、感生充電，經(jīng)由近場感應(yīng)的無線充電，即電感耦合，使用供電裝置（電源適配器）把電力傳輸?shù)叫枰褂玫挠秒娫O(shè)備，系統(tǒng)將接收到的能量對用電設(shè)備進(jìn)行充電，也供其本身運(yùn)行使用。由于供電裝置和電源間通過電磁耦合傳送，所以供電裝置和電源之間不需要使用電線連接，因此供電設(shè)備和用電設(shè)備均可做到無導(dǎo)線連接。關(guān)鍵詞：無線充電，電磁感應(yīng)，電磁共振 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第15頁Based 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 induced 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. Because 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 induction, magnetic resonance1 緒論1.1無線充電技術(shù)的概論無線充電技術(shù)就是用無線電來傳輸電能。由于必須滿足對電能質(zhì)量的需求，因此要求傳輸?shù)男矢?、功率大；無線充電的研究應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，無線充電的傳輸功率相差也十分大，從使用磁懸浮技術(shù)的列車到功率很小的用電裝置、上千瓦功率的電動汽車、幾十瓦功率的小型電器、幾十毫瓦的生物技術(shù)。電磁感應(yīng)技術(shù)、無線電波技術(shù)、電磁共振技術(shù)是目前無線充電技術(shù)比較成熟的三種技術(shù)。1.1.1電磁感應(yīng)技術(shù)電磁感應(yīng)技術(shù)是將變壓器的原邊接入交流電，通過電磁感應(yīng)原理，變壓器的副邊就會產(chǎn)生電動勢與之相對應(yīng)，把副邊電路與電路連接，副邊電路就可以產(chǎn)生感應(yīng)電流了，再根據(jù)楞次得到電流的方向，運(yùn)用電磁理論就可以得到大小了。因此變壓器的原邊就相當(dāng)于發(fā)射端的線圈，變壓器的副邊就相當(dāng)于接收端的線圈，無線傳輸就可以實現(xiàn)了。系統(tǒng)制作成本較之十分低、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)完整、大功率傳輸是這種傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)；但是這種方式傳輸距離特別短，充電器要遠(yuǎn)離其他金屬物品，不然可能向其他金屬物品充電可能導(dǎo)致其發(fā)熱發(fā)生火災(zāi)。1.1.2電磁共振技術(shù)通過兩個感應(yīng)線圈，一個為發(fā)射線圈，一個為接收線圈，讓兩個線圈發(fā)生共振，這就是電磁共振原理，這也是無線充電的基礎(chǔ)。把發(fā)射端的頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從低頻率到高頻率，使發(fā)射端高頻率振動，兩個線圈之后會產(chǎn)生一個能量。由于接收和發(fā)射的頻率一樣，因此兩個線圈之間產(chǎn)生了共振。每一次共振，接收感應(yīng)器就會產(chǎn)生一個電壓。當(dāng)共振次數(shù)有了一定的數(shù)量，感應(yīng)器才能被足夠能量產(chǎn)生，接著就可以產(chǎn)生更多能量，通過電磁轉(zhuǎn)換，無線傳輸電能就實現(xiàn)了。當(dāng)達(dá)到了技術(shù)所需的頻率事，電磁共振的傳輸距離可達(dá)三到四米，傳輸?shù)墓β室埠艽?，很短的范圍?nèi)頻率可以達(dá)到好幾MHZ，要求的傳輸頻率也相對較高。1.1.3無線電波技術(shù)通過激光或微波來進(jìn)行電能遠(yuǎn)距離傳送的技術(shù)叫無線電波技術(shù)，無線電波系統(tǒng)由發(fā)射天線、接收天線、高頻電磁波整流器、變電設(shè)備，電磁波發(fā)生器組成。電磁波發(fā)生器有兩個名字，一個叫激光器，另一個叫微波源，通過發(fā)生器，電源把電能轉(zhuǎn)換為電磁波，然后發(fā)射天線傳送電磁波，接收天線接收電磁波，經(jīng)過高頻電波整流器接入天線吸收能量，高壓直流電通過電流逆變就能用了。這種方式傳輸?shù)木嚯x是最遠(yuǎn)的，但是他的傳輸功率也很小，效率低，很多能量會以無線電波的方式浪費(fèi)。1.2無線充電研究現(xiàn)狀耦合變壓器技術(shù)是我國國內(nèi)現(xiàn)在研究的主要技術(shù)，磁懸浮和感應(yīng)充電運(yùn)用了耦合變壓器技術(shù)，他的傳輸距離非常短。跟國外相比較，我國的無線充電技術(shù)才剛剛發(fā)展，在期刊上發(fā)表了幾篇相應(yīng)的文章。2002年電氣傳動上發(fā)表了一篇相關(guān)的文章，這篇文章的作者是西安學(xué)院的李發(fā)教授發(fā)表的。重慶大學(xué)電氣與自動化學(xué)院無線電能傳輸技術(shù)研發(fā)組，在無線充電理論和實際的研究上做出了重大的突破1。我國仍然處于無線充電的理論研究階段，最近的幾年里才有所突破，但也只是研究階段沒有任何實際應(yīng)用的成果。無線充電雖然沒有廣泛的應(yīng)用，但是他也有三個標(biāo)準(zhǔn)：PMA標(biāo)準(zhǔn)、Qi標(biāo)準(zhǔn)、A4WP標(biāo)準(zhǔn)。1）PowerMattersAlliance標(biāo)準(zhǔn)PowerMattersAlliance標(biāo)準(zhǔn)是由DuracellPowermat公司發(fā)起的，該公司實力非常強(qiáng)并且還是AllianceforWirelessPower（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)的支持成員之一。AT&T、Google和星巴克這三家公司都加入了PMA聯(lián)盟。PMA聯(lián)盟一直在研究無線充電并且為其制定標(biāo)準(zhǔn)，在無線充電方面走的世界前沿。2）QI標(biāo)準(zhǔn)外國建立了無線充電聯(lián)盟，無線充電聯(lián)盟又叫做WPC，他們推出了無線充電新的標(biāo)準(zhǔn)，QI標(biāo)準(zhǔn)，QI的最大特點(diǎn)是便攜和通用。假設(shè)一個充電設(shè)備具有了此標(biāo)準(zhǔn)，那么用同一個充電器，就可以對所以的設(shè)備進(jìn)行充電，這樣就會使用戶們更加的方便和快捷的充電。中國在無線充電技術(shù)方面領(lǐng)先外國。QI也是用了這個標(biāo)準(zhǔn)。Samsung、Apple、Nokia等公司都加入了此標(biāo)準(zhǔn)之中。3）A4WP標(biāo)準(zhǔn)這是無線充電的另一個標(biāo)準(zhǔn)，也是無線充電聯(lián)盟的又一個標(biāo)準(zhǔn)，A4WP標(biāo)準(zhǔn)，該聯(lián)盟有以下成員，Qualcomm、Samsung、Power等。還包括SKT、PeikerAcustic、EverWinIndustries、GillIndustries等成員，自從有了無線充電聯(lián)盟，無線充電的產(chǎn)品變得產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化了。2 電磁感應(yīng)原理2.1電磁感應(yīng)發(fā)現(xiàn)從人們發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)之后，對電磁感應(yīng)的研究就沒有斷過，有些著名科學(xué)家在研究它的逆效應(yīng)，他們猜測電磁能否產(chǎn)生電及磁能否對電產(chǎn)生影響問題，因為當(dāng)時科技原因沒有直接發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流，而發(fā)現(xiàn)最早的電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁阻尼和電磁驅(qū)動，并且沒有文字說明。十九世紀(jì)，科學(xué)家法拉第在一個鐵環(huán)上繞上線圈，將一個線圈接入閉合回路，將一個磁針放在導(dǎo)線下面，然后把另一個線圈與電源連接，打開電源形成閉合回路。當(dāng)打開電源之后，磁針發(fā)生了反向的偏轉(zhuǎn)，當(dāng)關(guān)閉了電源以后，磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，通過這個實驗現(xiàn)象，證明了該線圈有所感應(yīng)。經(jīng)過上述的實驗和分析，證明了感應(yīng)電流與導(dǎo)電能力成正比關(guān)系。經(jīng)過一系列例證，在感應(yīng)系統(tǒng)里，電動勢產(chǎn)生了電流，無論有沒有閉合，或者有沒有電流情況，感應(yīng)電動勢都依然存在。楞次定律決定了感應(yīng)電流的方向。動生電動勢和感生電動勢，是感應(yīng)電動勢的兩種形式。分別產(chǎn)生于不同力，前者是根據(jù)洛倫茲力，后者是電磁場變化產(chǎn)生。法拉第電磁感應(yīng)定律是一直做了成百上千次試驗才得出的定律。在現(xiàn)在已經(jīng)被正式化，他有許多其他的版本，現(xiàn)在都是被稱為電磁學(xué)的瑰寶。法拉第電磁感應(yīng)定律是由于法拉第于1832年所做的實驗。在這同一時間也有人發(fā)現(xiàn)這電與磁的關(guān)系但是他發(fā)表萬物法拉第。楞次定律的發(fā)現(xiàn)為判別感應(yīng)電動勢的方向和生成感應(yīng)電動勢的電流方向提供了一種方法。當(dāng)一個導(dǎo)體在閉合電路磁場中，由于進(jìn)行切割磁感線運(yùn)動，然后產(chǎn)生了電流，這種現(xiàn)象我們把它叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象。通過這種現(xiàn)象產(chǎn)生的電流，我們把它叫做感應(yīng)電流。詳細(xì)的步驟為：不改變線圈的面積，然后改變磁場強(qiáng)度，磁通量會因此產(chǎn)生變化，伴隨著也有感應(yīng)電流產(chǎn)生。因為磁通量發(fā)生了變化，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，這就是磁感現(xiàn)象的本質(zhì)。2.2電磁感應(yīng)基本概念當(dāng)導(dǎo)體中產(chǎn)生一個電動勢，電磁感應(yīng)發(fā)生了變化，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。在一個閉合回路里，如果進(jìn)行閉合，將有電壓驅(qū)動電子流動，由此形成了感應(yīng)電流。電磁場是最偉大的成就之一就是電磁感應(yīng)的發(fā)型。電磁感應(yīng)證實了電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系，同時也為電和磁實驗之間的相互轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)，人類獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)力量和開辟了道路，在實際意義上有顯著的性能。隨著發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，人們進(jìn)入了一個重要的工業(yè)和技術(shù)革命的時代。研究表示，電力，電子技術(shù)，電氣化，自動化都廣泛使用了電磁感應(yīng)，電磁感應(yīng)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。2.2.1磁通量在一個均勻強(qiáng)度的磁場中，有一個平面與磁場方向垂直，假設(shè)這個平面的面積為S，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。（1）定義：磁感應(yīng)強(qiáng)度B與平面面積S的乘積稱作磁通量。（2）公式：=BS當(dāng)磁場方向與平面不垂直時：=BS=BScos（3）物理意義穿過面的磁感線數(shù)量用穿過面的磁通量表示。（4）單位WB磁通量的國際單位是Wb（韋伯）。2.2.2電磁感應(yīng)（1）電磁感應(yīng)（Electromagnetic induction）又稱磁電感應(yīng)現(xiàn)象，是指閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中作切割磁感線運(yùn)動，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。（2）閉合回路在原磁場內(nèi)產(chǎn)生的磁場阻礙原磁場磁通量發(fā)生變化的電流叫做感應(yīng)電流。（3）電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生條件：兩種不同表述a導(dǎo)體與磁場發(fā)生相對運(yùn)動。b磁通量發(fā)生變化穿過閉合電路。兩種表述的比較和統(tǒng)一a兩種情況所產(chǎn)生感應(yīng)電流的根本原因不一樣閉合電路的導(dǎo)體和自由電子的磁場產(chǎn)生部的相對運(yùn)動遵循導(dǎo)體的導(dǎo)體一起移動，然后再進(jìn)行一洛倫茲力分量，因而是自由電子然后形成移動的當(dāng)前方向，這種情況下產(chǎn)生的電流稱為動感電流。b兩種表述的統(tǒng)一閉合電路中，磁通量會發(fā)生變化。產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件閉合電路的磁通量如果發(fā)生了變化，那么一定會有電流在閉合電路中產(chǎn)生。條件：1閉合回路2部分導(dǎo)體3切割磁感線的運(yùn)動2.2.3能量的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)遵循能量轉(zhuǎn)換守恒定律，電磁感應(yīng)的現(xiàn)象也遵循能量轉(zhuǎn)換守恒定律。2.2.4感應(yīng)電動勢（1）定義：電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫做感應(yīng)電動勢。方向由低到高。（2）產(chǎn)生條件：在電流穿過閉合中，磁通量發(fā)生變化。（3）方向：感應(yīng)電動勢的方向為感應(yīng)電流方向。（4）物理意義：在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，感應(yīng)電動勢是基本物理量。（5）反電動勢：起到消弱電動勢的作用的感應(yīng)電動勢，稱作反電動勢。2.3計算公式計算感應(yīng)電動勢的大小公式（1）E=N/t（E感應(yīng)電動勢，N感應(yīng)線圈的匝數(shù)，/t：磁通量變化率）。（2）E=BLVsinB(做切割磁感線運(yùn)動)，E=BLV中的V和L的方向不會平行于磁感線，但是不跟磁感線垂直，公式中sinB中B為V或L跟磁感線的夾角?？梢杂脕砬笃骄妱觿?，可以計算瞬時感應(yīng)電動勢。（3）最大感應(yīng)電動勢Em=nBS。（4）E=B(L2)/2（導(dǎo)體一端固定以角速度旋轉(zhuǎn)切割）（：角速度單位rad/s，V:速度單位m/s，L2是L的平方）。2.磁通量公式=BS（：磁通量單位Wb，B:磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度T，S:正對面積單位是平方米）3.感應(yīng)電流的方向可以用來判定感應(yīng)電動勢的正負(fù)極，負(fù)極到正極。4特別注意，/t無必然聯(lián)系，E與電阻無關(guān)E=n/t。電動勢的單位是伏特V，磁通量單位是韋伯Wb，時間的單位是秒s。2.4電磁感應(yīng)意義當(dāng)磁通量在閉合回路中發(fā)生變化，感應(yīng)電流就產(chǎn)生了，通過一系列的實驗表明。感應(yīng)電流為磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生的電流，電磁感應(yīng)現(xiàn)象是磁通量變化的現(xiàn)象。感應(yīng)電動勢用符號表示，就是=n/t。感應(yīng)電動勢大小與磁通量變化率成正比，電動勢越大，磁通量越大。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)里非常重要的發(fā)現(xiàn)，它證明了電與磁之間的關(guān)系。通過電磁感應(yīng)定律我們可以知道，發(fā)電機(jī)、電動機(jī)等大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳送的設(shè)備都是通過該原理設(shè)計的。他還在很多技術(shù)方便有著重要的作用，比如說電子技術(shù)、電工技術(shù)以及很多電磁測量。由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的產(chǎn)生，我們的生活變得更加的方便，我們也走入了電氣時代。3 電路設(shè)計3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計本系統(tǒng)基于電磁感應(yīng)原理，由兩個線圈進(jìn)行耦合，傳遞電磁波，。系統(tǒng)工作時，用直流電進(jìn)行供電，也可以把整流過后的市里用電為電路供電。然后經(jīng)過一些特殊芯片和LC震蕩發(fā)生器產(chǎn)生電磁波，然后接受線圈得到電壓，在經(jīng)過整流和特殊芯片的處理會產(chǎn)生5V直流電為電池供電。系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)原理圖根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。圖3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通過接收和發(fā)射線圈之間的電磁感應(yīng)，電能實現(xiàn)了傳送?；ジ性韴D如圖3.3所示。圖3.3 互感原理圖3.2具體電路設(shè)計3.2.1發(fā)射電路設(shè)計發(fā)射電路如圖3.4所示。圖3.4 發(fā)射電路圖發(fā)射電路選用了三極管Q1選8050，也可以用9014代替。Q2選8550，也可以用9015代替。電容使用了瓷片電容和其它電容。R3用了碳膜電阻，其它的選用金屬膜的電阻。電阻單位為歐姆，簡稱歐。三極管B772要加適當(dāng)?shù)纳崞?。發(fā)射線圈L，選直徑0.4-0.6的漆包銅線，在直徑3cm的圓柱體上緊密繞線20圈，然后取下用膠帶纏好，并留出兩根引線。接線圈時，線圈兩根線不分極性。發(fā)射電路才用了三極管8050、三極管8550、三極管B772， 8050是一種非常非常常見的晶體三極管，在各種電路中都可以發(fā)現(xiàn)他的身影，他的應(yīng)用范圍很廣，他的功能是進(jìn)行高頻放大。8050也可以用作開關(guān)電路的設(shè)計。8550三極管是一種低電壓、大電流、小信號的三極管。B772的管腳E，C，B，采用數(shù)字表二級管檔，是一種PNP型三極管。3.2.2接收電路設(shè)計接收電路采用了一個整流電路，它是一個全波型的整流電路，輸出功率的全波整流器的利用率為百分之一百，低輸出直流電壓的紋波很低，選擇的時候，不僅要考慮到耐壓值，還要考慮實用性，開關(guān)，恢復(fù)時間，特效，電容值，還要考慮其他一系列的電容值，耐壓值要高。接收電路：當(dāng)接收線圈感應(yīng)電磁場時，感應(yīng)線圈靠近發(fā)射線圈。高頻電壓經(jīng)過線圈接收后，快速進(jìn)行全波整流，電壓的正向電流為150mA，恢復(fù)時間反方向為4ns。1000uF的電容濾波后輸出直流電源和限流推動發(fā)光二極管顯示。如果再用5.1V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，輸出直流電為充電器提供較為穩(wěn)定的工作電壓。接收電路如圖3.5所示。圖3.5 接收電路圖接收模塊使用了整流二極管1N4148，該模塊的特點(diǎn)是：速度快，開關(guān)敏捷，信號頻率較高，可以進(jìn)行單項隔離，是廣泛應(yīng)用于通訊，電腦，電視機(jī)的控制電路，十分的廉價且好用，符合設(shè)計理念。1N4148是一種非常適合普通整流用的二級管，他具有高頻開關(guān)，包括了SOT23、DO35、0805、LL34都有所使用。二級管的反向恢復(fù)時間為4ns、平均正向電流為150mA、結(jié)合電容為4pf、反向恢復(fù)時間為4ns，這種整流二極管可以用于多種場合，經(jīng)濟(jì)實惠，容易購買，是一款非常不錯，通用性強(qiáng)的小信號高頻率二級管。接收線圈L選直徑0.4-0.6的漆包銅線，在直徑3cm的圓柱體上緊密繞線20圈，然后取下用膠帶纏好，流出兩根引線。接線圈時，線圈兩根線不分極性。4 測試結(jié)果根據(jù)所設(shè)計的電路，焊接好所有元器件后，開始進(jìn)行測試。在本次測試中，無線供電的負(fù)載，選擇了一個LED燈，原供電電壓為4.4V。收發(fā)線圈：銅線線徑0.4mm，線圈內(nèi)徑30mm，繞線20匝。測試一：兩個線圈重疊在一起，發(fā)射電路接5.0V電壓，發(fā)射電路電流為240mA，此時，接收電路輸出電壓為3.01V，輸出電流為38.3mA。LED燈發(fā)出較亮的光，如圖4.1所示。圖4.1 LED燈測試一測試二：兩個線圈相距約4.0mm，發(fā)射電路接5.0V電壓，發(fā)射電路電流為330mA，此時，接收電路輸出電壓為2.78V，輸出電流為10.81mA。LED燈較上個測試變暗，如圖4.2所示。圖4.2 LED燈測試二結(jié) 論隨著人們生活水平的提高，數(shù)字終端飛速發(fā)展，在未來的各種場合，智能無線充電技術(shù)勢必要扮演著重要的角色，為人類服務(wù)。就目前市場研究情況看出，無線充電技術(shù)發(fā)展尚未成熟，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一性，成型產(chǎn)品在距離、效率、發(fā)熱等方面存在弊端，是今后需要研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)在的無線充電充滿了很多問題，需要充電器進(jìn)行傳輸，看樣子比較麻煩，不夠，經(jīng)過實驗的成熟，各種設(shè)備額完善，我相信會在大多數(shù)地方出現(xiàn)這種無線充電的設(shè)備，因此無論你在任何地方，充電這件事都會變得非常方便。因為無線充電節(jié)省了很多材料，應(yīng)用靈活，所以一定可以具有很強(qiáng)的市場性，并且多個設(shè)備可以運(yùn)用一個充電器，十分方便，相信在不久的將來，無線充電器將更加普及。參考文獻(xiàn)1 譚建軍，吳興權(quán).智能微型充電器的開發(fā)與應(yīng)用J.湖北民族學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2002無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)淺析(4).2 張益銘.J.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013(4).3 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