基于太陽能的無線可移動充電裝置設計

摘 要：有線充電線路繁瑣，且在特殊環(huán)境下充電極不安全，因此提出一種基于太陽能的可移動式無線充電裝置設計方案，裝置由太陽能光伏板、蓄電池、無線充電發(fā)射線圈、超聲波測距傳感器、51單片機系統(tǒng)、步進電機等組成。通過超聲波信號進行空間定位，51單片機將獲取距離的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后，控制步進電機轉(zhuǎn)動，無線充電模塊移動到待充電物體下方對物體進行充電，實現(xiàn)自動追蹤待充電物體的功能；系統(tǒng)電源由太陽能光伏板將太陽能轉(zhuǎn)化成電能并儲存在蓄電池內(nèi)，實現(xiàn)用清潔能源供電?；谔柲艿臒o線充電器具有安全可靠、兼容性更高的特點。

關(guān)鍵詞：太陽能；可移動式無線充電裝置；自動追蹤；超聲波測距；電磁感應；清潔能源

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-03

0 引 言

近年來，隨著無線充電技術(shù)的不斷發(fā)展和消費者需求的變化[1]，小到藍牙耳機、智能手表[2]，大到汽車、醫(yī)療器械[3]，越來越多的電子產(chǎn)品配備了無線充電功能。

電磁感應技術(shù)是用于手機、平板電腦等小型便攜設備的無線充電技術(shù)[4]。它的特點在于有很大的適應度，是一種相對成熟的無線充電方法[5]。但電磁感應技術(shù)產(chǎn)生的磁場會隨著用電設備與無線充電器距離的擴大而逐漸衰減，并且能量朝著周圍發(fā)散，產(chǎn)生的電流比輸入的要小得多，所以在用電設備和無線充電器距離比較遠的情況下，其能效并不高[5]。但若設備與充電器距離較近，則能有效解決上述問題。目前，市場上的大多數(shù)小型智能設備都支持Qi無線充電標準[6]，無線充電功能已經(jīng)逐漸成為小型智能設備的標配。未來隨著無線充電技術(shù)的不斷進步和普及，無線充電器的應用范圍和市場規(guī)模還將進一步擴大。本文以太陽能電池板和蓄電池為電源，將無線充電技術(shù)作為核心，利用超聲波測距傳感器來實進行空間定位；將51單片機作為數(shù)據(jù)處理模塊，通過電機控制無線充電模塊移動到待充電物體下方，實現(xiàn)無線移動充電。

1 基于太陽能的可移動無線充電技術(shù)

1.1 光伏技術(shù)

目前，利用太陽能產(chǎn)生電能的途徑有兩種。一種是由太陽輻射所生成的熱量來產(chǎn)生電能。這種方法是將熱量轉(zhuǎn)化為水蒸氣，然后再通過水蒸氣來帶動汽輪機進行發(fā)電。熱能作為能量的中間形態(tài)，能量轉(zhuǎn)換形態(tài)次數(shù)較多。由于能量不是通過光能直接轉(zhuǎn)化為電能，所以這種能量轉(zhuǎn)化的效率非常低，而且這種轉(zhuǎn)化方式的設備制造費用也非常高[7]。另一種是利用光生伏特效應直接將光能轉(zhuǎn)換成電能[7]。太陽能發(fā)電（光-電轉(zhuǎn)換）示意圖如圖1所示。

1.2 無線充電技術(shù)

無線充電技術(shù)利用電磁感應實現(xiàn)短距離、大功率的感應式無線充電[5]。當導電體處于封閉的回路中，導電體做切割磁感線運動時，會產(chǎn)生感應電動勢。當電場作用于導電體時，會產(chǎn)生電流，該過程被稱為電磁感應。如果導電體保持不動，磁場有所改變，也會出現(xiàn)感應電動勢。把有封閉電路的導電體放到磁通量改變的磁場中，在封閉的電路中，會出現(xiàn)電流。感應式無線充電是目前比較成熟的無線充電方法，該方法采用的2個感應線圈分別為發(fā)送線圈和接收線圈。通過發(fā)送線圈的交流電流會形成磁場，然后在接收線圈的周圍形成電場。在移動電話、平板電腦等小型便攜電子產(chǎn)品中，采用電磁感應技術(shù)進行無線充電已成為主流[2]。

2 系統(tǒng)的總體設計

無線可移動充電裝置由無線充電系統(tǒng)和可移動系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體功能框架如圖2所示?？梢苿酉到y(tǒng)由超聲波傳感器、51單片機和步進電機組成；無線充電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池和無線充電模塊組成。系統(tǒng)設計要求如下：

（1）太陽能電池板將接收的太陽能轉(zhuǎn)化成電能，再經(jīng)由電線與蓄電池連接，將轉(zhuǎn)化后的電能存儲于蓄電池中；

（2）超聲波測距傳感器獲取與被充電物體間距離的模擬信號；

（3）51單片機將物理信號轉(zhuǎn)換為電子信號發(fā)送至電機作為步進電機的指令；

（4）步進電機轉(zhuǎn)動一定圈數(shù)后將帶有無線充電發(fā)射線圈的小滑塊移動到待充電物體下方進行無線充電；

（5）在超聲波傳感器未檢測到待充電物體時，滑塊回到初始位置。

3 系統(tǒng)硬件電路設計

3.1 無線充電

該部分由接收太陽輻射的太陽能電池板、存儲電能的蓄電池和無線充電模塊構(gòu)成。在陽光充足的條件下，電能儲存在蓄電池中，為測距追蹤充電模塊供電。在夜間或者太陽光線不足時，蓄電池內(nèi)儲存的電能能夠滿足測距追蹤充電模塊的供電需求[8]。

3.2 可移動系統(tǒng)

該部分主要由超聲波測距傳感器、AT89S51單片機、無線充電發(fā)射線圈、步進電機構(gòu)成，電源接口選用Micro接口。采用超聲測量的方式獲取與被充電物體間的距離。超聲波測距具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高等優(yōu)勢，此外，超聲波對于光線、磁場不敏感，即使在雨雪天氣、大霧天氣中也有較光學測距法更好的適應性。因此，物位測量、環(huán)境地形勘測、機器人定位與導航等領域都有超聲波測距傳感器的身影[9]。AT89S51單片機最小系統(tǒng)負責處理信號和控制步進電機。設置在零點處的測距傳感器獲取待充電設備的距離后，將其傳送至單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后單片機控制電機轉(zhuǎn)動相應圈數(shù)，拉動帶有無線充電線圈的滑塊移動到待充電設備下方，為設備充電?？梢苿酉到y(tǒng)程序流程如圖3所示?？梢苿酉到y(tǒng)實物如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試效果

測試移動系統(tǒng)的效果如圖5所示。放置手機在超聲波測距范圍內(nèi)時，數(shù)碼顯示器上會顯示與物體間的距離，同時步進電機也會正轉(zhuǎn)帶動帶有無線充電線圈的滑塊移動至手機正下方。拿走手機后，步進電機反轉(zhuǎn)回到零位。當手機改變位置而非拿走時，會與上一次的距離進行對比，若新距離大于上一次距離則步進電機正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)。10次系統(tǒng)測試結(jié)果見表1所列，結(jié)果顯示：在多次追蹤測試中，系統(tǒng)能夠準確地將無線充電模塊移動到待充電物體附近。但由于超聲波傳感器擺放的位置不同，在識別較薄的物體，例如手機（屏幕與水平面平行）時，超聲波可能會在其表面反射，導致傳感器接收到的信號相對較強，從而獲得偏大的測量值，甚至存在一定的概率無法準確識別到手機，使得滑塊移動到指定位置后未停下，影響測試效果。此外，在第10次測試中回程出現(xiàn)了微小偏差，分析后得知，該微小偏差為滑塊來回移動行程中超聲波測距累積的誤差[9-10]。

5 結(jié) 語

本文采用超聲波測距的方式設計了一種基于太陽能的可追蹤式無線充電器，能夠順利獲取與待充電物體的距離，之后滑塊帶動無線充電線圈移動到待充電物體下方為其充電。該裝置能夠解決常用小型電子設備在戶外無法充電的問題，以及頻繁插拔充電接頭導致充電接頭損壞的問題。待充電物體放置在超聲波檢測區(qū)域，滑塊即可自動追蹤待充電設備，無須人工操作。采用無線充電的方式解決了傳統(tǒng)有線充電方式因接頭長期插拔造成磨損而引發(fā)火災的問題，也為小型設備充電帶來了便利。

注：本文通訊作者為汪源。

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