采用單片機技術(shù)的無線供電系統(tǒng)設(shè)計

高 偉，陶玉貴，葛勝升

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學院電子信息系，安徽蕪湖 241003）

現(xiàn)代電子科學技術(shù)的日新月異，如手機、掌上電腦、MP4等便攜式電子設(shè)備越來越多地進入我們?nèi)祟惖纳钪校蔀槿藗儾豢扇鄙俚墓ぷ骱蛫蕵吩O(shè)備，這些設(shè)備都是采用電池供電，當電池電量用完之后，需要使用充電器，對其進行充電，這樣一方面，頻繁的插拔不但使用不便，而且很容易損壞;另一方面，越來越多的便攜式設(shè)備投入使用，各自的充電器都不相同，互不通用，如果能夠像USB接口那樣，存在一種通用的供電方式，方便對各種電子設(shè)備供電，即可以方便人們的生活，又可以節(jié)約大量生產(chǎn)資源。因此，在此設(shè)計了一種可以近距離、無線供電方案，不需要任何實質(zhì)上的連接，采用電磁感應(yīng)技術(shù)，通過無線的方式，將電能傳輸給用電器。這種近距離無線供電技術(shù)擁有廣泛的應(yīng)用前景。將來只需要將手機、掌上電腦等便攜式設(shè)備放到無線供電器的工作范圍內(nèi)，無需插拔連線就可以供電，這樣可以給我們生活帶來極大的便利。目前，對于無線供電技術(shù)的研究才剛剛起步。本文設(shè)計了一個簡單的無線供電電路，利用單片機AT89C2051的特征設(shè)計電路，并編寫一個簡單的程序來實現(xiàn)無線供電，從而實現(xiàn)簡易無線供電系統(tǒng)。

1 基本原理

早在許多年前就有無線供電技術(shù)這個概念，不少專家對此都有研究。目前，無線供電技術(shù)主要有以下3種方法。

（1）電磁耦合:變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，變壓器就是利用這個原理傳送能量的，如果把變壓器的兩個線圈分開，就是無線供電。但是用這種方法有一個很大的缺點，沒有高磁導率的磁芯作為介質(zhì)，磁力線會嚴重發(fā)散到空氣中，傳輸時能量消耗很大，特別是兩個線圈距離很遠的時候，能量損耗非常大。因此不適合大功率，遠距離的無線供電。

（2）光電耦合:就是把電能轉(zhuǎn)換成光能，通過光將能量傳送到用電器再轉(zhuǎn)換成電能。這種技術(shù)比較直觀，而且光電轉(zhuǎn)換技術(shù)也比較成熟，但是缺點就是光在傳輸途中不能有障礙物，否則能量無法傳送到用電器。

（3）電磁共振:其原理類似聲波共振的原理，兩種介質(zhì)具有相同的共振頻率，就可以用來傳遞能量。由于本文只需要設(shè)計一個近距離的無線供電系統(tǒng)，所以采用電磁耦合的方式來傳送能量。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場。變壓器就是根據(jù)這一原理制作而成的，它通過交變磁場把電量傳送給用電器。如圖1所示，為常見變壓器的的結(jié)構(gòu)，原邊線圈和副邊線圈由閉合鐵心（由高磁導率材料構(gòu)成）連接在一起，原線圈和副線圈之間緊密耦合，這樣磁漏很小，能量傳輸效率很高。

在此提出的無線供電原理與變壓器類似，但結(jié)構(gòu)和常見變壓器不同，采用的是原邊線圈和副邊線圈分離的結(jié)構(gòu)，之間沒有任何實質(zhì)上的連接，這樣原邊線圈和副邊線圈存在空隙，磁漏較大，對能量傳輸?shù)男视绊戄^大。為了提高能量的傳輸效率，降低輻射，就需要空隙盡量的小，在本系統(tǒng)設(shè)計中，副邊線圈在原邊線圈上方，原邊和副邊空隙＜2 cm。

圖1 常見的變壓器

圖2 發(fā)射電路

2 系統(tǒng)構(gòu)成與分析

2.1 整體電路設(shè)計

一個簡單的近距離無線供電系統(tǒng)主要由兩部分電路組成，發(fā)射電路和接受電路，分別如圖2、圖3所示。當需要供電時，只需要將接收線圈靠近發(fā)射線圈，通過電磁感應(yīng)，發(fā)射端的能量就傳輸?shù)浇邮斩恕?/p>

2.2 電路工作流程

由12 V電源對發(fā)射電路進行供電，單片機AT89C2051的8號引腳接跳線選擇開關(guān)S1，開關(guān)接通即接地產(chǎn)生頻率約167 KHz的信號，開關(guān)斷開時產(chǎn)生頻率為100 KHz的信號，信號通過11號引腳將信號傳遞給三極管8550（2073的驅(qū)動）和2073（其上接有散熱片），再通過發(fā)射線圈發(fā)射信號。而接收線圈接收信號后，經(jīng)過整流，可以點亮發(fā)光二極管D2（相當于負載）和D3（相當于工作指示燈），即實現(xiàn)無線供電。（其中發(fā)射線圈和接受線圈用銅線繞成圓形）

2.3 單片機工作原理及數(shù)據(jù)計算

2.3.1 單片機程序設(shè)計

在發(fā)射電路中使用了單片機AT89C2051，單片機AT89C2051為實現(xiàn)無線供電，設(shè)計程序如下:

2.3.2 單片機產(chǎn)生信號頻率計算

采用的是12 MHz的時鐘頻率，跳線開關(guān)S1接通時，運行一次是6個機周，高電平“1”有3個機周，低電平“0”有3個機周，一個機周為1 μs。NOP指令占1個機周。JNB指令占2個機周，SJMP指令占2個機周。

S1導通，P3.4為低電平時，程序執(zhí)行一次是6 μs，信號頻率167 KHz。S1斷開，當P3.4為高電平時，程序執(zhí)行一次是10 μs，信號頻率100 KHz。

這里我們可以得到兩種頻率的信號，這樣可以根據(jù)負載的需要，通過改變時鐘頻率，得到不同頻率的信號。單片機工作框圖如圖4所示。

圖3 接收電路

圖4 單片機工作框圖

2.4 實驗結(jié)果檢測

用銅線構(gòu)成發(fā)射線圈和接受線圈，其形狀和參數(shù)完全相同，在接受電路中加一個電壓表，當整個電路處于工作狀態(tài)時，可以看到電壓表的示數(shù)為4.5 V，也就是說接受電路可以輸出4.5 V的直流電壓。

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