基于壓力傳感的多手機無線充電器的設計*

尹序臻，吳明煌，陳方斯，林佳萍

（廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024）

1 引言

隨著電子技術的快速發展，智能手機、平板電腦等一些電子產品在不斷地更新換代，但是，相應電子產品的電池電量有限，各種電子產品有線充電接頭不兼容又給人們的使用帶來了不便。無線充電具有使用方便、造型美觀等優點，因而受到人們廣泛的關注，但是市面上現有的無線充電產品主要給單個便攜式電子設備進行充電。相對于市面上的無線充電產品，本設計可實現對多臺手機同時充電，避免了凌亂充電線的困擾；同時充電有效區域更大，讓手機充電擺放位置不受限制；此外本設計具有嵌入桌面的功能，方便且美觀。兼容性決定手機無線充電技術的發展前景，Qi協議無線充電標準旨在保證不同品牌間的兼容性，相配套的接收端使得無線充電不再受手機型號限制[1]。

2 系統構成

系統整體硬件結構如圖1所示。該裝置主要由51單片機、開關電源、應變式壓力傳感器、電流傳感器和LED背光燈條組成。

圖1 系統硬件結構

本設計的整體思路為：將接入的220V交流電壓通過變電器變壓整流輸出12V直流電壓為系統進行供電，各模塊間通過51單片機進行協調控制。

3 功能介紹

本設計具有以下3大功能：

⑴實現對4部手機進行無線充電：文章所提出的方法可根據需求擴展到更多手機的無線充電。

⑵識別手機并執行充電操作：移開或電池充滿情況下自動進入待機狀態，從而降低功耗。

⑶實現過充、過流保護并顯示充電狀態：當手機充滿后，關閉充電器的充電電路實現保護；如果用戶誤把金屬放置在充電面板上或手機電池損壞，關閉充電電路并發出警報；手機的充電狀態有相應的指示燈閃爍提示用戶。

4 工作原理

目前，利用電磁感應原理實現電能的無線傳輸主要分為3類：感應耦合方式、電磁諧振方式和微波輻射方式[2]。本設計采用感應耦合方式的電磁感應原理，由電源管理模塊將220 V交流電通過變電器降壓整流輸出12 V的直流電用于驅動各模塊，使用MOS管對半橋逆變電路控制關斷，同時提高信號功率[3]。

無線充電發射端由5 V直流電壓供電，由51單片機產生PWM控制信號控制逆變電路的 MOS管的導通和截止，驅動芯片

TPS28225內置14 ns的自適應死區時間，使用逆變電路使得上下2個橋臂的MOS管不能同時導通。通過功率驅動電路將功率放大后傳送到高頻全橋逆變模塊，然后驅動發射線圈陣列。接收端接收電能后通過整流、濾波和電壓調節向負載端供電。基本流程如圖2。

圖2 充電模塊基本流程

5 負載檢測

在手機識別方面是基于壓力檢測機制。本設計采用壓力傳感器YTC-133定時掃描的方式檢測重量變化，通過定時判斷重量變化差值判斷負載是否存在以及是否有新的手機存在，相對于使用負載檢測技術[4]，這種控制方法更簡單，且功耗更低。YTC-133采用16位的讀取儲存方式，單片機發送信號，YTC-133將檢測的數據通過自身的AD模數轉換生成16位2進制數字量傳給單片機。充電器面板上內置壓力傳感器，若有物體放在充電器面板上時，壓力傳感器產生信號，單片機檢測到信號后進行判斷，當質量大于150 g時輸出PWM到發射電路，進入充電模式。啟動4個發射電路，利用這個原理我們可以讓無線充電器不用時刻保持在工作狀態，從而達到節能減耗的目的。

圖3 負載檢測流程

6 過載保護

為了實現過充、過流保護，我們采用電流傳感器HTC-LTS。充電過程中單片機通過電流傳感器實時監控電流變化。

當4個發射電路啟動時通過電流傳感器掃描線圈以確定手機放置位置，即確定相對應發射電路電流是否大于設定的閾值（1.2 A)，根據手機位置信息保留對應的發射電路，給手機供電。當手機充滿，電流傳感器檢測到發射電路電流減小，即發射電路電流小于設定閾值（1.2 A），則單片機關閉發射電路，停止供電進入待機模式。在過流保護方面，我們通過設定一個安全電流上限值，當充電電流超過安全上限（1.5 A)，則停止充電。在充電過程中我們采用LED背光燈條顯示充電狀態，共有以下狀態：

⑴ 進行電路檢測時4個藍色呼吸燈點亮。

⑵ 檢測到充電線路時將當前線路的紅色呼吸燈點亮，熄滅所有藍色呼吸燈。

⑶ 當電流充滿時，點亮當前線路的藍色呼吸燈。

這里通過一個按鈕控制綠色背光燈條是否工作，可根據用戶喜好進行選擇。

7 軟件流程

軟件設計如下圖4所示，當壓力傳感器檢測到物體后，51單片機啟動所有發射電路。電流傳感器采集發射端電流值，首先判斷電流值是否超出安全上限，如果超過則代表手機損壞或誤放金屬類物體，單片機關閉所有發射電路。然后判斷電流值是否低于設定閾值，如果低于設定閾值則代表手機已經充滿或是由于其他充電位的干擾而產生的干擾電流，單片機關閉相對應的發射電路。具體的程序見附件。

圖4 軟件流程

8 結語

相對于市面上的無線充電產品，本設計可實現對多臺手機同時充電的功能，讓用戶再也不用被凌亂的充電線所困擾。充電有效區域更大，讓手機充電擺放位置不受限制。相配套的接收端使得無線充電不再受手機型號限制。此外，本裝置設計具有嵌入桌面的功能，方便且美觀。

附件

壓力傳感程序

#include ＜reg52.h＞

#include ＜intrins.h＞

//函數或者變量聲明

void Delay_ms(unsigned int n);

void Get_Weight();

unsigned long HX711_Read(void);

sbit HX711_DOUT=P2^1;

sbit HX711_SCK=P2^0;

unsigned long HX711_Buffer = 0;

unsigned long Weight_Maopi = 0;

long Weight_Shiwu = 0;

unsigned char flag = 0;

bit Flag_ERROR = 0;

sbit error= P1^0;

#define GapValue 400

void main()

{

Delay_ms(1000); //延時1s,等待

傳感器穩定

Weight_Maopi = HX711_Read();

//稱初始重量

while(1)

{

Get_Weight(); //稱重

if(Flag_ERROR == 1)

{

error=0;

}

else

{

error=1;

}

}

}

void Get_Weight()

{

Weight_Shiwu = HX711_Read();

Weight_Shiwu = Weight_Shiwu -

Weight_Maopi; //獲取凈重

if(Weight_Shiwu ＞ 0)

{

Weight_Shiwu = (unsigned int)((float)Weight_Shiwu/GapValue);

//計算實物的實際重量

if(Weight_Shiwu ＞ 150)

//超重報警 MX5 170g

{

Flag_ERROR = 1;

}

else

{

Flag_ERROR = 0;

}

}

else

{

Weight_Shiwu = 0;

}

}

unsigned long HX711_Read(void)

//增益128

{

unsigned long count;

unsigned char i;

HX711_SCK=0;

count=0;

while(HX711_DOUT);

for(i=0;i＜24;i++)

{

HX711_SCK=1;

count=count＜＜1;

HX711_SCK=0;

if(HX711_DOUT)

count++;

}

HX711_SCK=1;

count=count^0x800000;

//第25個脈沖下降沿來時，轉換數據

HX711_SCK=0;

return(count);

}

void Delay_ms(unsigned int n)

//12M 1ms

{

unsigned int i,j;

for(i=0;i＜n;i++)

for(j=0;j＜123;j++);

}