基于51單片機智能無線充電器的設計

孫永強 王英 張紅茂

摘 要：本系統(tǒng)的設計主要應用于手機和平板等便攜式設備進行充電，具有無線充電、能量傳輸效果較好和時尚簡單等優(yōu)點。系統(tǒng)利用MCS-51單片機作為智能無線充電器的核心控制芯片，軟件采用backscatter調制方式，從而可以實現(xiàn)對電流和電壓進行設置控制，從而給手機等便攜式設備進行充電，并且具有在手機完成充電后自動停止充電等功能。本文以開發(fā)智能無線充電器為例，就MCS-51單片機的部分功能展開研究，導出用MCS-51單片機來開發(fā)出一款智能無線充電器。文章對研究智能無線充電器具有一定的參考價值。

關鍵詞：MCS-51單片機；backscatter調制；無線充電器

智能無線充電技術經(jīng)過數(shù)年的研發(fā)、實驗、調試和應用。隨著便攜式設備的廣泛應用，該設備開始受到廣大人群大范圍的使用和極大的關注[ 1-3 ]。關于智能無線充電器的設計，重點在于將項目中所需的理論與實踐知識有機結合及其應用。由于相關研究團隊一般不涉及內部結構制作過程，市場中也不強調智能無線充電器的設計技術，因此，本文的目的是用MCS-51單片機來開發(fā)出一款智能無線充電器。

要研究智能無線充電器的設計技術，必須要掌握MCS-51單片機內部結構和電子技術的知識。筆者作者認為，在研究用MCS-51單片機開發(fā)智能無線充電器的技術中不能脫離兩點：首先是要明確智能無線充電器的使用范圍；其次是不能拋開用MCS-51單片機開發(fā)智能無線充電器的工作原理和軟件程序編寫的思路。否則，研究人員難以掌握其根本，也就不能靈活運用于各個開發(fā)項目中。

但是，用MCS-51單片機開發(fā)智能無線充電器的設計技術與應用工作和生活中通常涉及的是硬件基本組成結構，強調智能無線充電器在項目中的靈活運用，忽略了無線充電器的設計軟件程序編寫思路。本文就MCS-51單片機的部分功能展開研究，導出用MCS-51單片機來開發(fā)出一款智能無線充電器，無線充電距離最大為5cm。

1 智能無線充電器的充電方式

就目前研究智能無線充電技術來說：主要是利用電磁感應式、磁場共振式和電波輻射式三種方式來實現(xiàn)。其中，電磁感應式是目前社會上使用較為廣泛的一種近距離無線充電方式。本文設計的智能無線充電器的充電方式就是采用這種方式，其工作原理類似于分離的空心變壓器，存在的技術缺點是用感應線圈傳遞的能量是變化的磁場，其磁場能量的大小會隨著兩個線圈的距離增加而迅速減小，其傳輸距離非常有限。電磁感應式原理圖如圖1所示。

2 智能無線充電器設計的整體思路

本文通過無線充電QI-WPC通信序列，并且無線充電過程主要是由感應線圈被動的接收發(fā)送端所發(fā)出的能量并進行處理。整體設計思路是將交流電經(jīng)過全橋整流電路轉變?yōu)橹绷麟?2V給系統(tǒng)進行供電，將NE555組成的振蕩器所產生的能量通過線圈以電磁感應的方式發(fā)送出去，當接收端的接收線圈與發(fā)射端的發(fā)射線圈在近距離相互靠近作用時，則接收線圈會產生相應的感生電壓，當接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時則就會產生諧振頻率，電壓值也就會達到最大值，則就說明該系統(tǒng)具有較好的能量傳輸效果。

整個設計系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件電路與軟件程序的設計

系統(tǒng)以MCS-51單片機和KA7500B脈寬調制型開關電源集成芯片為核心，KA7500B芯片具有恒流和恒壓的功能。其恒流值符合如下公式：

式3-1中R為電流取樣電阻為0.05Ω，PWM為MCS-51單片機PWM輸出濾波后的電壓電路中的電壓反饋的正、負極對應KA7500B的第15和16腳。

輸出電壓值公式：

3.1 硬件電路板卡的設計

硬件電路板卡主要是分為發(fā)射端和接收端兩部分；通過2個感應線圈耦合能量，接收端的感應線圈輸出穩(wěn)定交流電經(jīng)過接收轉換電路變化成直流電為手機等便攜式設備進行充電。

設計的硬件電路接收端是由DC/DC轉換器、按鍵模塊、顯示模塊和主控模塊等幾部分組成。DC/DC轉換器是將能量進行儲存和釋放，顯示模塊通過液晶顯示器將充電的電流和電壓進行顯示。按鍵模塊進行對恒定的電流和電壓進行設置，主控模塊是以MCS-51單片機為核心，然后通過外接的USB接口進行對手機等便攜式設備進行充電。

3.2 軟件程序設計

本文設計整體程序設計思路主要由MCS-51單片機程序控制實現(xiàn)。其軟件程序的工作過程為：首先對電路進行啟動初始化，然后進行電路功能選擇，輸出選擇并進行確定輸出，MCS-51單片機采集計算輸出PWM信號，定時采集感應線圈所發(fā)出的數(shù)據(jù)并處理調節(jié)PWM信號占空比等，通過調節(jié)占空比來完成電壓調節(jié)。

單個周期內，電路的充電時間為：

tr =0.7（R36+R40+R42）C16

放電時間為：

tf =0.7（R40+R42）C16

充電過程基本上可以分為兩個階段進行，第一個階段為恒流充電，其中電流可以設定，當充電電壓達到4.2V時轉入第二階段，恒壓充電電流隨著時間的推移而逐漸降。具體充電曲線如圖3所示。

本文研究的數(shù)據(jù)采集部分主要是由MCS-51單片機內部的A/D轉換模塊完成的，采集程序主要是分為ADC寄存器初始化函數(shù)、發(fā)送啟動轉換命令函數(shù)和等待轉換結束等函數(shù)等幾個階段。

3.3 系統(tǒng)整體調試

當諧振功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵信號頻率相同時，諧振功率放大器發(fā)生諧振，此時感應線圈中的電壓和電流達最大值，從而產生最大的交變電磁場。當接收線圈與發(fā)射線圈進行靠近時，在接收線圈中產生感生電壓，當接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時產生諧振，電壓達最大值，從而構成了諧振回路。

系統(tǒng)整體硬件調試是將智能無線充電器的發(fā)射端和接收端進行檢測；軟件調試過程是對上位機程序不斷優(yōu)化的過程，主要是無線通信協(xié)議backscatter調制方式。在聯(lián)調過程中，常出現(xiàn)的問題是發(fā)送端諧振頻率與激勵信號頻率是否相同的測試部分，經(jīng)過不斷的實際調試和理論分析；發(fā)射端感應線圈回路與接收端感應線圈回路均處于諧振狀態(tài)時，具有最好的能量傳輸效果。

4 結語

本課題基于單片機無線電能充電器的設計系統(tǒng)的工作原理是：系統(tǒng)的設計理念是采用線圈耦合的方式來進行能量的傳遞，首先連接的是電源模塊，電源模塊給發(fā)送模塊的線圈提供能量，可以使接收模塊單元接收到足夠多的能量，則可保證后續(xù)電路能量的供給無后顧之憂。由于無線電能充電器系統(tǒng)設計的電壓會隨著能量發(fā)送單元模塊和接收單元模塊耦合線圈的距離，在實際測試中則可根據(jù)實際的需求做出相應的改變；其難點在于耦合線圈的制作和相關電子電路的設計。

對于手機等便攜式設備充電的發(fā)展已經(jīng)從單一模式進入到信息網(wǎng)絡的無線距離通信時代。系統(tǒng)可靠性研究是今后此類設備的重要研究內容，對系統(tǒng)進行遠距離充電是今后的重要工作。

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