無線傳能充電器-(長江職院)

1、題目： 無線傳能充電器指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師： 鄧柳 李德明隊員及年級：隊員及年級：羅國見 歐明亮 李鍵 （2006級）學(xué)校及院系：學(xué)校及院系：長江職業(yè)學(xué)院 工學(xué)院摘要本無線傳能充電器由能量發(fā)送單元和能量接收單元兩大部分組成，可在6cm的距離以內(nèi)對電池進(jìn)行快速和慢速充電。能量發(fā)送端可用市電和直流電源供電，具有交流優(yōu)先和交直流自動切換的功能；接收端控制電路采用MSP430低功耗單片機(jī)，電壓和充電時間顯示采用低功耗OCM126864-9液晶屏。AbstractThe wireless energy transmitting charger is made up of an energy transmi

2、tting unit and an energy receiving unit. Battery can be charged by this system in two modes(quick mode /slow mode) with the distance upto 6cm. The energy transmitting unit can be powered by AC or direct current and AC is a high periorty. Energy receiving unit is made up of charge-circuit and control

3、-unit which controled by MCU named MSP430.The charging process will be monitored by lcd(OCM126864-9) .1 方案設(shè)計1.1理論分析本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點一是用線圈耦合方式傳遞能量，使接收單元接受到足夠的電能，以保證后續(xù)電路能量的供給；二是如何提高充電電路的能量利用效率，在滿足充電電路正常工作的前提下盡可能采用低功耗設(shè)計。1.2 選用TI器件的依據(jù)，器件的依據(jù)，選擇理由，選擇理由，所選TI器件詳細(xì)介紹依據(jù)：為了保證充電器的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性；實現(xiàn)充電過程的實時監(jiān)控。 理由： TI公司MSP430系列是一個

4、超低功耗類型的單片機(jī)，特別適合于電池應(yīng)用的場合或手持設(shè)備。無線傳能充電器能量接收單元由于其耦合方式獲得電流有限，充電過程若采用單片機(jī)控制，必須采用低功耗的單片機(jī)；充電過程要實現(xiàn)電壓的實時監(jiān)控，內(nèi)嵌AD轉(zhuǎn)換器的MSP430系列無疑是最好的選擇。TI器件介紹：1）有多種省電模式，功耗特別省，一顆電池可工作10年,在液晶顯示時也能達(dá)到0.8uA的低電源消耗 2）片內(nèi)資源豐富,有ADC,PWM,若 1干TIME,串行口，WATCHDOG,比較器,模擬信號3）開發(fā)簡單，仿真器價格低廉，不需昂貴的編程器。4）16位精簡指令結(jié)構(gòu)同其它微控制器相比，帶Flash的微控制器可以將功耗降低5倍，既縮小了線路板空間

5、又降低了系統(tǒng)成本。 高效16位RISC CPU可以確保任務(wù)的快速執(zhí)行，縮短了工作時間。大多數(shù)指令可在一個時鐘周期里完成； 6微秒的快速啟動時間可以延長待機(jī)時間并使啟動更加迅速，降低了電池的功耗。 MSP430產(chǎn)品系列可以提供多種存儲器選擇，從14位ADCs到LCD驅(qū)動電路的混合信號外設(shè)，簡化了各類應(yīng)用中 MSP430的設(shè)計 ESD保護(hù)，抗干擾力特強(qiáng)。1.3設(shè)計方案論證 設(shè)計方案論證1.3.1 電源切換方案一：采用晶閘管，其優(yōu)點是切換無噪聲，但驅(qū)動電路復(fù)雜，且要安裝散熱片。 方案二：采用繼電器，功率大，內(nèi)阻小，缺點是存在切換噪聲。綜上所述：要實現(xiàn)交直流自動切換，由于工作電流大，切換頻率不高，所以

6、選擇 （方案二）。1.3.2 振蕩電路：振蕩電路：方案一：使用晶體管振蕩，可以產(chǎn)生穩(wěn)定準(zhǔn)備工作頻率，但頻率不可調(diào)。 方案二：使用RC振蕩，其頻率在一定的范圍內(nèi)可調(diào)，電路簡單而且省電。 綜上所述：因系統(tǒng)選擇頻率不高，頻率可調(diào)在一定的范圍內(nèi)，所以選擇NE555與RC構(gòu)成的振蕩（方案二）。1.3.3 功率放大電路功率放大電路：電路：方案一：采用大功率開關(guān)三極管作為功放元件，但管耗較大，需要大面積的散熱片，成本較高。方案二：采用場效應(yīng)管作為功放元件，功耗低于三極管，驅(qū)動功率小，使用方便， 所以選（方案二）。1.3.4 充電電路：充電電路：方案一：變流充電，但是時間與電壓上升不呈線性關(guān)系，對電池有影響，

7、而且難以把握充電時間。方案二：恒流充電，恒定的充電電流對電池影響小，充電電流不隨電池電壓的變化而改變，電壓與電流呈線性關(guān)系，便于控制時間。由于無線傳電電壓隨能量發(fā)送單元和接收單元耦合線圈的間距D在測試中需要改變，而充電時間相對固定，所以固定電流充電是首選方案。2 系統(tǒng)實現(xiàn)2.1 硬件設(shè)計2.1.1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖2.1.2 單元電路設(shè)計1、電源切換交直流輸入采用單刀雙閘繼電器，交流上電常開閉合，常閉打開實現(xiàn)交流優(yōu)先，交流斷電繼電器斷電，常閉閉合，實現(xiàn)自動切換。在切換時，時間很短，C1可提供一定時間的電量，可以實現(xiàn)不斷電切換，不影響充電。圖（1）電源系統(tǒng)2、 發(fā)射及接收電路發(fā)射電路由振蕩信號發(fā)

8、生器和諧振功率放大器兩部分組成，見圖（2）。采用NE555構(gòu)成振蕩頻率約為510KHZ信號發(fā)生器，為功放電路提供激勵信號；諧振功率放大器由LC并聯(lián)諧振回路和開關(guān)管IRF840構(gòu)成。振蕩線圈按要求用直徑為0.80mm的漆包線密繞20圈，直徑約為6.5cm，實測電感值約為142uH，由1f=2LC可知,當(dāng)諧振在510KHZ時，與其并聯(lián)的電容C1(圖3)約為680p,可用470pF的固定電容并聯(lián)一個200PF的可調(diào)電容，可方便調(diào)節(jié)諧振頻率。圖（2）發(fā)射部分大功率管TRF840最大電流為8A、完全開啟時內(nèi)阻為0.85，管子發(fā)熱量大，所以需要加裝散熱片。當(dāng)功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵信號頻率相同

9、時，功率放大器發(fā)生諧振，此時線圈中的電壓和電流達(dá)最大值，從而產(chǎn)生最大的交變電磁場。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈靠近時，在接收線圈中產(chǎn)生感生電壓，當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時產(chǎn)生諧振，電壓達(dá)最大值。構(gòu)成了如圖（3）所示的諧振回路。實際上，發(fā)射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態(tài)時，具有最好的能量傳輸效果。3、充電電路：圖（4） 充電系統(tǒng)電能經(jīng)過線圈接收后，高頻交流電壓經(jīng)快速二極1N4148進(jìn)行全波整流，3300µF的電容濾波，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。因為Uc(t)=1i(t)dt c為了準(zhǔn)確控制充電時間，我們在設(shè)計中采用恒流充電的方法，

10、可以保證充電電流大致為一常數(shù)I，上述電容電壓與時間的關(guān)系可表示為：IUc(t)=t c根據(jù)題設(shè)要求，充電時間應(yīng)滿足快充小于30秒，慢充控制在120±20秒，計算出快充、慢充所需電流大小I快、I慢分別為：I快=22000µF×3V/30S2.2mAI慢=22000µF×3V/120S0.55mA圖（4）中二極管D1、D2的導(dǎo)通電壓基本不變，故可作為電壓基準(zhǔn)，約為1.4V。各電壓關(guān)系為：UR+UEB=UD1+UD21.4V可見在恒流充電電路中，充電電流僅由電阻R1、R2確定。計算中約定UEB=0.7V，充電電流Ic（三極管集電極電流）Ie，可計算出

11、快充、慢充所需電阻R1、R2分別為：R1=R2=0.7V318 I快0.7V1.2K I慢設(shè)計中采用可調(diào)電阻，可調(diào)節(jié)充電電流的大小。2.2 軟件設(shè)計2.2.1 流程圖軟件設(shè)計的主要任務(wù)是對充電過程的監(jiān)視及充電電路的控制。具體方法是：利用MSP430單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換器實時檢測充電電池上的電壓，達(dá)到規(guī)定電壓時發(fā)出控制信號，關(guān)斷充電電路?；贛SP430較高的速度、高精度的 AD轉(zhuǎn)換器、功能豐富的定時器等資源特點，我們在LCD上設(shè)計了充電進(jìn)度條的繪制、實時充電電壓顯示、充電時間顯示等內(nèi)容。其中進(jìn)度條的繪制需要定性反映實時電壓大小，我們采用的方法是根據(jù)電壓值計算出坐標(biāo)，并調(diào)用自己設(shè)計的畫直線函數(shù)進(jìn)

12、行實時繪制，效果逼真。2.2.2 MSP430單片機(jī)應(yīng)用技巧單片機(jī)應(yīng)用技巧豐富的硬件資源、極低的系統(tǒng)功耗是MSP430單片機(jī)的兩大優(yōu)勢。但與51單片機(jī)不同的是，其不具有中斷嵌套功能。這樣，在充電時間計算和AD采樣中斷兩個中斷同時出現(xiàn)時容易出現(xiàn)定時器無法中斷的問題。我們考慮到AD轉(zhuǎn)換器對直流并不需要很高的采樣速率，故采用定時器先中斷，然后在定時器中斷程序中啟動AD的方法，AD每秒對直流電壓（電池電壓）采樣16次，獲得了很好的效果。3作品性能測試與分析3.1 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試方法測試方法1）快充時間測試：將線圈距離調(diào)整為2cm，調(diào)節(jié)快充電流為2.2mA左右（參照表頭）；觀察記錄充電時間；2）交直流

13、切換：將交流220V電壓和直流24V電源一起接入能量傳送單元，觀察充電過程穩(wěn)定性；在充電過程中斷開交流220V電壓，觀察充電過程穩(wěn)定性； 3）在快充30s、慢充120s條件下，適當(dāng)調(diào)節(jié)充電電流，以獲得最大充電距離。3.2 各功能的實現(xiàn)情況如表(1)所示。表（1）無線傳能充電器功能一覽各部分功能完成完成情況是 否20V/50HZ交流供電24V直流供電自動切換交直流供電 快充 慢充D>2cm 快充<30S D>2cm 慢充=120±20S用uA表頭自制電流表定性監(jiān)測電流 充滿顯示 關(guān)斷充電3.3 線圈距離D與快充慢充時間的關(guān)系如表(2)所示。表（2）使用22000uF電

14、容充電實測數(shù)據(jù)：交流供電 直流供電距離D(cm) 快充時間（s）2 2.53 4 5 6 728 27 28 27 27 28 33慢充時間(s)105 106 105 106 105 106 117快充時間（s） 慢充時間（s）29 29 28 28 29 29 34109 109 110 109 110 110 1203.43.4 改進(jìn)設(shè)想 改進(jìn)設(shè)想充電效率是一個不得不考慮的問題。可以在發(fā)射接收電路的能量傳輸部分做適當(dāng)改進(jìn)，以獲得更高的效率和更遠(yuǎn)的距離。設(shè)計充電設(shè)備檢測電路，在沒有能量接收電路時能量發(fā)送部分處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)能量接收電路靠近發(fā)送部分時，激活發(fā)射電路開始充電。4 附錄 附錄附件

15、一附件一：整機(jī)電路圖整機(jī)電路圖附件二：附件二：部分程序:while (1)/ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; / Sampling and conversion start _BIS_SR(LPM0_bits + GIE); / LPM0, ADC10_ISR will force exit voltage=ADC10MEM;/voltage=1023*(Vin-Vr_)/(Vref-Vr_)vx=ADC10MEM;voltage=voltage*2.0/1023*2500;/2.5v vref;if(powercheck)/power checkpowercheck=0

16、;plotp=(vx*150)>>10)+10;if(plotp>99)|(plotp<11) /充滿或放完或未接電池if(plotp>99)done=1;P3OUT&=BIT6; /充電完成disp_chn(0*16,2,8);disp_chn(1*16,2,9);disp_chn(2*16,2,10);disp_chn(3*16,2,11);disp_chn(4*16,2,12);disp_str(5*16,2," ");elsedone=0;P3OUT|=BIT6; /放電完成count_f=0;count=0;disp_chn(

17、0*16,2,13);disp_chn(1*16,2,14);disp_chn(2*16,2,15);disp_chn(3*16,2,16);disp_chn(4*16,2,17);disp_str(5*16,2," ");for(k=0;k<17;k+) /放電完成清屏linedraw(11,k+12,100,k+12,1);last_plotp=plotp;else /正在充電或涓流done=0;P3OUT|=BIT6;if(last_plotp>99)|(last_plotp<11) /rechargecount_f=0;count=0; /充滿充電時間清零 if(last_plotp>99)&&(plotp>98) /充滿維持充電時間顯示 done=1;if(plotp<last_plotp)if(last_plotp>100)last_plotp=100;for(k=0;k<17;k+)linedraw(plotp,k+12,100,k+12,1);elseif(plotp>last_plotp)for(k=0;k<17;k+)linedraw(last_plotp,k+12,plotp,k+12,0);last_plotp=plotp;if(!done)buff