基于手機無線充電的設計

胡鵬志

摘要：該設計的原理就是通過電磁波傳遞電能。用555單片機時基集成電路產生一個12kHz峰峰值為5V的方波，通過反相器整形，放大，最終放大成峰峰值為12V的方波。最后，用三個反相器并聯，驅動H橋，在H橋的輸出端輸出一個峰峰值為21.2v的方波。然后，用H橋驅動發射線圈，將電能轉換成電磁波發射出去。接收線圈集成在手機里面，將手機放到底座上，兩個線圈通過磁耦合就能傳遞能量。接收線圈輸出的交流信號通過整流橋整流，電容濾波，最后變成穩定的直流電壓，這樣就可以對手機進行無線充電了。

關鍵詞：IAP15F2K61S2；H橋；12k方波

1開發背景

在今天這個追求高效的時代，我們使用的電子產品在向精致小巧，時尚便攜的方向發展。在日常生活中，便攜設備（如手機，數碼相機等）的體積也越來越小，同時許多問題也隨之而來，比如，電池，不得不隨著設備體積變小，但是小體積電池的儲能也相應減少，只能維持基本的供應，免不了頻繁為其充電，在充電中可能會遇到這樣的問題：手機需要充電的時候數據線不在身邊，充電手機型號不一樣，數據線插頭型號有時也不同，頻繁的插拔數據線造成插頭損壞等等。這樣我們不得不取出電池用“萬能充”充電。而且，沒有備用電池還要承擔漏接重要電話的風險！像iPhone一樣內置電池的手機就是“萬能充”也只能毫無作為。

無線充電設備徹底解決了這個問題，用戶不必顧慮數據線不兼容，也不必擔心充電時漏接電話，更不用重復這插拔數據線的繁瑣而又磨損手機的動作，要做的只需要把手機放置充電座板上，無論什么型號的手機，只要使用該無線充電裝置，就可以為電池充電，方便快捷。同時，無線充電系統還能設定充電時間，這樣就不必擔心電池充電時間過長而損壞電池。當手機離開充電基座時，發射線圈不發射電磁波，這樣同時可以實現節能環保。

2功能與使用說明

該設計是一個手機無線充電模擬裝置。按下電源開關，在1602液晶上會有一個開機界面。開機界面結束后，將接收線圈放到指定的位置，發射線圈就會發射電磁波，自動開始按設定時間對電池充電，同時會有一個充電倒計時顯示。當時間減到零時就會停止。為了便于演示，默認定時時間是一分三十秒。充電時間可以通過鍵盤設置，可以進行常規的小時分鐘設定，甚至可以精確到秒。當手機在充電時液晶顯示器1602上面會顯示“Charging！”和剩余的充電時間，當沒有手機時上面會顯示“No Cellphone！”，表示充電中止。當時間倒計時歸零時上面會相應顯示“Time Out！”，表示充電結束。

3設計原理

設計原理如圖1所示。

4設計說明

設計原理就是通過電磁波傳遞電能。首先，用555時基集成電路產生一個12kHz峰峰值為5V的方波，如圖2所示，通過反相器整形，變換，再用反相器進行中間級放大變換成峰值為8.3V的方波，如圖3所示，再通過反向器進行最后的放大，最終放大成峰值為12V的方波。最后，用三個反相器并聯，驅動H橋，如圖4所示，在H橋的輸出端輸出一個峰峰值為21.2v的方波。然后，用H橋驅動發射線圈，將電能轉換成電磁波發射出去。這個是充電底座原型，接收線圈集成在手機里面，將手機放到底座上，兩個線圈通過磁耦合就能傳遞能量。接收線圈輸出的交流信號通過整流橋整流，電容濾波，最后變成穩定的直流電壓，這樣就可以對手機進行充電了。

充電底座上有—對紅外發射和接收頭，如圖5所示，有充電設備放在充電底座上時，就會有紅外線反射回來，使紅外接收頭導通，再用電壓比較器LM339將模擬電壓轉換成“0”和“1”高低電平，通過手機反射回來的紅外線從而就可以感應手機的有無。

單片機用于控制555方波的產生、停止、定時以及檢測手機的有無。

當初，設計當中用場效應管做H橋，場效應管反應較三極管稍有遲緩，但是因為的頻率并不是很高，做這個項目完全足夠。但是，實際試驗證明，當頻率高于3kHz時，H橋輸出的波形嚴重失真，另外，場效應管比較脆弱，在焊接和試驗的過程中很多場效應管都相繼損壞，場效應管型號為IRF530和IRF9530。他們完全可以用被三極管替代。

在發射和接收線圈的選擇方面，首先，我們選擇的發射和接收線圈都是100圈，發射頻率是6K。接收線圈輸出信號經過整流濾波穩壓之后，是可以對手機充電的。但是，考慮到線圈便于集成到手機上的問題之后，決定將充電頻率提升到12k，發射和接收線圈都減少到34圈，這樣將接收線圈就集成到手機上就比較容易，而且在實際應用中可以采用較細的銅絲，也不會影響到手機等充電設備的外觀。

在12kHz方波信號發生器的選擇方面，并沒有選擇晶振波形產生電路，一個是因為晶振頻率調節不方便，分頻比較麻煩，另一個是因為晶振偶爾會出現不起振的現象，會造成系統工作不穩定。

在手機感應方面，并沒有選擇超聲波而是用紅外線，一個是因為紅外線發射和接收頭成本低、效果好，并且寫程序也比較簡單；而超聲波換能器體積大，電路也比較復雜；綜合考慮，選擇紅外感應。

在人機界面上，同時也沒有選擇數碼管而選擇了1602液晶，因為1602占用cpu資源少，而且顯示內容豐富，人機界面友好。

在峰值5V的方波放大成峰峰值12V的電路設計方面，沒有用運放而選用反向器，是因為反相器更廉價，而且反相器放大電路更簡單，關鍵是反向器也能勝這個放大工作。

5設計特點

該設計突破以往常生活中的電器（常見的手機、平板電腦、數碼相機等便攜設備）帶線充電的傳統模式，使“隔空充電”的想象成為了現實。相信以后會有更廣闊的應用空間。

以手機為例，可以在手機充電設計中，去掉原有接入電路，加入接收線圈及相應的電路即可。對現有的手機我們可以進行這樣的改造，將要使用特制的電池后蓋（將極細的絕緣銅絲繞成的線圈附著或是嵌入在電池后蓋的內側，線圈的兩個引腳分別引出固定在后蓋上，在蓋上后蓋的時候吻合手機電池的正負極或是手機充電模塊引出的接口，后者可以利用手機內部的模塊的功能，更穩定！兩種方案都不影響手機的美觀，該作品以裸線圈接高亮發光二極管演示，模擬手機無線充電。

然后，將底座（下文稱：充電板）接上電源，只要將手機放在經充電板（后期或經過外觀改造）的相關區域，即可實現手機無線充電，預制可定時程序，定時時間完全按照用戶的意愿設定并通過1602液晶給予顯示。

針對耗能問題，在充電區設計了一個紅外發射接受裝置，在感應區放置待充電設備時，啟動充電，移走即停，低碳環保，智能便捷，人性化。

該設計除了本身的創意之外，還有兩個技術方面的創新：（1）用反相器進行方波的放大，將反相器VCC接8.3V，峰峰值5V的方波就可以就可以放大成峰峰值8.3V的方波，再一次放大，就可以放大成峰峰值12V的方波。（2）H橋，它的供電電壓是10.6V，但H橋橋臂是用峰峰值12V的方波驅動的，三極管b極電壓比H橋供電電源電壓還高1.4V，在四個三極管導通時UCE基本上都等于零，三極管基本不會發熱，這樣有很多優勢——節能、高效，還能保護三極管，避免過熱被損壞。

無論是電路板的焊接，還是線圈的繞制，我們都是全手工制作。包括供電電源，一些相關的單片機外圍設備，振蕩電路，濾波整流等模塊均為自主設計，雖然在外觀，性能（主要指空間遠距離）等方面略有瑕疵，但是該產品實現基本的無線充電功能還是圓滿實現。