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无线电电子学论文 基于单片机的无线电能传输装置的设计

无线电电子学论文 基于单片机的无线电能传输装置的设计

2018-11-27 17:08:35来源:期刊投稿网作者:婷婷
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  摘 要:本设计做了无线电能传输,通过设计硬件和软件实现能量的传输和实验测试,系统主要通过单片机STC89C52和显示OLED显示屏,还有就是超声波测距模模块组成了一个硬件系统。这个方案主要就是通过震荡电力,功率放大电路,负载电力,电源接受等部分,还有就单片机控制系统,显示测距的模块,需要知道传输的效能和距离,这个是很有用的,这个系统具有负载检测的能力,当负载进入充电的地方时,距离小于10cm的时候,蜂鸣器就可以提示,通过OLED显示距离,也就是接受和发送线圈的距离,经过测试,这个平台效率是很高的,证明系统结构和设计方法是合理的,接受端采用供电和充电的2种模式,可以给台灯充电还可以给手机充电,系统都可以正常的工作。

  关键词:无线电能传输 效率 振荡电路 负载检测

无线电电子学论文 基于单片机的无线电能传输装置的设计

  1. 引言

  1.1 背景意义

  无线电能传输技术是近几年来兴起的一种新型能量供应方式。传统通过金属接触直接供电的电能传输方式,存在如滑动磨损、接触火花、不安全导体裸露等隐患。为了改善传统电能传输方法等诸多不足,在一些易燃、易爆、潮湿的特殊环境,可以在不接触的情况下,完成电能的高效传输。无线能量传输技术近年来得到了极大的发展,在诸多领域得到了广泛的应用。该技术不依赖于有线的传输媒介,对于有线供电部署困难的场景尤其是人体内部医用装置的供电具有重要意义。

  无线电能传输技术的起源可以追溯到电磁波的发现。1865年,麦克斯韦在前人实验的基础上,归纳出著名的麦克斯韦方程组,理论上预见了电磁波的存在。1888年,赫兹通过实验成功地“捕获”了电磁波,从而为电信号的无线传输奠定了坚实的基础,也为电能的无线传输提供了发展的可能。

  继电磁波发现不久,伟大的发明家特斯拉就开始了无线电能传输技术的探索,在其专利“电气照明系统”中通过改进赫兹波发射器的射频电源,提出了无线电能传输的伟大设想;1893年,特斯拉在哥伦比亚世界博览会上,在没有任何导线及其他物理连接的情况下,隔空点亮了一盏磷光照明灯。

  特斯拉展示的照明灯无线电能传输实验装置如图1所示[7],发射端由高频交流电源、变压器、发射线圈P、电火花间隙开关S. G和电容器C组成;接收端由接收线圈S和一个40W的灯泡组成;发射线圈与接收线圈直径均为24in(1in=0.025 4m,24in大约60cm),匝数见图1中标注。

  当发射线圈电感L与电容器C以高频交流电源的频率发生串联谐振时,电容器C上产生的谐振电压将击穿电火花间隙开关S. G,使发射线圈P与电容器C经S. G短路发生串联谐振,发射线圈P上流过的谐振电流产生磁场,耦合到接收线圈S,转换成电能将灯泡点亮。该装置可以在发射线圈和接收线圈相距1ft(1ft=0.304 8m,大约30cm)范围内工作。

  从尼古拉.特斯拉提出这个无线充电的概念和思路之后,就有很多人去研究,到初步实施,从而打开了许多的探索的大门,主要事迹有07年的美国麻省理工大学使用电磁共振器和电源通过无线的方式,让一个2米远的灯打开了60W的灯泡,这个是很有意义的。另外还有日本某家公司推出电磁感应的原来的电源供电系统,日本富士通实现核磁共振实现无线充电,11年世界上的第一个无线的电动汽车也在运营,12年诺基亚发布无线的智能手机,13年机场有提供无线充电的充电器,在苹果公司也出现了保护外套的的综合电感技术。国内有无线充电鼠标,比亚迪有非接触充电专利在电动汽车上,还有就是海尔的无尾电视,在08年成了无线电联盟,诞生了很多的无线充电的规范和文档,无线充电开始在手机等电子可携带设备上,逐步的在很多的领域都使用了,比如说在医疗交通,或者在本设计的日常生活中都出现它的影子,电动牙刷,从而方便本设计的生活,为本设计提供很多的服务。

  1.2国内外发展现状

  无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)技术是指无需导线或其他物理接触,直接将电能转换成电磁波、光波、声波等形式,通过空间将能量从电源传递到负载的电能传输技术,因此又被称为非接触电能传输(ContactlessEnergy Transfer, CET)技术。该技术实现了电源与负载之间的完全电气隔离,具有安全、可靠、灵活等传统电能传输方式无可比拟的优点,因此得到了国内外学者的广泛关注。

  无线电能传输是人类一百多年来孜孜不倦追求的目标,该技术是一个多学科交叉的前沿技术,涉及电学、物理学、材料学、生物学、控制科学等多个学科和领域。无线电能传输可以有效地克服裸露导体造成的用电安全、接触式供电的火花、接触机构的磨损等问题,并避免在潮湿、水下、含易燃易爆气体的工作环境下,因导线式或接触式供电引起的触电、爆炸、火灾等事故。

  无线电能传输技术的出现还促进了大量新型应用技术的产生,如植入式医疗设备的非接触式供电、超高压/特高压杆塔上监测设备的非接触式供电、家用电器的非接触式供电、移动设备的非接触式供电及电动汽车的无线充电等。伴随着智能电网和能源互联网的发展,电动汽车的无线充电技术将极大地促进新能源汽车产业的发展。

  此外,在太空领域,还可以通过无线电能传输方式把外太空的太阳能传输到地面、在航天器之间实现无线电能传输;在军事领域,无线供电可以有效地提高军事装备和器械的灵活性和战斗力。因此,世界主要发达国家都十分重视无线电能传输技术的研究,美国麻省理工学院主办的《麻省理工技术评论》杂志已将无线电能传输技术列为引领世界未来的十大科学技术之一[4]。

  从尼古拉.特斯拉提出这个无线充电的概念和思路之后,就有很多人去研究,到初步实施,从而打开了很多的探索的大门,主要就是07年的美国麻省理工大学使用电磁共振器和电源通过无线的方式,让一个2M远的灯打开了,60W的灯泡,这个是很有意义的。还有就是日本的一家公司推出电磁感应的原来的电源供电系统,日本富士通实现核磁共振实现无线充电,11年世界上的第一个无线的电动汽车也在运营,12年诺基亚发布无线的智能手机,13年机场有提供无线充电的充电器,在苹果公司也出现了保护外套的的综合电感技术。国内有无线充电鼠标,比亚迪有非接触充电专利在电动汽车上,还有就是海尔的无尾电视,在08年成了无线电联盟,诞生了很多的无线充电的规范和文档,无线充电开始在手机等电子可携带设备上,逐步的在很多的领域都使用了,比如说在医疗交通,或者在本设计的日常生活中都出现它的影子,电动牙刷,从而方便本设计的生活,为本设计提供很多的服务。

  2 系统方案选型与论证

  2.1系统功能设计

  本系统的主要功能:在一定远的距离下实现电能以非接触的方式传送到负载设备。

  (1)无线电能传输技术应用前景的分析。

  (2)无线电能传输技术的功能与性能要求。

  (3)系统总体设计方案。基于磁场耦合谐振的无线电能传输装置由高频驱动电路、发射回路和接收回路组成。

  (4)无线电能传输装置的硬件设计。利用分立元件NE555为核心的信号发生模块、磁耦合谐振电路等实现其功能。

  (5)无线电能传输装置的硬件仿真连接、调试。

  (6)无线电能传输装置的实物开发与介绍。

  2.2 模块选择论证

  2.1.1 单片机模块论证与选择

  方案一:采用51单片机

  stc89c52是来自台湾宏晶科技的单片机,这个单片机主要是使用者太别多,网上的资料和例子也很多,所以就容易作为本科选择单片机的首选了。价格也不高,而且管脚少,容易学习和理解。这个芯片不需要设置太多的东西就可以进行使用芯片内部外设比较少,网上资料也比较多,而且程序设计的比较简单,容易理解,对入门来说很好的一款选择,系统选择这个单片机。

  方案二:飞思卡尔KL16

  内核为Cortex-M0+。该系列MCU有个特色,具有外部时钟监视功能,一旦外部时钟丢失,将会触发系统复位或者中断(可配置)。这对外部时钟失效后及时启用内部时钟提供了保障,只是内部RC振荡器稳定性及精度可能要差一些,RTC将不再精准。

  现在外部晶振使用的是EPSON 32768Hz,通过内部FLL倍频为内核及总线提供时钟。该晶振有12.5pF负载电容的(常用),与单片机的负载电容需要匹配到最佳,才能获最佳精度。改系列单片机可启用内部(2,4,8,16pF)负载电容,所以晶振直接接了单片机引脚,无需外挂负载电容,只需开启内部的就能达到不错的精度,每天误差一秒之内。

  方案三:采用STM32F103RBT6的MCU(微控制器)。

  STM32单片机也是一个很多资料和大量使用的芯片,主要就是这个芯片的管教多功能强大,对于本科设计没有太多的必要,而且下载需要jlink还要配置很多的环境,虽然功耗低,抗感染能力强,但是使用需要配置很多的管脚参数,代码虽然有库支持,但是需要学习和实际做几个设计才可以掌握,所以综合,本设计还是选择了stc单片机,价格和系统实现比较简单,所以不需要太多的对芯片本身功能的要求,所以这样去选择了控制器。

  2.1. 2 显示模块论证与选择

  方案一:

  数码管LED在显示中应用也比较广泛,对于单片机来说,占用资源少,显示的数字清晰度也可以,在太阳光下也可以清晰的看到数字,但是不能显示字符,连接的电路比较复杂,接线焊接麻烦,对于程序来说需要来定时器和中断,不断刷新,所以设计软件也比较麻烦,花费时间也比较多,所以一个方案不在选择的里面。

  方案二:

  点阵式数码管,原理也是很多数码管在一起来去显示,可以显示字符和数字,清晰度和数码管差不多,编程模式也类似,但是显示字体和数字多的话就要选择大的点阵,这样价格和功耗就大了,所以选择这个也是不可取的。

  方案三:

  OLED是一个发光的二极管,这个是一个发光材料,很大的显示空间,在很多的手机平板电脑上都使用这个模块,这个是下一代的显示应用的新的领域,这个LCD都需要背光,但是OLED是不需要的,因为这个自己发光,显示效果OLED也很好,所以说OLED可以保证分辨率做的很好。同时廉价、彩色比较艳丽、可携带、温度适应性高、图像画质稳定、分辨率高、可弯曲等特性,

  3 系统硬件设计

  在本次设计电路中,本设计采用超声波测距电路来研究传输效率与传输距离之间的关系,整个超声波测距系统的主控芯片是51单片机,本设计通过显示模块实时显示发射线圈与接收线圈平面之间的距离,也就是传输距离,建立传输距离与传输效率间的数据对应关系。再通过报警提示模块根据设定条件来判断是否报警提醒。超声波测距模块将发射模块与接收模块之间联系起来,使得实验阶段数据获得更加方便,也使得系统功能更加丰富。整体系统框图 如图1所示:

  图1 系统整体框图

  3.1 主控模块电路设计

  本系统采用的单片机是stc89c52,这个单片机功耗低,价格便宜,内部有8Kflash支持在线可编程,内部存储区,使用高密度存储技术制造,这个作为嵌入设备是个很好的选择,256ram,32个io,三个16位定时器,内部也有时钟电路,两个串口,还有掉电保护机制,节电模式和空闲模式。 最小电路包括供电模块和晶振电路,主要就是这两个电路模块,竞争产生内部的时序基础,供电模块主要是纹波要小,这样系统才能稳定的工作和更好的运行在干扰多的环境中。

  STC89C52的主要优点:

  拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash

  (1)晶片内部具时钟振荡器(传统最高工作频率可至 12MHz)

  (2)三级加密程序存储器

  (3)全双工UART串行通道最大程度的集成整合

  (4)易于开发,可使产品快速将进入市场

  STC89C52在本设计中发挥着至关重要的作用,它是这个系统的控制核心。STC89C52与外围的硬件相连,单片机采集DS1302采集时间信息,通过数据总线传输给LCD实时刷新显示。STC89C52引脚图 如图2 所示,其最小系统电路图如图3所示。

  图2 STC89C52引脚图

  晶振电路 复位电路

  图3 最小系统电路

  3.2 电源模块电路设计

  LM7805稳压电源电路中,各个电容都有各自的作用,其中C1 为整流滤波电容,它把整流后的脉动波形滤波为脉动纹波很小的直流电压,它的容量与负载有关,一般说,负载越重,C1的值要求越大,具体计算此处从略。C2 为LM7805稳压集成电路所要求的,尤其当LM7805与整流电路的滤波电容(此处为C1)不是紧紧连接的情况更是必不可少的,它用于稳定LM7805内部放大器的工作状态,它的数值生为产厂家规定值,不得小于0.33微法,它的连接必须尽可能紧连LM7805的1脚和2脚。C3也为LM7805稳压集成电路所要求的,它用于稳定LM7805内部放大器的工作状态,同时改善电压调整的过渡响应。它的数值为生产厂家规定值,不得小于0.1微法,它的连接必须尽可能紧连LM7805的3脚和3脚C4为负载电路退耦电容,它对负载提供一个端距离的本地回路,其数值与负载工作方式有关。通过LM7805实现输出5v,通过电容滤除杂波。 电源电路如图4所示:

  图4 电源模块电路

  3.3 显示模块电路设计

  SSD1306是一个128×64点阵液晶显示模块,它内部压力的作用,便于本设计的电路设计,在这里,你可以节省电路,设计,即便如此,也可以选择外部助力,自然,SSD1306每一页包含128个字节,共8页,其中正是128×64.this尺寸从1.3英寸OLED驱动IC ssd1106略有不同,这是每页132字节和8页。因此,有必要对0.96-inch显示地址转换成0.96-inch OLED在1.3英寸OLED项目的抵销权,这样的显示是正常的。否则,当你使用1.3英寸、1.3英寸屏幕的右边有4像素,是不正常的或完全白色。其他SSD1306和Ssd1106是不同的。四针 IIC 接口相对比较简单一些,只有两个信号线,如图5所示:

  1. GND 电源地

  2. VCC 电源正(3~5.5V)

  图5 OLED模块

  3.3 超声波测距电路设计

  HR SR04超声集成模块有发射的探头和超声波接受的探头,CX20106A芯片,7LS04等组成的模块,这个是一个集成的模块,主要的的电压工作为5V,此模块的电力静态工作电流小于2mA,所以具有很低的功耗,工作稳定,最大的一个是它的感应角度不大于15,这可以减少大的部分可能存在的角度干涉问题,该模块具有以下几个优点:测量范围宽,从0.02m到5 m,基本满足范围要求;测量精度高,精度可达0.3厘米,盲区仅为2厘米,满足设计的范围要求,该范围相对稳定,外界环境干扰较小。

  这个HRSR04超声模块,使用的I/O触发的一个机制,主要就是通过10个电平信号触发,另外,这个模块发送方波信号,自动检测系统的返回信号,检测到I/O数据就输出高电平,这个时间就是高电平返回的时间,超声波发送到接受,就是传输的声音的长度,计算得到距离。超声波测距电路如图6所示:

  图6 超声波测距电路

  3.4 方波发生器电路设计

  NE555由三个电阻分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲器逆变器G4组成,引脚分布:

  1脚是接地端;脚是低电平触发器(因此是低电平触发脉冲);

  6脚是一个高电平触发器(因此是高电平触发脉冲的输入);

  3脚为输出端子(输出电压约1V~3V,输出电流可达200毫安,可作为驱动源);

  脚是电源端(输入电压范围在5V和18V之间)。其外部接线图如图7所示:

  图7 NE555外部接线图

  单个周期内,电路的充电时间

  (3.1)

  输出的方波频率为

  (3.2)

  由于NE555输出端输出的信号电流有限,所以有时不能完全驱动功率放大管工作,导致大多数能量损失在功率管上,以热量的形式损耗。本设计引入图腾柱电路实际上是一个电流放大电路,为完全驱动功率管提供足够的灌电流和拉电流。

  3.5 系统硬件的集成

  实物焊接本设计,电路设计和代码设计完成后,需要下载到实物,这个时候,对于简单的系统本设计可以着手去买一些元器件去焊接,通过电烙铁去养成这些组件的连接。所以焊接也是很重要的技能,虽然本设计做产品的时候,批量是使用自动贴片机,但是对于维修调试设备,还是需要这个技能的,所以本设计简单的总结一下本设计在实际操作过程中的经验,首先本设计知道有正握反握,握笔式三种,焊接和调试本设计使用握笔的比较多。 手工焊接的几个步骤: 准备焊接首先把需要焊接的芯片周围清理干净,然后把其他芯片左右移动一下,这样就可以防止被碰到导致加热去掉芯片管脚,加热,涂上松香,然后加热,均匀有节奏的去加热,使整个芯片管脚都得到热量,然后去移动芯片,看看能不能移走或者焊接是不是牢固,清理焊接面,主要就是清理焊锡和看看焊点是不是光滑和牢固。 手工焊接对焊点的要求是,电连接性能良好;有一定的机械强度;光滑圆润。造成焊接质量不高的常见原因是:冷焊,加热不够或者温度过低这些原因导致的,焊锡过来那个,松香残留多导致。

  4 软件系统设计

  4.1 系统总体流程设计

  这个程序设计需要计算,本设计不再需要对单片机结构寄存器结构太多的了解了,通过这个c语言可以模块化编程,可以很好的移植程序,形成很多的模块,很多编译器都支持c语言开发编译,这样可以很容易的把编写的代码快速的移植到其他开发环境中使用,还有转能讲51单片机的keilc51程序设计的书籍。

  这是最基础的语言,主要是对硬件控制,底层驱动,还有就是能够很好的与硬件打交道,还有就是基本的语法,需要注意的是基本的数据类型,还有对数组指针这些也要学习好,对于完成数据读取和设置参数很有用。还有就是对于局部变量,全局变量的定义和使用,主要就是对于这些变量的管理,比如一个协议需要一种数据结构,通过定义结构体或者数据存储协议实现对数据的管理,这个其实在实际编程中很重要,也很实用。还有就是结构体和数据结构这些知识点都需要掌握住。对于一个抽象的事情,往往通过一个变量定义不了,或者不能很好的把这些关系弄好就需要通过结构体定义,很快就可以通过数据定义表达其关系。这样可以减少程序很多的逻辑处理,这是数据内部就可以表达了,所以可以封装。对外提供一个接口。函数思维,主要就是要把基本的,通用的函数功能和数据处理算法封装好,调用,对于外设驱动可以按照一定的模型编码实现,这些就在编程模型里面总结。

  编程模型主要对于单片机应用,主要是对C语言,完成对基本外设控制和基本算法实现,通过输入输出来去完成系统的功能。比如本设计知道一个单片机系统,定义成一个产品,也就是大概这几个硬件资源,显示,按键,指示灯,通信,存储等,对于一个单片机来说,输入包括很多,其中一个最大的类就是传感器,传感器本设计常用的比如湿度传感器,温度传感器,还有就是加速度传感器等这些带走传感器的,完成简单的模拟信号到数字信号转化,还有就是读取外部数据通过总线,比如I2C SPI,等这些来去连接单片机和外设,完成对外部芯片的控制,进而完成驱动,基本上就是驱动层,其实对于驱动来说,需要的就是总线协议和不同的芯片,就是总线匹配和设备层,驱动是对于一类设备来说,而具体到哪个芯片就是设备和接口,最后对于设备功能层提供驱动接口,然后通过定义标准的功能层接口,发送数据等这些,还有就是等待数据来,中断等,轮询等这些,通过这些抽象实现对外设统一的封装接口,然后就形成了单片机和外设接口,那么统一去处理的这些又可以抽象为操作系统和外设接口,所以对于外设 单片机最后通过操作系统完成标准操作接口,这些接口对于应用成就是操作系统提供的系统函数,然后在上面完成很多通用功能,这样就对接到一些库函数,第三方函数,比如通信库,数据处理库等,然后就是业务处理函数,这些对于某个特定的业务也是统一的,独立的,完整的,调用第三方库完成基本的业务整个系统就很简单了。

  4.2 系统软件框图

  C语言是一门强大、通用的计算机编程语言,它允许程序直接访问物理地址,在程序中可以直接对硬件地址进行操作,程序完成之后通过编译链接生成机器码,这个不需要什么环境就可以运行的程序,这个采集温度的传感器生产的数据不是太多,环境变化的缓慢,故本次毕业设计采用C语言编程。与其他语言相比,C语言有很多的优点,比如说简单,目标代码质量好,具有很强的表达性。通过以上对硬件原理分析以及电路设计,然后是软件程序设计,软件设计大致有以下过程:确定系统功能,建立程序流程框图,分模块程序设计,综合子模块构成总程序。

  系统程序主要包括主程序、显示数据子程序、报警子程序和按键子程序等。 主程序的主要功能是负责距离的显示、读出并处理超声波的测量距离值,按键控制有效距离限制,当测量的值超过预设值时,蜂鸣器发声报警。主程序流程图如图8所示。

  图8 主流程图

  4.3 OLED显示流程图

  主要程序:

  1. void OLED_Init(void):初始化OLED液晶显示屏

  2. void LCD_WrCmd(byte cmd):写指令函数

  3. void LCD_WrDat(byte data):写数据函数

  //IIC Start

  static void Oled_IIC_Start(void)

  {

  OLED_IIC_SCL_H();

  OLED_IIC_SDA_H();

  OLED_IIC_SDA_L();

  OLED_IIC_SCL_L();

  }

  //IIC Stop

  static void Oled_IIC_Stop(void)

  {

  OLED_IIC_SCL_L();

  OLED_IIC_SDA_L();

  OLED_IIC_SDA_H();

  OLED_IIC_SCL_H() ;

  }

  OLED流程图如图9所示:

  图9 OLED流程图

  5 测试方案与测试结果

  5.1 测试方案

  (1)在接收端后面接上功率负载,调节功率电阻阻值,由3A 30V直流学生电源提供电能。

  (2)测量发射端和接收端电压值和电流值,从而计算效率;

  (3)调节发射端与接收端的最远距离使灯泡发光。

  图5.1系统实物图

  5.2 测试过程及结果

  测试过程中出现的问题:

  (1)自激振荡电路部分有时会不稳定,尤其是当线圈与电容不匹配时会发生短路,但是在当初电路设计没有考虑到这一点,所以到后期开始测试阶段电路经常出现问题;

  (2)线圈与电容的匹配问题,磁耦合谐振无线电能传输基于发射和接收端电感和电容谐振,从而实现无线电能传输,但是在匹配时需要计算好数据,当电容数据不能满足要求时电路不能正常工作。

  测试结果:

  系统采取的2个额定的;1W的LED作为负载,在NE555输出信号,这个震荡信号是440KH在,输出功率的定义为输出的电源的电压和电流乘积,由此定义得出电源输出功率。

  当发射和接受线圈的距离变化的时候,这个电压也是会随着改变,当距离增大的时候,磁场就很弱,电压变小,如果距离步进1cm,电压和电流功率大小如表1所示:

  表1测试结果

  由测试表 5.2得,该无线电能传输系统输出功率随着收发线圈距离的增加迅速衰减,在 0-15cm 的范围内可以点亮 2只 LED 。

  6 结语

  本设计实现了近距离的无线通信能量传输,采用电磁谐振耦合式无线能量传输技术,通过实验和理论的对接,完成基本的传输和功率设计,研究了一个无线电能系统。这个介绍了发射和接收电路的主要原理和设计方案,对于各个模块的功能和设计原则做了很多的详细的说明和解释,其接收、整流、滤波、稳压都做了很多的详细的说明。通过不断地实践与完善,这次设计取得了预期的效果,实现了预期的功能,当然还有很多值得改进与研究的地方,也希望在不久的将来,本设计的装置会走向在市场,大大提高人们的生活品质。

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