無線能量及信息傳輸系統(tǒng)

【摘要】本設(shè)計(jì)采用PIC16F877單片機(jī)作為主控芯片，系統(tǒng)通信載波頻率選用184kHz，由ATC2051 MCU產(chǎn)生，具有較高的穩(wěn)定性。通過線圈耦合實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸，相關(guān)的信息使用LCD顯示，具有較好的顯示界面；通過改變LC諧振兩端的電壓值可以調(diào)節(jié)接收端的電壓值。并且在發(fā)射端用一個(gè)采樣電阻測量整機(jī)工作電流，根據(jù)P=U*I可以實(shí)時(shí)用液晶顯示發(fā)射機(jī)的功耗。接收模塊通過控制其線圈回路的通斷，通過耦合改變能量發(fā)射模塊的諧振回路的Q值，實(shí)現(xiàn)了照明模塊和能量發(fā)射模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；能量傳輸；LC諧振；數(shù)據(jù)傳輸

1.引言

電能的傳輸長期以來主要是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行傳輸，電器設(shè)備通過插頭和插座、開關(guān)、繼電器等接觸器獲得電能。隨著用電設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)、安全性、可靠性、方便性、及時(shí)性等要求的不斷提高，還有特殊場合、特殊地理環(huán)境的供電，使得接觸式電能傳輸方式，越來越不能滿足實(shí)際需要。因此無線電能傳輸越來越受到人們的關(guān)注，并被美國《技術(shù)評(píng)論》雜志評(píng)選為未來十大科研方向之一。

2.論文目標(biāo)

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸，主要由主控單片機(jī)模塊、電源控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊組成。發(fā)射模塊和接收模塊通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。改變電源模塊的輸出電壓，使發(fā)射模塊得到不同的輸入電壓，從而改變接收模塊上5個(gè)LED燈的亮度。

3.總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊和接收模塊組成，發(fā)射模塊如圖1所示，它包含了電源處理電路，發(fā)射電路電壓控制模塊，發(fā)射電路，解調(diào)電路，顯示模塊等電路。接收模塊如圖2所示，它包含了LC諧振電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路等模塊。

圖1 能量發(fā)射模塊

圖2 能量接收模塊

4.硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 主控單片機(jī)模塊

該設(shè)計(jì)采用兩款單片機(jī)，PIC16F877單片機(jī)和AT89C2051單片機(jī)，PIC單片機(jī)可對(duì)采樣電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓檢測，送給單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并且通過計(jì)算即可得出功率，最后顯示在液晶屏上。通過改變lm317的輸出電壓，為發(fā)射模塊提供不同的電壓值，從而使接收端可以得到不同的電壓，進(jìn)而改變LED燈的亮度。通過UART對(duì)解調(diào)回來的波形進(jìn)行解調(diào)，識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射模塊和接收模塊的相互通信。ATC2051作為載波發(fā)射器輸出184k載波送給發(fā)射模塊，用這種方式產(chǎn)生的載波穩(wěn)定性較好。

4.2 調(diào)制發(fā)射電路

由于近距離無線通信采用線圈諧振的方式傳遞能量、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，調(diào)制我們采用ASK的調(diào)制方式，這種方式在電路上較容易實(shí)現(xiàn)而且硬件電路相對(duì)來說比較簡單，由此該模塊電路主要由驅(qū)動(dòng)電路和檢波放大電路組成。AT89C2051單片機(jī)輸出的信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后加到LC諧振回路上，實(shí)際使用中需調(diào)整LC的諧振頻率與AT89C2051單片機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)頻率一致。在L與C聯(lián)接端得到30V左右的諧振電壓，使電感線圈L產(chǎn)生較高的電磁場，為接收模塊提供能量。

LC諧振電路頻率計(jì)算公式：

（5-1）

高頻載波驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，ATC2051產(chǎn)生184KhzPWM方波作為輸入信號(hào)CLK，經(jīng)U1A和U1B（7404數(shù)字集成電路）的緩沖，Q1（IRF9640）和Q2（IRF640）組成乙類功率放大器，為LC串聯(lián)諧振回路提供激勵(lì)信號(hào)。Q1、Q2選用MOS管。利用開關(guān)二極管D1對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行整流，以便得到正半周信號(hào)。

圖3 載波驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4.3 接收檢波放大電路設(shè)計(jì)

接收模塊通過通訊線圈回路的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射模塊諧振回路衰減系數(shù)的調(diào)制，從而將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給發(fā)射模塊，因此在發(fā)射模塊，需要由檢波電路將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。信號(hào)檢波放大模塊電路如圖所示，C3、R1和D1組成二極管包絡(luò)檢波，濾掉載波信號(hào)，得到一定的直流電平及微弱的包絡(luò)信號(hào)。為了提高檢波性能，RC的取值依據(jù)系統(tǒng)通訊的最高波特率確定，同時(shí)載波對(duì)檢波電路的要求，即滿足的條件?？紤]到檢波對(duì)諧振回路的衰減，C2的取值不可過大，最終確定最終取R1為1M，C為100pF的電容。

（5-2）

RC=1×106×100×10-12

=100×10-6（s）>>0.24×10-6（s） （5-3）

由于解調(diào)后的信號(hào)幅值很小，需經(jīng)多級(jí)放大后，才能將電平輸出給單片機(jī)處理。C6、C5、R2、R3、U1C、U1D對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行放大。R4和C7組成一階RC低通濾波，濾掉高頻雜波（主要為通訊的載波）后，再由C8、R5、U1E放大后，經(jīng)U1F整形后的調(diào)制信號(hào)，送給閱讀器主控單片機(jī)進(jìn)行解碼。

圖4 檢波放大電路原理圖

4.4 供電模塊

供電電源為+12V，總共分兩路輸出：一路供給PIC單片機(jī)模塊，用LM7805把它降成5V；一路為發(fā)射模塊供電；發(fā)射模塊采用LM317外接電路，通過IO口控制三極管的通斷來產(chǎn)生不同的電壓為發(fā)射模塊供電。

如圖5所示：LM317輸出的電壓是1.2V到3.7V，負(fù)載電流最大為1.5V。它的使用非常簡單，僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM317內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。

圖5 供電模塊原理圖

4.5 Nokia 5110液晶顯示模塊

該液晶具有以下特點(diǎn)：

（1）84*48的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字。

（2）采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅8條。

（3）采用低電壓供電，正常顯示時(shí)的工作電流在200Ua以下。

（4）可以顯示漢字，使要顯示的信息更直觀明了。

4.6 電流采樣電路

電流采樣電路采用一個(gè)1歐的電阻，然后經(jīng)lm358放大電壓，最后送到主控單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，經(jīng)過換算就可得能量發(fā)射模塊的總電流。

4.7 接收模塊電路

接收模塊由LC組成并聯(lián)諧振回路，無線接收發(fā)送端傳送的能量，然后經(jīng)1N5817二極管整流再通過電容濾波，再用7533-1穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓，最后再經(jīng)過電容濾波，給然后給5個(gè)并聯(lián)的LED燈供電。

4.8 接收模塊的調(diào)制電路

調(diào)制電路由AT89C2051的TXD腳控制三極管的通斷進(jìn)而控制接收模塊線圈的通斷。這樣就實(shí)現(xiàn)了通過耦合改變能量發(fā)射模塊的諧振回路的Q值，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)射模塊和接收模塊之間的通信（數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)制）。

5.軟件設(shè)計(jì)

無線能量傳輸主要是由發(fā)射模塊和接收模塊組成。

圖6 發(fā)射模塊工作流程圖

圖7 接收模塊工作流程圖

6.調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試過程一共可以分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

6.1 硬件調(diào)試

在硬件調(diào)試過程中，我們采用分模塊調(diào)試的方法，給各小模塊上電，先用萬用表測出供電模塊的兩路電壓值，看是否正常。然后把其中的一路供給lm317，一路供給MCU。接著結(jié)合PIC單片機(jī)的按鍵控制lm317的輸出電壓值并加在LC振蕩電路的兩端，看LED燈是否能顯示不同等級(jí)亮度。接收模塊則直接用萬用表的電流檔串聯(lián)接入LED，得出電流值。

通信方面，則采用ATC2051的串口和PIC的uart直接相連的方法，先測試看能不能相互通信，最后再加上調(diào)制電路和解調(diào)電路，看能否正常通信。

6.2 軟件調(diào)試

軟件的編寫主要是nokia5110液晶的顯示和兩個(gè)按鍵的使用和PIC16F877中A/D的使用。在調(diào)試過程中，我們先把能量發(fā)送模塊和能量接收模塊直接連接，一塊MCU用uart發(fā)送類似紅外的編碼，另一塊MCU進(jìn)行接收解析數(shù)據(jù)包，調(diào)試系統(tǒng)的通信模塊。最后再加上調(diào)制電路和解調(diào)電路，實(shí)現(xiàn)發(fā)送模塊和接收模塊的無線通信。

7.系統(tǒng)測試

7.1 測試的方法

在測試中，按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行測試，首先上電，改變LM317調(diào)節(jié)端的電阻值，給發(fā)射模塊提供不同的電壓，然后接上電流檢測模塊，再連接MCU，最后在接收模塊進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的檢測和記錄。對(duì)于電流和功耗的檢測我們采用萬用表串聯(lián)檢測的方法。

7.2 測試數(shù)據(jù)

表1 測得的系統(tǒng)數(shù)據(jù)

發(fā)射電壓（V）發(fā)射模塊功率（W）接收模塊功率（W）傳輸效率傳輸距離（mm）

128.0324.99662.2%10

8.0324.12051.3%20

8.0323.15739.3%30

77.3424.46460.8%10

7.3423.46547.2%20

7.3422.84938.8%30

56.7224.01359.7%10

6.7222.93343.6%20

6.7222.27833.9%30

8.結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸，通過無線供電方式使接收模塊的5個(gè)LED燈正常發(fā)光，在10mm時(shí)每個(gè)LED電流可以達(dá)到12mA，在30mm時(shí)每個(gè)LED電流可以達(dá)到10.5mA。液晶能夠很好的顯示發(fā)射模塊的功耗和接收模塊上5個(gè)LED的亮度等級(jí)，具有良好的界面，功耗誤差也不超過±5%。通過按鍵可以切換LED不同等級(jí)的亮度。

本設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善之后可以用于醫(yī)學(xué)檢測，具有較高的商用價(jià)值。

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