基于無線充電技術(shù)的新時代應急手電筒設計

林瀟鴻，吳鈺鑫，陳劍波，姬樂鈞，何胤康

（廣東工業(yè)大學華立學院，廣東 廣州 511325）

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，手電筒的設計與使用方式在不斷更新。如今場所中使用的手電筒均為有線充電式手電筒，手電筒上有一個或多個接口，充電口插拔次數(shù)較多易出現(xiàn)接口損壞和接觸不良等問題，應用無線充電技術(shù)可以較好地擺脫充電線和充電接口的限制。傳統(tǒng)的傳輸方式為有線方式，生活中大量電器供電必會導致多種電源線交叉，給人們生活帶來極大不便。本項目將利用無線充電技術(shù)為手電筒提供電源，這種方式相比傳統(tǒng)的充電技術(shù)，減少了普通干電池的使用量，更安全，更環(huán)保。無線充電技術(shù)的使用能夠使電器的安全性能得到一定程度的提升，這種充電方式對于充電位置沒有限制，市場發(fā)展前景廣闊。

在無線充電的基礎(chǔ)上，手電筒可以根據(jù)實地環(huán)境的光線對手電筒亮度進行智能調(diào)控，當遇到緊急情況時可以使用SOS頻閃信號求助，發(fā)射出特殊的照射光線，必要時可開啟SOS報警求救。相較于普通照明手電筒，本項目手電筒通過單片機主控芯片對強光LED和蜂鳴器進行控制，可為遇險人員提供有效的求救手段，幫助搜救人員快速定位，更好地幫助遇險人員脫離危險。

1 硬件設計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設計

本項目提出以單片機主控模塊為核心，對無線充電模塊、智能調(diào)節(jié)模塊和SOS求助模塊進行綜合控制設計，該硬件整體框架如圖1所示。

圖1 硬件框架

該應急手電筒由兩節(jié)3.7 V的18650鋰電池進行儲能和供能，再由恒壓供電模塊降壓并穩(wěn)壓至5 V后供主控芯片使用。主控芯片將控制LED燈光模塊以3種不同的設計模式運行，同時在SOS救援模式下配合蜂鳴器閃爍。LED照明亮度可以連續(xù)變化，使手電筒的調(diào)光更加平滑。該手電筒為普通模式、智能調(diào)節(jié)模式及SOS求助模式設置了優(yōu)先級，優(yōu)先級從大到小依次為SOS求助模式、普通模式和智能調(diào)節(jié)模式。即使用SOS求助模式會覆蓋其他模式運行；使用普通模式時將覆蓋智能調(diào)節(jié)模式，由使用者進行手動調(diào)節(jié)；未選擇其他模式時，手電筒將默認開啟智能調(diào)節(jié)模式，利用光敏電阻調(diào)節(jié)模塊主動介入調(diào)節(jié)手電筒亮度。

1.2 無線充電模塊

無線充電模塊采用感應式無線充電技術(shù)，原理：松耦合變壓器通入交流電引發(fā)電磁感應效應。在該無線充電模塊中，將直流電變?yōu)殚_關(guān)的脈沖信號，可實現(xiàn)初級與次級線圈的互感無線輸能。兩線圈在同一磁場區(qū)域中以同樣的頻率發(fā)生共振，可利用磁感應實現(xiàn)電能傳輸。無線輸電技術(shù)在極近距離內(nèi)效率很高，但傳輸效率會隨傳輸距離的增加和接收端位置的變化而顯著減小，一般用于厘米級的短距離傳輸。無線充電原理如圖2所示。

圖2 無線充電原理

發(fā)射端選用KTX-510無線供電芯片，該芯片的優(yōu)點在于擁有先進的寬電壓自適應設計工藝，發(fā)射端電路可以在規(guī)定工作電壓范圍內(nèi)使用且無需變動任何外部電路元件。電路高度集成化，集功能調(diào)節(jié)、電壓檢測、頻率鎖定于一體，大大簡化了無線充電發(fā)射端電路。H1接入發(fā)射線圈，發(fā)射線圈電感量為10 μH。發(fā)射端電路如圖3所示。

圖3 發(fā)射端電路

接收端選用XKT-R2芯片與周圍電路搭配完成。H1端接入充電電容負載，H2端接入電感為5 μH的接收感應線圈。XKT-R2芯片通過輸出電壓進行判斷，實現(xiàn)充電啟停。為充電截止電壓的可調(diào)電阻，通過調(diào)整的阻值可以改變自停電壓。當XKT-R2芯片對電容充電時，LED1燈亮，否則熄滅。若后期因設計所需或線圈尺寸限制而需要更改電感的收發(fā)線圈時，可調(diào)整的電容量。接收端電路如圖4所示。

圖4 接收端電路

1.3 電源管理模塊

2節(jié)18650鋰電池串聯(lián)最高工作電壓為7.4 V，電池過充存在爆炸隱患，所以需要添加自停電路來保證電池組不會過充。主控芯片STC89C52的工作電壓為3.3～5.5 V，為使其穩(wěn)定工作，需要添加DC-DC降壓電路。電源控制電路如圖5所示。

圖5 電源控制電路

該電路可為主控芯片提供5 V的恒壓供電，保證其處于穩(wěn)定的工作環(huán)境，同時為LED模塊提供可靠的電流輸出。該電路采用的芯片可接受4～42 V的電壓輸入，經(jīng)降壓后可維持5 V/2 A的恒壓輸出。

1.4 智能調(diào)節(jié)模塊

智能調(diào)節(jié)模塊由光敏電阻調(diào)節(jié)模塊以及可手動調(diào)光的恒流調(diào)光模塊構(gòu)成。該模塊在開啟智能調(diào)節(jié)模式下可自主識別周圍環(huán)境光線，自適應調(diào)節(jié)手電筒光照強度。當光照增強時，采樣電壓變大，兩者成正比關(guān)系。恒流調(diào)光模塊可在手動模式下手動調(diào)節(jié)亮度，各模塊間通過選擇開關(guān)切換。矩陣燈光控制圖如圖6所示。

圖6 矩陣燈光控制圖

PWM燈光控制器用于手動控制燈光強弱，旋轉(zhuǎn)Q即可調(diào)整光強。考慮到發(fā)射光的特性隨著平均驅(qū)動電流而偏移，因此在PWM模式下，最大亮度時LED輸出有效電壓為4.96 V，最小亮度時LED輸出有效電壓為3.55 V，低于該電壓LED不亮。通過改變PWM調(diào)光電路輸出PWM的占空比，進而控制LED的平均電流，從而靈活改變LED照明模塊亮度。PWM調(diào)光精度高，控制亮度變化使其不會產(chǎn)生明顯偏色，具備功耗低、發(fā)熱低等優(yōu)點。PWM電路控制圖如圖7所示。

圖7 PWM電路控制圖

1.5 SOS求助模塊

SOS求助模塊由蜂鳴器與SOS呼吸燈組成，該模塊將蜂鳴器頻率設置成實際需要的數(shù)值，同時利用PWM原理控制LED燈形成三短三長三短的閃動規(guī)律，利用編程使蜂鳴器與LED燈協(xié)同運作，從而發(fā)揮SOS求助模塊的作用。

2 軟件設計

本項目手電筒的軟件設計流程如圖8所示。該系統(tǒng)主要包括3種模式和1個狀態(tài)顯示模塊。當主控系統(tǒng)運行后，各功能模塊初始化，OLED模塊不斷讀取手電筒的電量，并顯示當前手電筒的運行模式。手電筒設置有3個按鍵，初始化后單片機通過不斷獲取鍵值來確定運行模式。

圖8 軟件流程設計

選擇智能調(diào)節(jié)模式，光敏電阻調(diào)節(jié)模塊通過對周圍環(huán)境光強度進行持續(xù)性測量，將測量的光照系數(shù)反饋給單片機，控制RGB LED燈板的亮滅時間，實現(xiàn)黑暗環(huán)境下自動調(diào)節(jié)手電筒亮度的功能。用戶可以在田野、室內(nèi)及小巷道路等場所選擇普通模式，手動調(diào)節(jié)手電筒的光照強度；當用戶遇到危險時，可以快速選擇SOS模式，便于援救者更好地實施救援。該模式根據(jù)國際莫爾斯電碼救難信號控制RGB LED燈板閃爍，周期為3.75 s。

3 實驗仿真

在保證抑制頻率分裂現(xiàn)象和改善充電均勻度的情況下，應盡可能提高線圈的充電可移動距離，并且控制收發(fā)線圈的尺寸（不宜過大）。本項目對串聯(lián)反向線圈結(jié)構(gòu)式充電進行仿真。

本項目根據(jù)充電距離從10 mm到50 mm進行20次仿真，得到電源轉(zhuǎn)換率對比圖，如圖9所示。從圖中可以看到，改進后的無線圈最高轉(zhuǎn)換效率達87%，在30 mm范圍內(nèi)可實現(xiàn)85%以上的轉(zhuǎn)換效率。相比傳統(tǒng)的普通線圈充電方式，該串聯(lián)反向線圈結(jié)構(gòu)式充電更加穩(wěn)定，既提高了充電效率，也破除了手電筒在充電時的工作限制。在無線充電已逐漸成為主流充電方式的趨勢下，我們希望通過無線充電技術(shù)來增強該手電筒在科技方面的優(yōu)勢，使其滿足當代消費者的需求。轉(zhuǎn)換效率對比見表1所列。

表1 轉(zhuǎn)換效率對比

圖9 電源轉(zhuǎn)換率對比

4 結(jié) 語

本文通過構(gòu)建無線充電模塊、智能調(diào)節(jié)模塊和SOS求助模塊于一體的硬件結(jié)構(gòu)，在軟件控制的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了手電筒對于黑暗環(huán)境的照明。采用智能調(diào)節(jié)模塊對環(huán)境光強數(shù)據(jù)進行采集，從而對手電筒光線強度進行自適應調(diào)節(jié)。采用SOS求助模塊對特定場景進行特殊處理。相比傳統(tǒng)產(chǎn)品，采用本文的無線充電方式充電效率較高，穩(wěn)定性較好，可以很好地為人們服務。