基于壓力傳感的多手機(jī)無線充電器的設(shè)計(jì)*

尹序臻，吳明煌，陳方斯，林佳萍

（廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024）

1 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能手機(jī)、平板電腦等一些電子產(chǎn)品在不斷地更新?lián)Q代，但是，相應(yīng)電子產(chǎn)品的電池電量有限，各種電子產(chǎn)品有線充電接頭不兼容又給人們的使用帶來了不便。無線充電具有使用方便、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，因而受到人們廣泛的關(guān)注，但是市面上現(xiàn)有的無線充電產(chǎn)品主要給單個(gè)便攜式電子設(shè)備進(jìn)行充電。相對(duì)于市面上的無線充電產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)手機(jī)同時(shí)充電，避免了凌亂充電線的困擾；同時(shí)充電有效區(qū)域更大，讓手機(jī)充電擺放位置不受限制；此外本設(shè)計(jì)具有嵌入桌面的功能，方便且美觀。兼容性決定手機(jī)無線充電技術(shù)的發(fā)展前景，Qi協(xié)議無線充電標(biāo)準(zhǔn)旨在保證不同品牌間的兼容性，相配套的接收端使得無線充電不再受手機(jī)型號(hào)限制[1]。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要由51單片機(jī)、開關(guān)電源、應(yīng)變式壓力傳感器、電流傳感器和LED背光燈條組成。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的整體思路為：將接入的220V交流電壓通過變電器變壓整流輸出12V直流電壓為系統(tǒng)進(jìn)行供電，各模塊間通過51單片機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

3 功能介紹

本設(shè)計(jì)具有以下3大功能：

⑴實(shí)現(xiàn)對(duì)4部手機(jī)進(jìn)行無線充電：文章所提出的方法可根據(jù)需求擴(kuò)展到更多手機(jī)的無線充電。

⑵識(shí)別手機(jī)并執(zhí)行充電操作：移開或電池充滿情況下自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，從而降低功耗。

⑶實(shí)現(xiàn)過充、過流保護(hù)并顯示充電狀態(tài)：當(dāng)手機(jī)充滿后，關(guān)閉充電器的充電電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)；如果用戶誤把金屬放置在充電面板上或手機(jī)電池?fù)p壞，關(guān)閉充電電路并發(fā)出警報(bào)；手機(jī)的充電狀態(tài)有相應(yīng)的指示燈閃爍提示用戶。

4 工作原理

目前，利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸主要分為3類：感應(yīng)耦合方式、電磁諧振方式和微波輻射方式[2]。本設(shè)計(jì)采用感應(yīng)耦合方式的電磁感應(yīng)原理，由電源管理模塊將220 V交流電通過變電器降壓整流輸出12 V的直流電用于驅(qū)動(dòng)各模塊，使用MOS管對(duì)半橋逆變電路控制關(guān)斷，同時(shí)提高信號(hào)功率[3]。

無線充電發(fā)射端由5 V直流電壓供電，由51單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)控制逆變電路的 MOS管的導(dǎo)通和截止，驅(qū)動(dòng)芯片

TPS28225內(nèi)置14 ns的自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間，使用逆變電路使得上下2個(gè)橋臂的MOS管不能同時(shí)導(dǎo)通。通過功率驅(qū)動(dòng)電路將功率放大后傳送到高頻全橋逆變模塊，然后驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈陣列。接收端接收電能后通過整流、濾波和電壓調(diào)節(jié)向負(fù)載端供電?；玖鞒倘鐖D2。

圖2 充電模塊基本流程

5 負(fù)載檢測

在手機(jī)識(shí)別方面是基于壓力檢測機(jī)制。本設(shè)計(jì)采用壓力傳感器YTC-133定時(shí)掃描的方式檢測重量變化，通過定時(shí)判斷重量變化差值判斷負(fù)載是否存在以及是否有新的手機(jī)存在，相對(duì)于使用負(fù)載檢測技術(shù)[4]，這種控制方法更簡單，且功耗更低。YTC-133采用16位的讀取儲(chǔ)存方式，單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，YTC-133將檢測的數(shù)據(jù)通過自身的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換生成16位2進(jìn)制數(shù)字量傳給單片機(jī)。充電器面板上內(nèi)置壓力傳感器，若有物體放在充電器面板上時(shí)，壓力傳感器產(chǎn)生信號(hào)，單片機(jī)檢測到信號(hào)后進(jìn)行判斷，當(dāng)質(zhì)量大于150 g時(shí)輸出PWM到發(fā)射電路，進(jìn)入充電模式。啟動(dòng)4個(gè)發(fā)射電路，利用這個(gè)原理我們可以讓無線充電器不用時(shí)刻保持在工作狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能減耗的目的。

圖3 負(fù)載檢測流程

6 過載保護(hù)

為了實(shí)現(xiàn)過充、過流保護(hù)，我們采用電流傳感器HTC-LTS。充電過程中單片機(jī)通過電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控電流變化。

當(dāng)4個(gè)發(fā)射電路啟動(dòng)時(shí)通過電流傳感器掃描線圈以確定手機(jī)放置位置，即確定相對(duì)應(yīng)發(fā)射電路電流是否大于設(shè)定的閾值（1.2 A)，根據(jù)手機(jī)位置信息保留對(duì)應(yīng)的發(fā)射電路，給手機(jī)供電。當(dāng)手機(jī)充滿，電流傳感器檢測到發(fā)射電路電流減小，即發(fā)射電路電流小于設(shè)定閾值（1.2 A），則單片機(jī)關(guān)閉發(fā)射電路，停止供電進(jìn)入待機(jī)模式。在過流保護(hù)方面，我們通過設(shè)定一個(gè)安全電流上限值，當(dāng)充電電流超過安全上限（1.5 A)，則停止充電。在充電過程中我們采用LED背光燈條顯示充電狀態(tài)，共有以下狀態(tài)：

⑴ 進(jìn)行電路檢測時(shí)4個(gè)藍(lán)色呼吸燈點(diǎn)亮。

⑵ 檢測到充電線路時(shí)將當(dāng)前線路的紅色呼吸燈點(diǎn)亮，熄滅所有藍(lán)色呼吸燈。

⑶ 當(dāng)電流充滿時(shí)，點(diǎn)亮當(dāng)前線路的藍(lán)色呼吸燈。

這里通過一個(gè)按鈕控制綠色背光燈條是否工作，可根據(jù)用戶喜好進(jìn)行選擇。

7 軟件流程

軟件設(shè)計(jì)如下圖4所示，當(dāng)壓力傳感器檢測到物體后，51單片機(jī)啟動(dòng)所有發(fā)射電路。電流傳感器采集發(fā)射端電流值，首先判斷電流值是否超出安全上限，如果超過則代表手機(jī)損壞或誤放金屬類物體，單片機(jī)關(guān)閉所有發(fā)射電路。然后判斷電流值是否低于設(shè)定閾值，如果低于設(shè)定閾值則代表手機(jī)已經(jīng)充滿或是由于其他充電位的干擾而產(chǎn)生的干擾電流，單片機(jī)關(guān)閉相對(duì)應(yīng)的發(fā)射電路。具體的程序見附件。

圖4 軟件流程

8 結(jié)語

相對(duì)于市面上的無線充電產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)手機(jī)同時(shí)充電的功能，讓用戶再也不用被凌亂的充電線所困擾。充電有效區(qū)域更大，讓手機(jī)充電擺放位置不受限制。相配套的接收端使得無線充電不再受手機(jī)型號(hào)限制。此外，本裝置設(shè)計(jì)具有嵌入桌面的功能，方便且美觀。

附件

壓力傳感程序

#include ＜reg52.h＞

#include ＜intrins.h＞

//函數(shù)或者變量聲明

void Delay_ms(unsigned int n);

void Get_Weight();

unsigned long HX711_Read(void);

sbit HX711_DOUT=P2^1;

sbit HX711_SCK=P2^0;

unsigned long HX711_Buffer = 0;

unsigned long Weight_Maopi = 0;

long Weight_Shiwu = 0;

unsigned char flag = 0;

bit Flag_ERROR = 0;

sbit error= P1^0;

#define GapValue 400

void main()

{

Delay_ms(1000); //延時(shí)1s,等待

傳感器穩(wěn)定

Weight_Maopi = HX711_Read();

//稱初始重量

while(1)

{

Get_Weight(); //稱重

if(Flag_ERROR == 1)

{

error=0;

}

else

{

error=1;

}

}

}

void Get_Weight()

{

Weight_Shiwu = HX711_Read();

Weight_Shiwu = Weight_Shiwu -

Weight_Maopi; //獲取凈重

if(Weight_Shiwu ＞ 0)

{

Weight_Shiwu = (unsigned int)((float)Weight_Shiwu/GapValue);

//計(jì)算實(shí)物的實(shí)際重量

if(Weight_Shiwu ＞ 150)

//超重報(bào)警 MX5 170g

{

Flag_ERROR = 1;

}

else

{

Flag_ERROR = 0;

}

}

else

{

Weight_Shiwu = 0;

}

}

unsigned long HX711_Read(void)

//增益128

{

unsigned long count;

unsigned char i;

HX711_SCK=0;

count=0;

while(HX711_DOUT);

for(i=0;i＜24;i++)

{

HX711_SCK=1;

count=count＜＜1;

HX711_SCK=0;

if(HX711_DOUT)

count++;

}

HX711_SCK=1;

count=count^0x800000;

//第25個(gè)脈沖下降沿來時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

HX711_SCK=0;

return(count);

}

void Delay_ms(unsigned int n)

//12M 1ms

{

unsigned int i,j;

for(i=0;i＜n;i++)

for(j=0;j＜123;j++);

}