基于51單片機(jī)智能無線充電器的設(shè)計

孫永強(qiáng) 王英 張紅茂

摘 要：本系統(tǒng)的設(shè)計主要應(yīng)用于手機(jī)和平板等便攜式設(shè)備進(jìn)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(jī)作為智能無線充電器的核心控制芯片，軟件采用backscatter調(diào)制方式，從而可以實現(xiàn)對電流和電壓進(jìn)行設(shè)置控制，從而給手機(jī)等便攜式設(shè)備進(jìn)行充電，并且具有在手機(jī)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(jī)的部分功能展開研究，導(dǎo)出用MCS-51單片機(jī)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(guān)鍵詞：MCS-51單片機(jī)；backscatter調(diào)制；無線充電器

智能無線充電技術(shù)經(jīng)過數(shù)年的研發(fā)、實驗、調(diào)試和應(yīng)用。隨著便攜式設(shè)備的廣泛應(yīng)用，該設(shè)備開始受到廣大人群大范圍的使用和極大的關(guān)注[ 1-3 ]。關(guān)于智能無線充電器的設(shè)計，重點在于將項目中所需的理論與實踐知識有機(jī)結(jié)合及其應(yīng)用。由于相關(guān)研究團(tuán)隊一般不涉及內(nèi)部結(jié)構(gòu)制作過程，市場中也不強(qiáng)調(diào)智能無線充電器的設(shè)計技術(shù)，因此，本文的目的是用MCS-51單片機(jī)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(shè)計技術(shù)，必須要掌握MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電子技術(shù)的知識。筆者作者認(rèn)為，在研究用MCS-51單片機(jī)開發(fā)智能無線充電器的技術(shù)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(jī)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(jī)開發(fā)智能無線充電器的設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用工作和生活中通常涉及的是硬件基本組成結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)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(shè)計軟件程序編寫思路。本文就MCS-51單片機(jī)的部分功能展開研究，導(dǎo)出用MCS-51單片機(jī)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(shù)來說：主要是利用電磁感應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shù)缺點是用感應(yīng)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(yīng)式原理圖如圖1所示。

2 智能無線充電器設(shè)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(yīng)線圈被動的接收發(fā)送端所發(fā)出的能量并進(jìn)行處理。整體設(shè)計思路是將交流電經(jīng)過全橋整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?2V給系統(tǒng)進(jìn)行供電，將NE555組成的振蕩器所產(chǎn)生的能量通過線圈以電磁感應(yīng)的方式發(fā)送出去，當(dāng)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(chǎn)生相應(yīng)的感生電壓，當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時則就會產(chǎn)生諧振頻率，電壓值也就會達(dá)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(shè)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(shè)計

系統(tǒng)以MCS-51單片機(jī)和KA7500B脈寬調(diào)制型開關(guān)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(jī)PWM輸出濾波后的電壓電路中的電壓反饋的正、負(fù)極對應(yīng)KA7500B的第15和16腳。

輸出電壓值公式：

3.1 硬件電路板卡的設(shè)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(yīng)線圈耦合能量，接收端的感應(yīng)線圈輸出穩(wěn)定交流電經(jīng)過接收轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為手機(jī)等便攜式設(shè)備進(jìn)行充電。

設(shè)計的硬件電路接收端是由DC/DC轉(zhuǎn)換器、按鍵模塊、顯示模塊和主控模塊等幾部分組成。DC/DC轉(zhuǎn)換器是將能量進(jìn)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(jìn)行顯示。按鍵模塊進(jìn)行對恒定的電流和電壓進(jìn)行設(shè)置，主控模塊是以MCS-51單片機(jī)為核心，然后通過外接的USB接口進(jìn)行對手機(jī)等便攜式設(shè)備進(jìn)行充電。

3.2 軟件程序設(shè)計

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

單個周期內(nèi)，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(jìn)行，第一個階段為恒流充電，其中電流可以設(shè)定，當(dāng)充電電壓達(dá)到4.2V時轉(zhuǎn)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(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換命令函數(shù)和等待轉(zhuǎn)換結(jié)束等函數(shù)等幾個階段。

3.3 系統(tǒng)整體調(diào)試

當(dāng)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(yīng)線圈中的電壓和電流達(dá)最大值，從而產(chǎn)生最大的交變電磁場。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈進(jìn)行靠近時，在接收線圈中產(chǎn)生感生電壓，當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時產(chǎn)生諧振，電壓達(dá)最大值，從而構(gòu)成了諧振回路。

系統(tǒng)整體硬件調(diào)試是將智能無線充電器的發(fā)射端和接收端進(jìn)行檢測；軟件調(diào)試過程是對上位機(jī)程序不斷優(yōu)化的過程，主要是無線通信協(xié)議backscatter調(diào)制方式。在聯(lián)調(diào)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(diào)試和理論分析；發(fā)射端感應(yīng)線圈回路與接收端感應(yīng)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(jié)語

本課題基于單片機(jī)無線電能充電器的設(shè)計系統(tǒng)的工作原理是：系統(tǒng)的設(shè)計理念是采用線圈耦合的方式來進(jìn)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(shè)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(yīng)的改變；其難點在于耦合線圈的制作和相關(guān)電子電路的設(shè)計。

對于手機(jī)等便攜式設(shè)備充電的發(fā)展已經(jīng)從單一模式進(jìn)入到信息網(wǎng)絡(luò)的無線距離通信時代。系統(tǒng)可靠性研究是今后此類設(shè)備的重要研究內(nèi)容，對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離充電是今后的重要工作。

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