我的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要用到的是磁共振式電磁感應(yīng)線圈，額當(dāng)時(shí)老師和我這樣說(shuō)的

無(wú)線供電工作原理無(wú)線供電工作原理

我們有一句十分熟悉的話：電生磁，磁生電，這就是本次設(shè)計(jì)的核心原理。各種場(chǎng)合的變壓器都是基于這一原理工作的，它通過(guò)交變磁場(chǎng)把電源輸出的能量傳送到負(fù)載[20]。生活中各處我們都能看見(jiàn)變壓器，雖然制作它的材料可能并不相同，但很明顯的就是這種設(shè)備是一整塊的，分開(kāi)后將一無(wú)是處。

此次的設(shè)計(jì)就改變了我們之前的認(rèn)識(shí)，這個(gè)變壓器分成了兩塊，并且可以進(jìn)行能量的傳輸，表現(xiàn)形式不同，但他與傳統(tǒng)意義上的變壓器原理是相似的，本質(zhì)上都是電和磁之間的轉(zhuǎn)換。正如這個(gè)模型一樣，他的兩邊之間有很大的空隙，這中間存在很大的漏磁，造成的后果就是能量的損耗。兩個(gè)邊即能量發(fā)送端和能量接收端之間的空隙越大，產(chǎn)生的漏磁越大。

本設(shè)計(jì)發(fā)射端的控制部分STC12C5A60S2對(duì)PWM波進(jìn)行控制，利用IR2104驅(qū)動(dòng)MOSFET對(duì)電流進(jìn)行逆變，用發(fā)射線圈把電能轉(zhuǎn)化為磁能。接收端則是利用線圈將磁能轉(zhuǎn)化為電能，采用1N4007構(gòu)成的全橋整流電路將線圈轉(zhuǎn)化的交流電進(jìn)行整流，利用電解電容濾波后供負(fù)載使用。系統(tǒng)發(fā)射端部分主要是為發(fā)射端諧振回路提供高頻交流電。兩電感線圈之間的能量傳輸是實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電的關(guān)鍵，通常，我們?yōu)閭鬏斈芰康木€圈匹配補(bǔ)償電容構(gòu)成兩個(gè)LC諧振回路，以此來(lái)提高系統(tǒng)傳輸效率[21-23]。接收線圈接收后的電能為交流電，而本系統(tǒng)的LED等負(fù)載需要供直流電才能工作，因此需要性能良好的整流濾波電路對(duì)交流電進(jìn)行整流，當(dāng)挑選的整流二極管性能較差時(shí)，電能損耗會(huì)隨之加大。為了提高系統(tǒng)實(shí)用性，本系統(tǒng)除了為室內(nèi)照明外，還增加了為手機(jī)充電的功能，模擬無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的多負(fù)載供電，由于系統(tǒng)輸出電壓影響因素較多，還應(yīng)添加一個(gè)穩(wěn)壓模塊輸出5V才能為手機(jī)充電。

 串聯(lián)諧振電路原理

一個(gè)電路中存在多種多樣的器件，電容、電感、電阻是我們十分常見(jiàn)的，當(dāng)把它們放置于交流電路中時(shí)，其端口會(huì)顯示出不一樣的性質(zhì)，包括感性、容性和阻性。這些性質(zhì)中，有一些是我們不愿意看到的，比如容性和感性，因?yàn)樗焕谀芰康膫鬏?，?huì)吸收很多能量，增大傳輸過(guò)程中的損耗，應(yīng)該想辦法消除。在實(shí)際應(yīng)用中，我們通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作頻率、改用合適的電容電感，最終達(dá)成我們希望的結(jié)果，就是電壓和電流方向一致，此時(shí)的電路就稱為諧振電路，系統(tǒng)將會(huì)節(jié)約很多能量。

串聯(lián)諧振時(shí)，電容和電感上的電壓是Us的Q倍。所以我們還可以把串聯(lián)諧振叫為電壓諧振，這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)選擇的電容和電感有良好的耐壓效果。電路諧振時(shí)，電容和電感中的能量恰好能滿足其需求，不吸收新的能量，也不會(huì)流出能量，只會(huì)不斷在電感和電容之間相互轉(zhuǎn)化。整個(gè)電路中只有電阻在消耗能量，所以電路能量損耗隨著品質(zhì)因數(shù)Q增高而減小。這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)線圈時(shí)，盡量保證線圈具有較高的Q值，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。

各種無(wú)線電裝置、設(shè)備、測(cè)量?jī)x器等都不可缺少諧振電路。原因之一就在于其低損耗，在當(dāng)前能源短缺的環(huán)境下有很大的用武之地。其次由于諧振電路具有選頻能力而被廣泛運(yùn)用，因?yàn)樗梢詫](méi)有用的頻率濾除而把有用的頻率部分保留下來(lái)。

并聯(lián)諧振時(shí)，我們很少考慮其器件的耐壓?jiǎn)栴}，更重要的是考慮電路中器件是否能承受大電流而穩(wěn)定工作。

PWM控制原理

 把圖中的正弦圖形分成寬度相等的N等份，顯然這N份的幅值必定不相同。假設(shè)這些圖形為脈沖，我們現(xiàn)在要用數(shù)量相同的矩形脈沖來(lái)替代它們，利用的就是我們?cè)凇峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》中所學(xué)的面積等效原理。把新產(chǎn)生矩形脈沖的中點(diǎn)和正弦波的中點(diǎn)重合，得到了右半部分的圖形，這就是我們所要使用的PWM波，同樣是按照正弦規(guī)律變化的。

 

即下來(lái)說(shuō)一下器件的選擇

  電源電壓轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)供電選擇12V供電，同時(shí)為IR2104部分供電，但是電路中使用的單片機(jī)和數(shù)碼管都需要5V供電。LM7805是我們經(jīng)常使用的穩(wěn)壓芯片，它可以輸出穩(wěn)定的5V電壓，使用時(shí)為避免芯片發(fā)熱影響系統(tǒng)性能，通常輔以散熱器對(duì)其降溫，提高性能。本設(shè)計(jì)使用的LM7805芯片實(shí)物圖如圖所示。從左到右依次為輸入腳，接地腳以及輸出腳。

 控制芯片

本無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，該芯片有很強(qiáng)的兼容性，并且速度比普通的51單片機(jī)更快，價(jià)格與之相差不多。在燒錄程序時(shí)也十分方便，使用開(kāi)發(fā)板或者下載器都可以給其下載程序，且可以多次擦除和燒錄，使得系統(tǒng)的調(diào)試更便捷。STC12C5A60S2系列單片機(jī)引腳如圖所示。

驅(qū)動(dòng)電路器件

此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路主要部分是IR2104，該芯片適用于中小功率場(chǎng)合，外圍電路簡(jiǎn)單，是常用的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片之一，同時(shí)兼容3.3V和5V輸入。IR2104內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖所示。

SD為保護(hù)信號(hào)輸入端,HO和LO不論在任何信號(hào)下輸出的都是相反的電平。這樣就不可能讓上下橋臂完全導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)的MOSFET幾乎不可能發(fā)生擊穿。IR2104這種工作方式有效的保護(hù)了器件及電路。

驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)橋臂的MOSFET采用IRF3205，由于該芯片的制造工藝技術(shù)較為先進(jìn)，所以導(dǎo)通阻抗是非常低的。同時(shí)它轉(zhuǎn)換速率也是非?？斓?，HEXFET設(shè)計(jì)又十分堅(jiān)固耐用，據(jù)了解芯片耐流值為110A，耐壓值為55V。

線圈材料選擇

由于趨膚效應(yīng)會(huì)使線圈電能損耗增大，所以接收線圈和發(fā)射線圈均不采用單股漆包線而用多股銅芯線，以此增大電流流通的截面積，減少線圈上的電能損耗。同時(shí)，考慮到該設(shè)計(jì)是為日常照明系統(tǒng)供電，為了日常使用的便攜性，采用平面螺旋線圈結(jié)構(gòu)，該線圈結(jié)構(gòu)具有尺寸體積小、容易集成、不易變形、成本較低等一系列特點(diǎn)，適用于手機(jī)、平板電腦小功率電子產(chǎn)品和家用臺(tái)燈、風(fēng)扇等設(shè)備的無(wú)線供電使用。經(jīng)過(guò)使用電橋儀進(jìn)行測(cè)量，發(fā)射線圈電感量為：67.41uF，接收線圈電感量為：65.96uF，測(cè)試結(jié)果如圖所示。

諧振電容選擇

之前我們介紹過(guò)串聯(lián)及并聯(lián)諧振的原理，當(dāng)應(yīng)用到此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的影響。其中，諧振電路中的電感線圈通常是由漆包線或者利茲導(dǎo)線繞制而成，補(bǔ)償電容則需要選用耐高壓、高溫的電容構(gòu)成對(duì)應(yīng)與電感線圈的諧振補(bǔ)償電容組。

發(fā)射端為半橋驅(qū)動(dòng)電路，IR2104驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFET在一個(gè)工作周期內(nèi)交替工作，顧需采用兩個(gè)諧振電容與其搭配工作。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)MKPH高壓電容作為補(bǔ)償電容，考慮到這種電容工作在50KHz頻率左右時(shí)性能最好，所以初步將PWM波頻率設(shè)置為50KHz，后續(xù)設(shè)計(jì)再根據(jù)實(shí)際情況對(duì)頻率和電容的匹配進(jìn)行優(yōu)化。

整流二極管選擇

接收端線圈給電路交流電，設(shè)計(jì)中采用整流二極管進(jìn)行整流，從而供直流負(fù)載使用。通常在輸出端需要接大電容來(lái)對(duì)整流過(guò)后的輸出是直流脈動(dòng)電壓波形進(jìn)行平滑處理，具體的容值大小與所接負(fù)載有關(guān)。整流二極管的選擇與交流電壓的工作頻率、輸入電壓峰值等因素相關(guān)。本文研究的主要是中小功率用電設(shè)備的無(wú)線供電，設(shè)備額定功率功率小于10W，所以整流二極管的反向耐壓和承受功率需要滿足要求。

結(jié)合以上幾個(gè)方面，本設(shè)計(jì)選的1N4007是封裝形式為DO-41的塑料封裝型通用硅材料整流二極管，該管廣泛應(yīng)用于各種交流變直流的整流電路和橋式整流電路。如圖所示為1N4007實(shí)物圖。

輸出端穩(wěn)壓模塊

要用本系統(tǒng)給手機(jī)充電，必須保證系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的5V電壓。然而，由于低功率的原因，當(dāng)線圈距離較遠(yuǎn)時(shí)，輸出電壓往往低于5V，故此設(shè)計(jì)采用性能良好的升壓穩(wěn)壓模塊輸出5V電壓后為手機(jī)充電。本設(shè)計(jì)采用MT3608穩(wěn)壓模塊進(jìn)行穩(wěn)壓，該模塊可把輸入2V-24V的電壓轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)所需要的穩(wěn)定的5V電壓，從而為手機(jī)充電

接下來(lái)是系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

發(fā)射端 電源電路

設(shè)計(jì)采用學(xué)生電源為其供兩個(gè)12V直流電，由于單片機(jī)和顯示數(shù)碼管運(yùn)行需使用5V供電，所以需要一個(gè)降壓電路，才能產(chǎn)生二者的工作電壓。該電源電壓降壓電路如圖所示。

發(fā)射端 控制電路

本系統(tǒng)的控制電路主要采用STC12C5A60S2單片機(jī)，利用五個(gè)按鍵對(duì)單片機(jī)輸出的PWM波形進(jìn)行控制，其中兩個(gè)調(diào)節(jié)波形的占空比增大減小，兩個(gè)控制輸出波形頻率升高或降低，剩余一個(gè)按鍵控制調(diào)整時(shí)的粗調(diào)和細(xì)調(diào)。該控制電路如圖所示。

  驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用IR2104驅(qū)動(dòng)的半橋電路對(duì)單片機(jī)發(fā)出的PWM波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)，該方案相對(duì)于單管驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，降低了MOSFET的工作強(qiáng)度，有利于提高電路的穩(wěn)定性；而且不需要像全橋那樣使用四個(gè)MOSFET。該半橋驅(qū)動(dòng)電路不僅易于設(shè)計(jì)，而且驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)、外圍器件不算多同時(shí)不缺乏穩(wěn)定性。此半橋驅(qū)動(dòng)電路如圖所示。

 顯示模塊

通過(guò)按鍵，改變PWM波的占空比，通過(guò)數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管采用4位共陽(yáng)極3641BS數(shù)碼管顯示按鍵數(shù)字1-9，每按一次，增加PWM波占空比，從1到9，依次增加，同時(shí)接收端的燈泡越來(lái)越亮。數(shù)碼管模塊接線如圖所示。

接收端整流電路

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，接收線圈的作用是把接收到的磁能轉(zhuǎn)化為交流電。而本設(shè)計(jì)的負(fù)載使用直流電，所以需要進(jìn)行整流和濾波。整流濾波電路如圖所示。

接收端穩(wěn)壓電路

該穩(wěn)壓電路電壓可調(diào)，因?yàn)楝F(xiàn)為手機(jī)充電，所以設(shè)置為5V即可。穩(wěn)壓電路原理圖如圖

PCB設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)發(fā)射端PCB時(shí)，在完成電路之后，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于大功率電路的線路進(jìn)行了加粗，為了使信號(hào)更加流暢，在拐角處進(jìn)行優(yōu)化，更加平滑。為了讓系統(tǒng)更加耐用，在電流大的地方在焊接時(shí)進(jìn)行鍍錫，增大電流的通路。如圖4.5所示，由于實(shí)際布線為平面型，該圖與設(shè)計(jì)原理圖走線有所差異，但基本原理相同。

接收端PCB圖

接收端PCB圖較為簡(jiǎn)單，需要注意的是需要預(yù)留大量的并聯(lián)電容口對(duì)線圈電感進(jìn)行補(bǔ)償，以此加大系統(tǒng)的傳輸距離。接收端PCB圖如圖

使用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波的方法有很多種，但目前最主流的就是軟件延時(shí)和定時(shí)器產(chǎn)生。軟件延時(shí)法為了達(dá)到模擬PWM的效果，需要使用延時(shí)函數(shù)來(lái)控制高低電平持續(xù)的時(shí)間。定時(shí)器則與之完全不同，采用溢出中斷來(lái)控制PWM波，在中斷中改變電平是“1”還是“0”，在程序繁瑣、操作復(fù)雜時(shí)基本上不受干擾。故本設(shè)計(jì)采用第二種方法產(chǎn)生所需的PWM波

圖為主程序流程圖

圖為頻率調(diào)節(jié)程序流程圖

圖為占空比調(diào)節(jié)程序流程圖

圖為程序編譯結(jié)果截圖

部分源代碼

#include "reg52.h"
#include "math.h"
#define  uchar unsigned char
#define  uint unsigned int
#define  ALL  65536     //定時(shí)器工作方式1時(shí)，最大基數(shù)長(zhǎng)度 65536；
#define  F_osc 12000000    //晶振頻率12M；
//------------------------------------------------------------------------------------
// 各端口定義；
//------------------------------------------------------------------------------------
sbit KEY_F_UP=P0^2;      //頻率上調(diào)按鈕；
sbit KEY_F_DOWN=P0^3;     //頻率下調(diào)按鈕；
sbit KEY_W_UP=P2^0;      //脈寬上調(diào)按鈕；

sbit KEY=P0^1;       //粗細(xì)調(diào)節(jié)按鈕-----按下為粗調(diào)，否則為細(xì)調(diào)；
sbit OUTPUT=P2^5;     //波形輸出；
//------------------------------------------------------------------------------------
//全局變量聲明；
//------------------------------------------------------------------------------------
uchar TIMER0_H,TIMER0_L,TIMER1_H,TIMER1_L; //定時(shí)器0和定時(shí)器1的初值設(shè)置；
uchar PERCENT=50;        //初始占空比；

float temp;         //臨時(shí)全局變量，用于數(shù)據(jù)傳遞；
//-----------------------------------------------------------------------------------
//函數(shù)聲明；
//-----------------------------------------------------------------------------------
void delay(uchar t);       //延時(shí)函數(shù)，用于按鍵去抖；
void init();         //初始化函數(shù)，用于定時(shí)器的初始化；
void calculate_F();       //頻率計(jì)算函數(shù)，當(dāng)頻率變化，計(jì)算出定時(shí)器0初值；
void calculate_W();       //脈寬計(jì)算函數(shù)，脈寬變化時(shí)，計(jì)算出定時(shí)器1初值；
void key_scan();        //按鍵掃描函數(shù)；
void timer0();        //定時(shí)器0中斷函數(shù)；
void timer1();        //定時(shí)器1中斷函數(shù)；

void delay(uchar t)
  {
   uchar i,j;
   while(t--)
    {
     for(i=0;i<100;i++)
     for(j=0;j<100;j++)
     ;
     }
    }


void calculate_W()
  {
   float TEMP;
   TEMP=(1-PERCENT/100.0)*ALL+temp*PERCENT/100.0;
   TIMER1_H=(uint)TEMP/256;
   TIMER1_L=(uint)TEMP%256;
  }

    void key_scan()
  {
   delay(4);
   if(!KEY_F_UP)     //頻率上調(diào)鍵按下；
    {
     FLAG_F=1;    //置標(biāo)志位；
     if(!KEY)
      FREQ+=10;
     else
      FREQ++;
     if(FREQ>50000)
      FREQ=1;
     }
   else if(!KEY_F_DOWN)   //頻率下調(diào)鍵按下；
    {
     FLAG_F=1;    //置標(biāo)志位；
     if(!KEY)
      FREQ-=10;
     else
      FREQ--;
     if(FREQ<1)
      FREQ=50000;
     }
    else if(!KEY_W_UP)    //脈寬上調(diào)鍵按下；
    {
     FLAG_W=1;    //置標(biāo)志位；
     if(!KEY)
      PERCENT+=5;
     else
      PERCENT++;
     if(PERCENT>49)
      PERCENT=1;
     }
    else if(!KEY_W_DOWN)   //脈寬下調(diào)鍵按下；
    {
     FLAG_W=1;    //置標(biāo)志位；
     if(!KEY)
      PERCENT-=5;
     else
      PERCENT--;
     if(PERCENT<1)
      PERCENT=49;
     } 
     else ;
     }


  void timer0() interrupt 1
    {
    TH0=TIMER0_H;
    TL0=TIMER0_L;
    TR1=1;      //開(kāi)定時(shí)器1；
    OUTPUT=1;
    }

main()
      {
    init();
    while(1)
     {
      key_scan();
      if(FLAG_F)     //改變頻率時(shí)要注意要進(jìn)行脈寬的重新設(shè)置；
       {
        calculate_F();
        calculate_W();
        FLAG_F=0;
        }
       if(FLAG_W)     // 脈寬改變，頻率不改變；
       {
        calculate_W();
        FLAG_W=0;
        }
        }
}

系統(tǒng)搭建與性能優(yōu)化

前幾部分對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，并進(jìn)行器件選擇、電路及程序設(shè)計(jì)，現(xiàn)需將各部分電路焊接到PCB板上，接上線圈。連接實(shí)驗(yàn)用學(xué)生電源及示波器進(jìn)行無(wú)線供電系統(tǒng)的性能測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)物如圖

這是當(dāng)時(shí)用覆銅板做的電路

發(fā)射

接收

線圈

最佳傳輸距離

太遠(yuǎn)了吧，效率低，到最后變成收音機(jī)天線了。

低功率無(wú)線供電，可以，適用于現(xiàn)在的發(fā)光系統(tǒng)上。不錯(cuò)

這個(gè)線圈驅(qū)動(dòng)的效率怎么樣？驅(qū)動(dòng)電流多大？

這么遠(yuǎn)的距離通信，信號(hào)衰減很大的。看來(lái)是發(fā)射功率很大。