太阳能无线充电论文2 恢复.docx

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太阳能无线充电论文2恢复

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毕业设计（论文）

太阳能无线充电系统设计

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摘要

太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，在化石燃料日益枯竭的当下，各国都在开发太阳能相关发电产品。

而无线充电技术的发展已有一段时间，从第一代电感技术到目前第二代磁共振技术的发展，极大的推动无线充电将成为主流充电技术之一愿景。

美国家庭任何时刻平均有10台设备正连接电源，而随着互联设备的发展，这一数字还将继续增长。

通过无线充电技术，用户可以同时充电多台设备，而不必使用任何线缆。

未来，用户更可以使用同一无线充电板给多个设备无线充电，例如智能手机、智能手表和平板电脑充电，从而摆脱多种多样的有线充电器。

本文设计一套太阳能无线充电系统，将太阳能转换成电能，然后通过无线供电方式，为手机等设备供电。

首先，项目进行了相关文献查阅，帮助我们了解到目前太阳能无线充电系统的结构特点；然后寻找适合本系统的配件和元件，并采用PROTEL软件绘制原理图和PCB图，最后将PCB加工、焊接，得到太阳能无线充电系统硬件电路；最后针对实物进行数据测试和计算，获得电路相关电气参数。

关键词：

太阳能；无线充电；PROTEL；测试；

Abstract

Solarenergyisinexhaustiblebeinexhaustiblecleanenergy,fossilfuelsintheincreasingdepletionofthemoment,allthecountriesinthedevelopmentofsolarenergyrelatedpowerproducts.Andthedevelopmentoftheexistingwirelesschargingtechnologyforaperiodoftime,fromthedevelopmentofthefirstgenerationtothesecondgenerationofinductancetechnologyofmagneticresonancetechnology,greatlypromotingwirelesschargingwillbecomethemainstreamofthechargingtechnologyvision.Theaverage10devicesareconnectedwiththepowersupplyhasAmericafamilyatanytime,andwiththedevelopmentofInternetdevice,thisfigurewillcontinuetogrow.Throughthewirelesschargingtechnology,theusercansimultaneouslychargingmultipledevices,withouttheuseofanycable.Thefuture,userscanusethesamewirelesschargingplateforapluralityofdevicessuchaswirelesscharging,intelligentmobilephone,tabletcomputerintelligentwatchandcharging,soastogetridofvariouscablecharger.

Thispaperdesignsasolarpoweredwirelesschargingsystem,convertingsolarenergyintoelectricalenergy,andthenthroughthewirelesspowersupplymode,thepowersupplyequipmentsuchasmobilephone.

Firstofall,theprojectoftherelateddocuments,helpustounderstandcharacteristicsofthestructureofthecurrentsolarwirelesschargingsystem;andthenlookforthesystemofpartsandcomponents,andusesthePROTELsoftwaretodrawtheschematicandPCBmap,finallythePCBmachining,welding,getthesuncanwirelesschargingsystemhardwarecircuit;finallybasedonrealdatathetestandcalculation,obtaintherelevantelectricalparametersofcircuit.

Keywords:

Solarenergy ;wirelesscharging; PROTEL; test;

第1章绪论

1.1太阳能的意义

1.1.1化石能源

目前，全球使用的能源中，化石能源占很大比重。

但是，由于化石能源是不可再生能源，所以带来的问题也非常多。

主要有以下几个方面：

（1）能源短缺：

由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。

从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。

因此，如不尽早设法解决化石能源的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面；

（2）环境污染：

当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成酸雨，严重污染水土。

这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决；（3）温室效应：

化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的温室气体而产生温室效应，引起全球气候变化。

这一问题已提到全球的议事日程，其影响甚至已超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国二氧化碳等温室气体的排放量。

[1]

1.1.2太阳能介绍

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。

太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。

通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。

[1]

二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：

一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。

这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。

[2]

70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。

1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。

1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。

日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。

德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。

90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。

开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。

[2]

1.1.3太阳能资源及其开发利用特点

（1）储量的“无限性”

太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。

太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023kW，其中到达地球的能量高达8×1013kW，相当于6×109t标准煤。

按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。

太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间可以说是无限的。

相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。

这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。

[1]

（2）存在的普遍性

虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。

这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。

[1]

（3）利用的清洁性

太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。

[1]

（4）利用的经济性

可以从两个方面看太阳能利用的经济性。

一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性，如太阳能热水器一次投入较高，但其使用过程不耗能，而电热水器和燃气热水器在使用时仍需耗费，有关研究结果表明，太阳能热水器已具很强的竞争力。

随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。

[1]

1.2无线充电器的意义

物理学家早就知道，在两个共振频率相同的物体之间能有效地传输能量，而不同频率物体之间的相互作用较弱。

歌唱家演唱能将装有不同水量瓶子中的一个震碎，而不影响其他瓶子就是这个道理。

这也好比我们荡秋千时，只需坐在上面让下垂的双腿同步摆动就能给秋千带来动力一样。

无线充电技术正是利用了这个原理。

同样，无线充电技术也应用了电磁波感应原理，及相关的交流感应技术，在发送和接收端用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的的一项技术，用户只需要将充电设备放在一个“平板”上即可进行充电。

无线充电器是指不用传统的充电电源线连接到需要充电的终端设备上的充电器，采用了最新的无线充电技术，无线充电技术在2007年获得了20项专利，多种设备可以使用一台充电基站、手机、MP3播放器、电动工具和其他的电源适配器的有线充电情况将不会存在了。

通过使用线圈之间产生的磁场，神奇的传输电能，电感耦合技术将会成为连接充电基站和设备的桥梁。

当前的大部分充电器，例如iPod和iPhone，都通过金属电线直接接触的方式，给设备内置电池充电。

无线充电技术的优势在于便捷性和通用性。

缺点就是效率低和只能提供电能。

而Apple的Dock连接器不仅仅提供电能，同时还能把音频和视频文件通过USB接口同步到设备上。

不过，无线充电技术还是会给WiFi和电池技术带来进步的。

对于不需要数据传输的设备来说，这一新技术将会大大减少用户所需各种充电器的数量。

另外，通过采用无线充电技术，公共移动设备充电站将会有可能成为现实。

第2章太阳能无线充电器总体电路设计

2.1总体电路设计需求

本设计是制作一套太阳能无线充电器，所以需要先进行太阳能稳压和无线充电电路的研究和设计。

之后，需要根据设计的电路进行电路板设计和组装，最后得到一套具有完整功能的电路板。

为此，项目首先进行了总体电路结构设计。

2.2总体电路结构设计

太阳能无线充电电路，主要由太阳能电池板、无线发射电路、无线接收电路、充电接口电路、5V降压电路、单片机电路等组成。

其中，单片机电路通过多路电压采集芯片，获取到太阳能电池板电压和降压稳压电路的电压，如果两者电压都正常，则通过液晶显示屏提示用户可放心充电。

如果电压输出不对，则提示用户暂时不要进行手机充电，需进行电路故障排查。

本电路总体设计如下图所示：

2.3配件选型

2.3.1太阳能电池板选型

目前太阳能电池板有折叠式和直板式2种外形结构方式，考虑到实际使用需求和成本控制，我们采用直板式太阳能电池板。

目前太阳能电池板中，电池板芯有单晶硅、多晶硅、和非晶硅三种，单晶硅、多晶硅在市面上最容易买到，非晶硅因为产量少，购买不方便。

其中，单晶电池板效率高质量好，但是价格也高；多晶硅效果一般，但是造价最便宜。

为了达到预期效果，我们使用的是单晶电池板。

电池板输出电压和短路电流、功率等参数介绍如下：

 1.开路电压（Voc）：

正负极间为开路状态时的电压。

是指把光伏电池置于100mW/c㎡的光源照射下，且光伏电池输出两端开路时所测得的输出电压值。

光伏电池的开路电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比。

与电池面积的大小无关。

2.短路电流（Isc）：

正负极间为短路状态时流过的电流。

是指将光伏电池在标准光源的照射下，在输出短路时流过光伏电池两端的电流。

测量短路电流的一般方法是，用内阻小于1欧的电流表接到光伏电池的两端进行测量。

 3.输出功率（Pm）：

最大输出工作电压（Voc）×最大输出工作电流（Isc）。

本设计中，采用开路电压标称值为6V，短路电流标称值为550mA的太阳能电池板，额定功率为3.3W。

在实际测试中，开路电压实际为5.98V，短路电流为535mA，此时的输出功率为3.20W。

　2.3.2无线电力发射芯片选型

无线电力传输电路，可以采用专用无线电力传输芯片设计，也可以使用分立元件设计。

采用分立元件自己制作的话，很可能因为设计疏忽或者操作不当，引起事故。

考虑到安全性和稳定性要求，本设计采用专用无线电力发射芯片来做无线电力传输系统。

电力发射芯片采用XKT-408芯片和T5336芯片组合的方式，设计电力发射电路。

XKT-408系列集成电路，采用CMOS制程工艺，具有精度高、稳定性能好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。

XKT-408负责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控；负责各种电池的快速充电智能控制，XKT-408只需配合极少的外部元件就可以做成高可靠的无线快速充电器、无线电源供电器。

T5336系列集成电路，采用的也是CMOS制作工艺，专门用于无线智能充电中，与XTK-408A配合可形成良好的发射控制电路，自动控制发射线圈的电磁波发射电压和频率。

LC振荡电路在振荡过程中由于线圈的内阻不能忽略且在能量传输过程的能量损耗导致电路中振荡电流肯定会大幅衰减，这时通过控制T5336的7、8号输出口电压，调整LC振荡电路两端的电压，用以补偿电路中阻抗和能量传输损耗的电压，使发射线圈的发射的电磁波维持稳定正弦交流变化。

T5336芯片特性

工作温度：

-55℃to+125℃

存储温度：

-65℃to+150℃

最大工作电压：

15V

输出驱动电流：

800mA

　2.3.3无线电力接收芯片选型

无线接收芯片采用T3168芯片，该芯片外围电路非常简单，但是却同时具有电磁能量接收和DC-DC降压稳压的功能，因此得到广泛使用。

此芯片待机时电路完全处于关闭状态,空载电流约8mA左右,当有磁体靠近452L1时电路开始工作,工作指示灯亮,这样可防止普通金属物体靠近而引起误触发。

　2.3.4单片机选型

本设计中，由于需要对太阳能电池板和无线接收电路进行电压监控，并智能分析是否满足充电要求，所以必须采用一款智能微处理器。

本设计采用89C51单片机作为系统的微处理器，其具有如下特点：

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。

89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

[3]

　2.3.5A/D转换芯片选型

PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。

PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。

PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I²C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。

在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I²C总线以串行的方式进行传输。

[4]

　　PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。

PCF8591的最大转化速率由I²C总线的最大速率决定。

PCF8591特性：

单独供电；PCF8591的操作电压范围2.5V-6V；低待机电流；通过I²C总线串行输入/输出；PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址；PCF8591的采样率由I²C总线速率决定；4个模拟输入可编程为单端型或差分输入；自动增量频道选择；PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD；PCF8591内置跟踪保持电路；8-bit逐次逼近A/D转换器；通过1路模拟输出实现DAC增益。

[4]

　2.3.55V降压芯片选型

本设计采用51单片机进行电压采集和显示。

为此，需要为单片机提供5v的电压源。

我们采用A0Z1016芯片来设计5V电压电路。

A0Z1016是AOS公司推出的DC-DC降压稳压芯片，内置肖特基二极管。

仅需要几个外围器件，就可以实现降压的功能。

本设计采用该芯片作为单片机供电的5V降压芯片使用。

第3章太阳能无线充电系统硬件电路设计

3.1.电气原理图设计

3.1.1无线电力发射电路设计

无线电力发射电路核心元件为XKT-408A和T5336，电路图如下所示：

我们的无线电力发射电路，直流输入电压是在5.5V-5.98V的范围内。

在XKT-408A的控制下，通过T5336输出一个可控的低电压。

直流电压与T5336的输出电压的电压差控制铜线圈和C11的LC振荡电路，发射出稳定的高频电磁波。

该电路外围器件简单，稳定可靠。

3.1.2无线电力接收电路设计

无线接收端电路核心芯片是T3168，电路图如下所示：

由于发射端传输过来的能量为高频震荡波，如果直接给手机充电，会对手机产生很恶劣的影像。

为此，需要先将高频振荡波转换成直流电压输出，然后将电压进行降压稳压。

为此，本电路在接收到无线端电量后，首先通过二极管进行整流，获得直流电压。

然后通过由T3168芯片构成的降压稳压电路，实现5v电压的输出。

T3168芯片，通过R21和R22可以调节输出电压，为了实现5V输出，本例采用6.2k与2k的组合来实现。

3.1.35V降压电路设计

5V降压芯片采用AOZ1016芯片，具体电路如下所示：

A0Z1016是AOS公司推出的DC-DC降压稳压芯片，内置肖特基二极管。

仅需要几个外围器件，就可以实现降压的功能。

本设计中采用R4和R9两个电阻来设定芯片的输出电压。

当两者分别为10K,1.58K时，芯片输出标准的5v电压，供单片机工作。

3.1.4单片机系统电路设计

51单片机系统电路如下所示：

1.51单片机核心电路介绍：

1）电源电路：

向单片机供电。

本设计采用AOZ1016芯片提供5V电源。

2）时钟电路：

单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。

本设计采用11.0592M晶振提供外部时钟。

3）复位电路：

确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。

本设计采用电容和电阻实现上电复位功能。

2液晶屏电路

本设计采用1602液晶屏，1602液晶也叫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。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。

本设计采用51单片机直接驱动1602液晶屏，显示太阳能电池板电压和单片机电源电压。

3太阳能电池板电压采集电路

由于PCF8591芯片，能够测量0-5V电压，超过5v的电压就无法测量。

而电池板输出电压一般都超过5v，所以需要把电池板分压进行测量。

本设计采用2个10k电阻进行电压减半，然后在单片机运算时，将实际采集的电压增大一倍即可。

实际使用中，经过大量实验，发现读取电池板电压的误差不超过5%。

3.2PCB电路设计

在系统的硬件选型与设计完成后，为了检验设计的合理性，必须经过PCB制板检验，制板工具采用的是Protel99SE。

PCB制板是整个系统设计中重要的一项，步骤如下：

电路板整体设计。

在绘制PCB之前，首先对电路板有一个初步的设计，例如采用几层电路板、元件采用何种封装及其安放位置、采用多大的尺寸等。

这些能确定电路板设计的框架，是一项重要工作。

建立元器件封装。

一般来说，有些元器件的封装在Protel99SE中已经建好，用户可直接使用。

但是对于特殊的元器件，用户要自己建立原理图和PCB元件封装，在原理图和PCB图中才可以调用。

自己建立的元器件封装也可导入Protel99SE内部元件库，以后可直接调用。

绘制电路原理图。

首先将使用到的元器件载入原理图，并摆放整齐，摆放的时候尽量使电路图走线方便。

然后按照自己设计的电路进行接线，接线的目的是建立网络标号，凡事接在一起的引脚，都将会共用统一网络标号。

绘制好的电路原理图需进行ERC校验，没有电气错误后，将PCB封装与原理图封装一一对应输入。

创建网络表并导入PCB图中。

绘制好电路原理图后，首先生成网络表，然后将网络表和元器件封装一同载入PCB图中。

按照预先规划的布局，将元器件合理的摆放在PCB板上。

布线。

在Protel99SE中，布线既可以是采用手动方式，也可以委托软件自动进行。

对于自动布线，Protel99的自动布线往往还有很多令人不满意的地方，为此我们采用手动布线的方式完成PCB制板设计。

PCB电气规则检查。

在完成手动布线之后，为了检验是否有短路或者断路的情况发生，常对PCB板进行电气规则检查。

若出现错误，Protel99SE会将该元件或者连接线标记绿色，让人一目了然。

当电气规则检查结果通过时，才可将PCB文件交给加工厂加工。

最终PCB板图如图3-1所示：

图3-1系统硬件电路板图

3.3硬件焊接

电路板加工好之后，首先目视检查是否有线路短路或者断路、元器件焊盘丢失等情况，如果没有，才能进行硬件焊接。

本系统采用的均是贴片芯片，所以需要用到刀口烙铁、助焊剂、0.5mm焊锡丝、镊子等工具。

焊接时，应按照元件在在板子上的高度从低到高依次焊接。

首先焊接核心芯片、贴片电阻电容，然后焊接晶振、单排插针，在焊接电源插头、电源模块等。

焊接好的电路板如图所示：

图5-2硬件实物图

3.4硬件调试

调试时，所使用的仪器仪表有：

如开关可调电源、