基于無(wú)線充電技術(shù)的新時(shí)代應(yīng)急手電筒設(shè)計(jì)

林瀟鴻，吳鈺鑫，陳劍波，姬樂(lè)鈞，何胤康

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣東 廣州 511325）

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，手電筒的設(shè)計(jì)與使用方式在不斷更新。如今場(chǎng)所中使用的手電筒均為有線充電式手電筒，手電筒上有一個(gè)或多個(gè)接口，充電口插拔次數(shù)較多易出現(xiàn)接口損壞和接觸不良等問(wèn)題，應(yīng)用無(wú)線充電技術(shù)可以較好地?cái)[脫充電線和充電接口的限制。傳統(tǒng)的傳輸方式為有線方式，生活中大量電器供電必會(huì)導(dǎo)致多種電源線交叉，給人們生活帶來(lái)極大不便。本項(xiàng)目將利用無(wú)線充電技術(shù)為手電筒提供電源，這種方式相比傳統(tǒng)的充電技術(shù)，減少了普通干電池的使用量，更安全，更環(huán)保。無(wú)線充電技術(shù)的使用能夠使電器的安全性能得到一定程度的提升，這種充電方式對(duì)于充電位置沒(méi)有限制，市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊。

在無(wú)線充電的基礎(chǔ)上，手電筒可以根據(jù)實(shí)地環(huán)境的光線對(duì)手電筒亮度進(jìn)行智能調(diào)控，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)可以使用SOS頻閃信號(hào)求助，發(fā)射出特殊的照射光線，必要時(shí)可開(kāi)啟SOS報(bào)警求救。相較于普通照明手電筒，本項(xiàng)目手電筒通過(guò)單片機(jī)主控芯片對(duì)強(qiáng)光LED和蜂鳴器進(jìn)行控制，可為遇險(xiǎn)人員提供有效的求救手段，幫助搜救人員快速定位，更好地幫助遇險(xiǎn)人員脫離危險(xiǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目提出以單片機(jī)主控模塊為核心，對(duì)無(wú)線充電模塊、智能調(diào)節(jié)模塊和SOS求助模塊進(jìn)行綜合控制設(shè)計(jì)，該硬件整體框架如圖1所示。

圖1 硬件框架

該應(yīng)急手電筒由兩節(jié)3.7 V的18650鋰電池進(jìn)行儲(chǔ)能和供能，再由恒壓供電模塊降壓并穩(wěn)壓至5 V后供主控芯片使用。主控芯片將控制LED燈光模塊以3種不同的設(shè)計(jì)模式運(yùn)行，同時(shí)在SOS救援模式下配合蜂鳴器閃爍。LED照明亮度可以連續(xù)變化，使手電筒的調(diào)光更加平滑。該手電筒為普通模式、智能調(diào)節(jié)模式及SOS求助模式設(shè)置了優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)從大到小依次為SOS求助模式、普通模式和智能調(diào)節(jié)模式。即使用SOS求助模式會(huì)覆蓋其他模式運(yùn)行；使用普通模式時(shí)將覆蓋智能調(diào)節(jié)模式，由使用者進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)；未選擇其他模式時(shí)，手電筒將默認(rèn)開(kāi)啟智能調(diào)節(jié)模式，利用光敏電阻調(diào)節(jié)模塊主動(dòng)介入調(diào)節(jié)手電筒亮度。

1.2 無(wú)線充電模塊

無(wú)線充電模塊采用感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)，原理：松耦合變壓器通入交流電引發(fā)電磁感應(yīng)效應(yīng)。在該無(wú)線充電模塊中，將直流電變?yōu)殚_(kāi)關(guān)的脈沖信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)初級(jí)與次級(jí)線圈的互感無(wú)線輸能。兩線圈在同一磁場(chǎng)區(qū)域中以同樣的頻率發(fā)生共振，可利用磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸。無(wú)線輸電技術(shù)在極近距離內(nèi)效率很高，但傳輸效率會(huì)隨傳輸距離的增加和接收端位置的變化而顯著減小，一般用于厘米級(jí)的短距離傳輸。無(wú)線充電原理如圖2所示。

圖2 無(wú)線充電原理

發(fā)射端選用KTX-510無(wú)線供電芯片，該芯片的優(yōu)點(diǎn)在于擁有先進(jìn)的寬電壓自適應(yīng)設(shè)計(jì)工藝，發(fā)射端電路可以在規(guī)定工作電壓范圍內(nèi)使用且無(wú)需變動(dòng)任何外部電路元件。電路高度集成化，集功能調(diào)節(jié)、電壓檢測(cè)、頻率鎖定于一體，大大簡(jiǎn)化了無(wú)線充電發(fā)射端電路。H1接入發(fā)射線圈，發(fā)射線圈電感量為10 μH。發(fā)射端電路如圖3所示。

圖3 發(fā)射端電路

接收端選用XKT-R2芯片與周圍電路搭配完成。H1端接入充電電容負(fù)載，H2端接入電感為5 μH的接收感應(yīng)線圈。XKT-R2芯片通過(guò)輸出電壓進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)充電啟停。為充電截止電壓的可調(diào)電阻，通過(guò)調(diào)整的阻值可以改變自停電壓。當(dāng)XKT-R2芯片對(duì)電容充電時(shí)，LED1燈亮，否則熄滅。若后期因設(shè)計(jì)所需或線圈尺寸限制而需要更改電感的收發(fā)線圈時(shí)，可調(diào)整的電容量。接收端電路如圖4所示。

圖4 接收端電路

1.3 電源管理模塊

2節(jié)18650鋰電池串聯(lián)最高工作電壓為7.4 V，電池過(guò)充存在爆炸隱患，所以需要添加自停電路來(lái)保證電池組不會(huì)過(guò)充。主控芯片STC89C52的工作電壓為3.3～5.5 V，為使其穩(wěn)定工作，需要添加DC-DC降壓電路。電源控制電路如圖5所示。

圖5 電源控制電路

該電路可為主控芯片提供5 V的恒壓供電，保證其處于穩(wěn)定的工作環(huán)境，同時(shí)為L(zhǎng)ED模塊提供可靠的電流輸出。該電路采用的芯片可接受4～42 V的電壓輸入，經(jīng)降壓后可維持5 V/2 A的恒壓輸出。

1.4 智能調(diào)節(jié)模塊

智能調(diào)節(jié)模塊由光敏電阻調(diào)節(jié)模塊以及可手動(dòng)調(diào)光的恒流調(diào)光模塊構(gòu)成。該模塊在開(kāi)啟智能調(diào)節(jié)模式下可自主識(shí)別周圍環(huán)境光線，自適應(yīng)調(diào)節(jié)手電筒光照強(qiáng)度。當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，采樣電壓變大，兩者成正比關(guān)系。恒流調(diào)光模塊可在手動(dòng)模式下手動(dòng)調(diào)節(jié)亮度，各模塊間通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)切換。矩陣燈光控制圖如圖6所示。

圖6 矩陣燈光控制圖

PWM燈光控制器用于手動(dòng)控制燈光強(qiáng)弱，旋轉(zhuǎn)Q即可調(diào)整光強(qiáng)?？紤]到發(fā)射光的特性隨著平均驅(qū)動(dòng)電流而偏移，因此在PWM模式下，最大亮度時(shí)LED輸出有效電壓為4.96 V，最小亮度時(shí)LED輸出有效電壓為3.55 V，低于該電壓LED不亮。通過(guò)改變PWM調(diào)光電路輸出PWM的占空比，進(jìn)而控制LED的平均電流，從而靈活改變LED照明模塊亮度。PWM調(diào)光精度高，控制亮度變化使其不會(huì)產(chǎn)生明顯偏色，具備功耗低、發(fā)熱低等優(yōu)點(diǎn)。PWM電路控制圖如圖7所示。

圖7 PWM電路控制圖

1.5 SOS求助模塊

SOS求助模塊由蜂鳴器與SOS呼吸燈組成，該模塊將蜂鳴器頻率設(shè)置成實(shí)際需要的數(shù)值，同時(shí)利用PWM原理控制LED燈形成三短三長(zhǎng)三短的閃動(dòng)規(guī)律，利用編程使蜂鳴器與LED燈協(xié)同運(yùn)作，從而發(fā)揮SOS求助模塊的作用。

2 軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目手電筒的軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。該系統(tǒng)主要包括3種模式和1個(gè)狀態(tài)顯示模塊。當(dāng)主控系統(tǒng)運(yùn)行后，各功能模塊初始化，OLED模塊不斷讀取手電筒的電量，并顯示當(dāng)前手電筒的運(yùn)行模式。手電筒設(shè)置有3個(gè)按鍵，初始化后單片機(jī)通過(guò)不斷獲取鍵值來(lái)確定運(yùn)行模式。

圖8 軟件流程設(shè)計(jì)

選擇智能調(diào)節(jié)模式，光敏電阻調(diào)節(jié)模塊通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境光強(qiáng)度進(jìn)行持續(xù)性測(cè)量，將測(cè)量的光照系數(shù)反饋給單片機(jī)，控制RGB LED燈板的亮滅時(shí)間，實(shí)現(xiàn)黑暗環(huán)境下自動(dòng)調(diào)節(jié)手電筒亮度的功能。用戶可以在田野、室內(nèi)及小巷道路等場(chǎng)所選擇普通模式，手動(dòng)調(diào)節(jié)手電筒的光照強(qiáng)度；當(dāng)用戶遇到危險(xiǎn)時(shí)，可以快速選擇SOS模式，便于援救者更好地實(shí)施救援。該模式根據(jù)國(guó)際莫爾斯電碼救難信號(hào)控制RGB LED燈板閃爍，周期為3.75 s。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

在保證抑制頻率分裂現(xiàn)象和改善充電均勻度的情況下，應(yīng)盡可能提高線圈的充電可移動(dòng)距離，并且控制收發(fā)線圈的尺寸（不宜過(guò)大）。本項(xiàng)目對(duì)串聯(lián)反向線圈結(jié)構(gòu)式充電進(jìn)行仿真。

本項(xiàng)目根據(jù)充電距離從10 mm到50 mm進(jìn)行20次仿真，得到電源轉(zhuǎn)換率對(duì)比圖，如圖9所示。從圖中可以看到，改進(jìn)后的無(wú)線圈最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)87%，在30 mm范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)85%以上的轉(zhuǎn)換效率。相比傳統(tǒng)的普通線圈充電方式，該串聯(lián)反向線圈結(jié)構(gòu)式充電更加穩(wěn)定，既提高了充電效率，也破除了手電筒在充電時(shí)的工作限制。在無(wú)線充電已逐漸成為主流充電方式的趨勢(shì)下，我們希望通過(guò)無(wú)線充電技術(shù)來(lái)增強(qiáng)該手電筒在科技方面的優(yōu)勢(shì)，使其滿足當(dāng)代消費(fèi)者的需求。轉(zhuǎn)換效率對(duì)比見(jiàn)表1所列。

表1 轉(zhuǎn)換效率對(duì)比

圖9 電源轉(zhuǎn)換率對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)構(gòu)建無(wú)線充電模塊、智能調(diào)節(jié)模塊和SOS求助模塊于一體的硬件結(jié)構(gòu)，在軟件控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了手電筒對(duì)于黑暗環(huán)境的照明。采用智能調(diào)節(jié)模塊對(duì)環(huán)境光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而對(duì)手電筒光線強(qiáng)度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。采用SOS求助模塊對(duì)特定場(chǎng)景進(jìn)行特殊處理。相比傳統(tǒng)產(chǎn)品，采用本文的無(wú)線充電方式充電效率較高，穩(wěn)定性較好，可以很好地為人們服務(wù)。