采用單片機(jī)技術(shù)的無線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)討論

作者/周羅善，煙臺(tái)北方星空自控科技有限公司

單片機(jī)的發(fā)展是隨著微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展而來的。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在測(cè)控領(lǐng)域，使得多機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)，利用PC機(jī)和多片單片共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這是一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，就是在下位機(jī)的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用單片機(jī)加以現(xiàn)場(chǎng)的控制，面向被控對(duì)象的底層加強(qiáng)應(yīng)用，分析和處理功能強(qiáng)大的主控PC機(jī)，并且利用采集到的數(shù)據(jù)，將應(yīng)用加以處理，最終完成主控單元系統(tǒng)運(yùn)行[1]。

1.工作原理分析

生活中不乏無線電子設(shè)備，作為人們工作和娛樂不可或缺的設(shè)備，采用電池供電的設(shè)備需要在電量用完之后，使用充電器進(jìn)行充電，但是插拔過于頻繁不僅帶來適用上的不變，也容易損壞充電器，而便攜設(shè)備的充電器，又各不相同，因此大量的生產(chǎn)資源被生產(chǎn)出來又被浪費(fèi)著。采用近距離無線供電的方法就成為了迫不及待的解決良策。這一方法利用了電磁感應(yīng)的方法，將電能通過無線的方法傳輸?shù)诫娖髦校磥淼墓╇姺绞?，只要是在無線供電器的范圍內(nèi)，就可以對(duì)便攜式電器進(jìn)行充電。它將擁有巨大的市場(chǎng)，有必要對(duì)其無線供電電路進(jìn)行分析，通過程序的編寫將其工作原理加以展示[2]。

無線電源的線路，面向被控對(duì)象，眾多的數(shù)據(jù)被采集、分析和處理，大量的數(shù)據(jù)交換產(chǎn)生在單片機(jī)和PC機(jī)之中，大部分的時(shí)間卻處在空閑的狀態(tài)，這種情況倒置了電話號(hào)碼常常由于測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的模擬率不高，導(dǎo)致電能在連接的無線網(wǎng)絡(luò)里傳輸?shù)倪^程中，需要采用單片機(jī)的技術(shù)，進(jìn)行資源的布線成本的降低，因此對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行工作原理的分析具有十分重要的意義[2]。

1.1 基本原理

變化的電磁來自于變化的電廠。變壓器的傳送原理以及對(duì)能量的傳輸?shù)墓ぷ髟砭褪遣捎梅珠_變壓器的線圈的方式，完成無線供電，介質(zhì)為高磁導(dǎo)率的磁芯，傳輸?shù)臅r(shí)候，能量消耗過大，因此采用這一方法無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線供電。

采用光電耦合的方法，可以通過光的能量將電能傳送到無線充電器中，如今，電能轉(zhuǎn)換為光能，再轉(zhuǎn)換到電器中的電能的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是這一技術(shù)的問題在于傳輸?shù)倪^程中不能出現(xiàn)障礙予以阻擋[3]。

采用電磁共振的方法，可以將兩種相通共振頻率的介質(zhì)加以能量的傳遞，類似聲波共振的原理。

從早期的直流脈沖式到現(xiàn)在的電磁耦合多頻式，采用鍵盤方式進(jìn)行操作，擁有著很多的優(yōu)點(diǎn)，如簡(jiǎn)單和快速，抗干擾能力較強(qiáng)等等。其工作原理是以一定的方式的組合，采用低電磁的信號(hào)和高電磁的電磁的組合，構(gòu)成了多個(gè)電磁的信號(hào)，每種信號(hào)采用了電磁的組合，將無線電源中的電場(chǎng)進(jìn)行了高低磁場(chǎng)的排列，能量傳輸?shù)男屎芨遊4]。

1.2 電磁介紹

采用多個(gè)頻率合成電磁后，出新了低頻阻和高頻組的區(qū)分，每個(gè)拼組都有多個(gè)電磁和頻率，對(duì)應(yīng)的BCD碼多達(dá)到18個(gè)。鍵值對(duì)應(yīng)的頻率在按下鍵盤之后，由于頻率組合的變壓器上進(jìn)行傳輸，采用這原邊線圈和副邊線圈分離的方法，可以避免空隙過大，最終產(chǎn)生較大的磁漏，影響能量傳輸?shù)男?，為了將能量的傳輸效率予以提高，?yīng)先將輻射予以降低，然后對(duì)之加以設(shè)計(jì)，得到了采樣點(diǎn)的A/D值，最終形成了采樣頻率的對(duì)應(yīng)表，在單片機(jī)粒使用D/A轉(zhuǎn)換器加以輸出，得到了雙音頻的數(shù)字信號(hào)[5]。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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，當(dāng)需要供電時(shí)，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>

由 12V 電源對(duì)發(fā)射電路進(jìn)行供電，單片機(jī) AT89C2051的 8 號(hào)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 167kHz 的信號(hào)，開關(guān)斷開時(shí)產(chǎn)生頻率為 100kHz 的信號(hào)，信號(hào)通過 11 號(hào)引腳將信號(hào)傳遞給三極管 8550( 2073 的驅(qū)動(dòng)) 和 2073( 其上接有散熱片) ，再通過發(fā)射線圈發(fā)射信號(hào)。而接收線圈接收信號(hào)后，經(jīng)過整流，可以點(diǎn)亮發(fā)光二極管 D2( 相當(dāng)于負(fù)載) 和 D3( 相當(dāng)于工作指示燈) ，即實(shí)現(xiàn)無線供電。

用戶可以采用自動(dòng)接收的方式，只需要將接收和發(fā)射線圈進(jìn)行靠近，就可以實(shí)現(xiàn)供電。如果是數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，則可以采用模擬的信號(hào)，協(xié)助將電話的音頻信號(hào)加以通信和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的軟件主要將各個(gè)模塊之間加以協(xié)調(diào)和控制，采用人機(jī)交互的方式，進(jìn)行通信協(xié)議的執(zhí)行。

在發(fā)射電路中使用了單片機(jī) AT89C2051，單片機(jī)AT89C2051 為實(shí)現(xiàn)無線供電。跳線開關(guān) S1接通時(shí)，運(yùn)行一次是 6 個(gè)機(jī)器周期，高電平“1”有 3 個(gè)機(jī)器周期，低電平“0”有 3 個(gè)機(jī)器周期，一個(gè)機(jī)器周期為 1 μs 。NOP 指令占 1 個(gè)機(jī)周。JNB 指令占 2 個(gè)機(jī)器周期，SJMP 指令占 2 個(gè)機(jī)器周期。S1導(dǎo)通，P3． 4 為低電平時(shí)，程序執(zhí)行一次是 6 μs，信號(hào)頻率 167kHz。S1斷開，當(dāng) P3． 4 為高電平時(shí)，程序執(zhí)行一次是 10 μs，信號(hào)頻率 100 kHz。

圖1 單片機(jī)工作框

3.試驗(yàn)結(jié)果

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(gè)電壓表，當(dāng)整個(gè)電路處于工作狀態(tài)時(shí)，可以看到電壓表的示數(shù)為 4.5 V，也就是說接收電路可以輸出 4.5 V 的直流電壓。

對(duì)于傳感器的數(shù)據(jù)的采集，是利用I/V變換專程標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)后，單片機(jī)進(jìn)行了接收，然后跟隨著著通濾波器進(jìn)行輸出，并加強(qiáng)抗干擾，去除大部分固定的干擾，然后就可以采用軟件濾波的方法，進(jìn)行第二道防線的加固[7]。

對(duì)于電路的接收，采用放大的方式，根據(jù)負(fù)載的需要，改變時(shí)鐘頻率，得到頻率不同的信號(hào)，信號(hào)的放大，采用三極管的放大電路加以接受，利用耦合的方法，將變壓器加以耦合的利用，電路利用三級(jí)管的共集，增加了電路的抗干擾的性能，使得電路的安全得到了保障。上位機(jī)和下位機(jī)的程序的設(shè)計(jì)，采用雙機(jī)通信控制的方法，進(jìn)行通信協(xié)議的執(zhí)行。

單片機(jī)產(chǎn)生信號(hào)進(jìn)行頻率的計(jì)算，實(shí)在開關(guān)接通后，先進(jìn)行機(jī)周的運(yùn)行，然后采用NOP指令將機(jī)周占據(jù)，占據(jù)多個(gè)機(jī)周后，采用斷開信號(hào)頻率的方法，將低電平加以占用，程序執(zhí)行采用10μs的方式，信號(hào)頻率為100kHz,根據(jù)兩種頻率的需要，改變時(shí)鐘的頻率后，高電平擁有了3個(gè)機(jī)器周期，程序執(zhí)行的信號(hào)頻率為168Hz 。

4.結(jié)語

為了將系統(tǒng)不斷加強(qiáng)擴(kuò)展和改進(jìn)，主控器的數(shù)碼管理和鍵盤的操控采用了微機(jī)和人工雙重控制的方法，對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性具有功能互補(bǔ)的作用，經(jīng)過采用試驗(yàn)的方法，將發(fā)射線圈和接受線圈的形狀和參數(shù)加以耦合，得到了先溝通的電壓表的示數(shù)，說明在電路工作的狀態(tài)啊，接受電路可以輸出4.5V的直流電壓。

* [1] 高偉,陶玉貴,葛勝升等.采用單片機(jī)技術(shù)的無線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2013,30(4)∶35—38.

* [2] 劉盾,張柏霖.基于單片機(jī)控制技術(shù)的無線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作 ,2013,(24)∶27—27.

* [3] 鄭宇平.采用單片機(jī)技術(shù)的無線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)業(yè)家 ,2013,(17)∶61—61.

* [4] 王亞男.田間信息的遠(yuǎn)程獲取與無線傳輸系統(tǒng)的研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

* [5] 郭邦政.基于GSM短消息的廠用箱變抄表及通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].山東科技大學(xué),2015.

* [6] 霍曉瑋.裝載機(jī)無線遙控系統(tǒng)研究[D].廈門大學(xué),2011.

* [7] 田常玲.注水井壓力自動(dòng)采集系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].中國(guó)石油大學(xué)(華東),2012.