无线供电系统设计.docx
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无线供电系统设计
无线供电系统设计
应用科技学院电子信息工程专业
陈启俊指导教师：
李汪彪
【摘要】本系统设计并制作了一个采用STC12C5A60S2控制的无线（非接触式）供电系统，系统包括能量发送模块和能量接收模块。
能量发送模块由555振荡产生频率为140KHz的交流信号，再通过单片机PWM占空比的控制发送至谐振电路，它能实现的功能是：
在能量发送模块和接收模块之间不通过任何导线连接，通过感应线圈实现电能的传输使接收模块的LED灯发光以此来模拟供电；实现人机交互、用LCD162A显示，具有友好的的显示界面。
在发射距离10mm的情况下，能量发送模块的功率小于1W，并且能够实现对发送模块按键的控制使LED亮度规则变化.
【关键词】STC12C5A60S2;无线;能量发送;功率显示;PWM.
引言
概述
无线供电，就是电源不依赖导线的情况下对目标进行供电。
无线供电技术是一种新型的电能传输技术，它摆脱了传统供电方式，而采用无线的方式为用电设备提供电力。
没有了连接电源的导线的束缚，无线供电使得系统更加安全而且方便。
[1]
研究背景
2010年九月一日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国。
信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心也加入该组织。
无线充电联盟副主席、来自美国安利的子公司富尔顿创新公司董事布雷特·刘易斯介绍，联盟成员近60家，包括劲量、LG电子、诺基亚等。
安利净水器10年前就开始采用富尔顿的无线充电技术。
无线充电更方便，更安全。
没有外露的连接器，避免了漏电、跑电等安全隐患。
很多人担心的辐射问题，在8年之前的净水器的安全性就已经得到了36个国家的验证，据介绍，无线充电大致上是通过磁场输送能量，而人类以及人类身边的绝大多数物件都是非磁性的，所以对人类不会构成伤害。
无线充电还有一个好处是省电，无线充电设备的效能接收在70%左右，和有线充电设备相等，但是它具备电满自动关闭功能，避免了不必要的能耗。
而且，这个效能接收率在不断提高。
无线充电设备比普通充电器“聪明”很多，对于不同的电子产品，电源接口能自动对应，需要充电时，发射器和接收芯片会同时自动开始工作，充满电时，两方就会自动关闭。
它还能自动识别不同的设备和能量需求，进行‘个性化工作’，这就是智能供电。
现在，为了消费者的安全以及他们的便利性考虑，相关科研人员先提供了近磁场无线充电技术（即需放在发射器旁边），未来，不仅是小功率电器，常见的家用电器设备、医疗设备、电动工具、办公室电器、厨房电器等都可以实现无线供电了，一边传输一边使用电能，不需要任何类似于电池的电量存储设备，更不需要提前充电，到那时，电线、插线板、电池都可以消失了，你甚至感受不到电的存在，它就像空气一样，让你觉得手到擒来。
[1]
研究现状
早在电子技术刚刚问世不久。
NicolaTesla（尼古拉.特斯拉）就已经进行过远距离无线供电的实验研究。
2007年6月，麻省理工学院（MIT）以MarinSoljacic为首的研究团队首次演示了灯泡的无线供电技术，他们从6英尺的距离成功地点亮了一个60W灯泡。
经过一百年的发展，无线供电已经进入了应用的阶段。
家电和数码生产企业纷纷推出自己的无线供电产品。
2010年的CES（国际消费电子产品展）上，至少有3家厂商对外展示了其专为移动设备设计的无线充电底座。
成立于2008年12月17日的国际玩笑充电联盟（WirelessPowerConsortium，WPC）已制定无线供电的业内标准为目标，目前正在倡导“Qi”标准。
WPS已于2010年3月发行了无线供电传输标准的正式版。
不久的将来，无线供电技术还将在照明、电动车、医疗电子设备、无线传感网络等领域大放异彩，甚至未来的电力传输也将是无线传输的。
世界大公司对无线供电做出的研究：
Palm公司是美国老牌智能手机厂商，它最早将无线充电应用在手机上。
它推出的充电设备“触摸石”，就可以利用电磁感应原理无线为手机充电。
海尔推出的概念性“无尾电视”，不需要电源线、信号线和网线。
海尔称该产品采用了与麻省理工学院合作的无线电力传输技术。
Powermat推出的充电板有桌面式和便携式等多种，主要由底座和无线接收器组成，售价在100美元左右。
劲量（Energizer）是美国知名的电池和手电筒品牌。
该公司预计将于10月正式推出一款无线充电器，售价在89美元左右。
微软亚洲研究院研发的一款无线充电板装置名为uPad，已在2008年底造出样机。
富士通的系统与美国Witricity公司研发的技术类似，后者同样利用磁共振传输电量，传输距离可达到几米远。
这项技术将促使日本政府在2012年之前在公共场所设置无线充电网点。
国内无线供电研究起步相对较晚，近年来才得到了一定数量的应用，尤其是变压器松耦合方案得到了不少的应用，但是和国外相比还是有一段差距。
[1]
系统设计
系统预期目标
设计并制作一个无线供电系统（用LED来模拟接收电路），该系统包括能量发送模块和LED照明模块。
LED照明模块包括一个能量接收单元和五个LED灯，LED照明模块不外加任何电源，供电只来自能量发送模块，两个模块之间没有任何导线连接，电能的传输通过感应线圈由能量发送模块以无线方式传输给LED照明模块，线圈间的介质为空气。
其中，能量发送单元采用12V的直流电供电。
实行电能的无线传输，通过无线供电方式使LED照明模块发光（每个LED的平均电流大于5mA）；
在LED照明模块实现正常亮度时（5个LED，每个LED的平均电流为10mA），发射距离10mm的情况下，能量发射模块的功率小于5W（DC12V供电）；
能控制LED的亮度：
保持线圈距离不变，从暗变亮，从亮变暗，亮度变化至少有四级（不能用电位器手动调节电源的方式），可以在能量发射模块端用按键调节；
能量发射模块能实时显示发射机功耗，误差不超过±5%。
系统总体实现方案设计
图2-1系统总体框图
1.1.1.主控制器
采用宏晶STC公司的STC12系列中的STC12C5A60S2单片机作为主控制器。
该芯片是一款1个时钟/机器周期8051、超强加密、高速，高可靠、低功耗，超低价、强抗静电，强抗干扰的微处理器，功能模块多含AD及PWM功能，能更好的人机交互以及控制。
该微处理器可设置为在空闲时进入休眠模式，使得系统的功耗更低。
STC12C5A60S2与本系统相关简介：
图2-2STC12C5A60S2实物图
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）。
增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051
片上集成1280字节RAM，60K的FLASH。
通用I/O口44个,可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA。
ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），可通过串口（）直接可下载用户程序。
共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，有独立波特率发生器，做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。
2个时钟输出口，可由T0的溢出在T0输出时钟，可由T1的溢出在T1输出时钟。
外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒INT0/,INT1/,T0/,T1/,RxD/,CCP0/（也可通过寄存器设置到）,CCP1/（也可通过寄存器设置到。
PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断。
A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）。
通用全双工异步串行口（UART），还可再用定时器或PCA软件实现多串口。
STC12C5A60S2系列有双串口，RxD2/（可通过寄存器设置到，TxD2/（可通过寄存器设置到
封装：
PDIP-40I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
[2]
1.1.2.振荡电路
采用NE555时基集成电路构成的多谐振荡器产生150KHZ左右的载波完成调制发射，电路简单，器件购买方便。
NE555与本系统相关简介：
图2-3555实物图
NE555（TimerIC）大约在1971年由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，在往后的30年來非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路。
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波信号。
NE555的特点：
只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
[1]
1.1.3.人机交互
采用LCD1602显示,低功耗,可显示16x2字符,使用比较方便。
1602液晶简介：
图2-4LCD1602实物图
工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
[1]
1.1.4. 整机功耗检测
采用ZXCT1010来测量电流以用来测量功耗。
以下是ZXCT1010简介：
图2-5ZXCT1010标注图
该ZXCT1010是一种精度高侧电流检测监控。
使用这种类型的设备，无需破坏地平面时，感应负载电流。
该 ZXCT1010 其中提供了一个最小的感应电压是需要申请的100个固定增益。
该ZXCT1010应用于•电池充电器、支援编辑电池组、直流电动机控制、℃过电流监视器、电源管理、翻译水平、可编程电流源，ZXCT1010的功能有：
动作精准，高边电流检测、输出电压调整、为-响20V的供应、25A的静态电流、1％的典型精度、采用SOT23-5封装。
[4]
硬件设计
单片机最小系统设计
如下图3-1所示，单片机最小系统采用LCD显示、ADKEY。
有做普通按键和LCD串并口选择，有做PWM占空比调节或者DA调节以及IO口排针的预留，数据口如P9所示，因为STC可ISP下载。
再外加一个RS232转换电路既可完成程序烧写。
40脚为VCC脚，加去耦电容以抗干扰。
其他电路与普通51单片机接法无异。
图3-1单片机最小系统原理图
能量发送设计
能量发送模块通过耦合线圈发送一定频率的射频信号，不论以什么方式只要能使穿过闭合回路的磁通量发生变化，
，此闭合回路内就一定会有感应电动势出现。
为了提高射频信号识别和接收的效率，LC谐振回路应工作在谐振时，其谐振频率为
，L1的取值（用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10圈制成。
线圈直径为±0.5cm），通过电桥测量其电感量为13uH，考虑到市场上可供购买的高频电容容量值，故C1取值为，所以有：
（3-1）
即电路谐振频率为140KHz。
图3-2555振荡电路
如图3-2电路所示，其可产生最大频率为500khz，因此本电路谐振频率设置为140KHz，555振荡频率公式：
（3-2）
C=C13=、R13=2KΩ,则R15=4KΩ左右，可用可调电阻R15进行调节。
进行调节后可通过示波器测试将R15调节得到系统所需要的140KHZ的频率。
图3-3能量发送模块原理图
如图3-3所示能量发送模块有做利用555时基振荡器产生振荡频率或者由单片机直接产生振荡频率的选择P10口,通过P10的2脚输出振荡波形与74HC00与非门的45脚相连进行缓冲输出6脚再经第二级与非门的2脚输入与单片机PWM输出口1构成与非门，从74HC00的第三脚输出信号。
再经过R16可调电阻以及Q1B772以及并联谐振电路构成丙类（谐振式）放大器。
当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时,功率放大器发生谐振,此时现圈的电压和电流达最大值,从而产生最大的交变电磁场。
当接收线圈与发射线圈靠近时，在接受线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值。
构成了如图图3-3的谐振回路。
实际上，发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，具有最好的能量传输效果。
注：
这个电路设计有预留2种方案选择：
a）单片机直接发送频率，既P10的1、2口由跳线帽短接，P7口开路，P8口1、2跳线帽短接接入PWM进行占空比的调节从而达到调节亮度，P8口的2、3短接还可以接入DA控制。
b）555时基振荡器产生振荡频率，既P10的2、3口由跳线帽短接，P7口短路，既接入555。
P8口1、2跳线帽短接接入PWM进行占空比的调节从而达到调节亮度，P8口的2、3短接还可以接入DA控制。
通过555或者单片机产生频率为140KHZ的方波经与非门与单片机的PWM占空比进行能量的控制以达到控制接收电路LED灯的亮度。
电源电流采集电路以及供电设计
图3-4电源模块原理图
如图3-4所示J1接入12V直流电压.经过ZXCT1010（电流检测器）测出整机电流通过ZXCT1010算法得出整机功耗,再经过LDO（7805）给单片机供电.
ZXCT1010算法：
Rout1100欧，Rsense1=欧。
由则Vout=Vsense
Vsense=Vsense+-Vsense-=Vin-Vload=IloadxRsense
Vload=Vin-Vsense
所以负载功率如果是5V输入P=（（5-Vsense）/*5*1000mW.
接收模块设计
图3-5接收模块原理图
如图3-5所示，当进入耦合线圈工作区域时，根据法拉第电磁感应定律,其耦合线圈的磁通量发生变化产生感应电动势及感应电流，从而在接收模块无外接电源的情况下，耦合线圈得到的电磁场能量转化为交流电源，再经过D1、C1及LDO（78L05）等组成的整流稳压电路转化为直流电源，为LED供电。
此处有接限流电阻以免电流过大导致LED灯烧毁。
在后续调试阶段可进行相应的修改。
软件设计
软件设计需要解决的问题
本系统控制软件主要由AD模块，LCD显示模块以及PCA模块构成。
主要实现功能如下：
（1）LCD显示模块
需显示整机功耗、供电等级、PWM占空比等
（2）AD采集模块
借助ZXCT1010芯片测量到的电流值通过单片机自带AD送回单片机。
以及用ADKEY按键扫描来控制PWM的占空比以改变供电等级
（3）PCA模块
利用单片机自带的PCA0模块来实现8位PWM,改变占空比来改变供电等级,利用PCA1模块来实现振荡频率140KHZ的发生。
总体设计
根据设计需要解决问题,绘制总体设计流程图如图4-1所示:
图4-1主程序流程图
单元模块设计
1.1.5.LCD显示模块
图4-2LCD显示的流程图以及时序图
如图4-2所示,编写、供主程序调用的配置函数如下
/*******************************************************************************/
/*----------------
/*函数名：
LCD_Init（）;;
/*功能描述:
液晶初始化
/*函数说明：
控制命令的写入设置液晶为16X2显示,开显示,不显示光标,写一个字符后数据指
针自动加1,显示清0,数据指针清0。
/*创建人:
陈启俊（Vicky）创建日期:
2011年4月13日
/*----------------
/*******************************************************************************/
externvoidLCD_Init（）;
/*******************************************************************************/
/*----------------
/*函数名：
LCD_DisChar（ucharx,uchary,ucharc）
/*功能描述:
在任意位置显示一个字符
/*函数说明：
X表示行，Y表示列，c表示一个字符/*创建人:
陈启俊（Vicky）创建日期:
2011年4月13日
/*----------------
/*******************************************************************************/
externvoidLCD_DisChar（ucharx,uchary,ucharc）;
/*******************************************************************************/
/*----------------
/*函数名：
LCD_DisString（ucharx,uchary,constuchar*str）;
/*功能描述:
在任意位置显示一段字符串
/*函数说明：
X表示行，Y表示列，*str表示一段字符串/*创建人:
陈启俊（Vicky）创建日期:
2011年4月13日
/*----------------
/*******************************************************************************/
externvoidLCD_DisString（ucharx,uchary,constuchar*str）;
1.1.6.PCA模块
脉宽编码调制（PWM，PulseWidthModulation）是一种使用程序来控制波形占空比、周期、相位波形的技术，在三相电机驱动、D/A转换等场合有广泛的应用。
STC12C5A60S2系列单片机的PCA模块可以通过程序设定当寄存器CL的值小于[EPCnL,CCAPnL]时，输出为低；，使其工作于8位PWM模式。
PWM模式的结构如图4-3所示。
[2]
图4-3PCA作PWM操作图
由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有他们的输出频率相同。
各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器[EPCnL,CCAPnL]有关。
当寄存器CL的值小于[EPCnL,CCAPnL]时，输出为低；
当寄存器CL的值等于或大于[EPCnL,CCAPnL]时，输出为高。
当CL的值由FF变为00溢出时，[EPCnH,CCAPnH]的内容装载到[EPCnL,CCAPnL]中。
这样就可实现无干扰地更新PWM。
由于PWM是8位的，所以：
PWM的频率=PCA时钟输入源频率/256。
根据以上这些DATASHEET内容编写,供主函数调用的配置函数如下:
/*******************************************************************************/
/*----------------
/*函数名：
PCA_Init
/*功能描述:
PCA初始化
/*函数说明：
module模块选择；PCA_CCAPMn模式选择PCA_CCAPnHPCA_CCAPnL
频率设定PCACLK时钟选择
如PCA_Init（1,PWM,0xFF,0xFF,CLK0）;
第2路PCA的PWM模式，PCA时钟源Fosc/12/*创建人:
陈启俊（Vicky）创建日期:
2011年4月13日
/*----------------
/*******************************************************************************/
externvoidPCA_Init（bitmodule,ucharPCA_CCAPMn,ucharPCA_CCAPnH,ucharPCA_CCAPnL,ucharPCACLK）;
/*
*函数名：
Set_PWM_Fre
*调用：
Set_PWM_Fre（523）;
*设置PWM频率为523Hz
*功能描述：
定时器0作为PCA时钟源时，PWM可设置184Hz～46KHz
*/
externvoidSet_PWM_Fre（uintfre）;
/*
*函数名：
Set_PWM0
*调用：
Set_PWM0（40）;
*占空比40%
*功能描述：
设置PWM0占空比
*/
externvoidSet_PWM0（ucharduty）;
1.1.7.AD功能模块
STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒）。
8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。
上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。
STC12C5A60S2系列单片机ADC（A/D转换器）的结构如下图4-4所示。
[2]
图4-4AD模块操作图
/*******************************************************************************/
/*----------------
/*函数名：
AD_Init（）
/*功能描述:
AD模块初始化
/*函数说明：
选通AD通道，开启AD/*创建人:
陈启俊（Vicky）创建日期:
2011年4月13日
/*----------------
/*******************************************************************************/
externvoidAD_Ini
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