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基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線充電器設(shè)計(jì)

 樂(lè)淘泡泡 2015-11-12

    引言

  目前,,手機(jī)、MP3和筆記本 電腦等便攜式電子設(shè)備進(jìn)行充電主要采用的是一端連 接交流電源,,另一端連接便攜式電子設(shè)備充電電池的傳統(tǒng)充電方式,。這種方式有很多不利 的地方,如頻繁的插拔很容易損壞接頭,,也可能帶來(lái)觸電的危險(xiǎn)等,。因此,非接觸式感應(yīng)充電器在上個(gè)世紀(jì)末期誕生,。憑借其攜帶方便,、成本低、無(wú)需布線等優(yōu)勢(shì)迅速受到各界關(guān)注,。實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電,,能量傳輸效率高,便于攜帶成為充電系統(tǒng)的研究方向之一 ,。本設(shè)計(jì)就是一個(gè)由能量發(fā)送單元和能量接收單元兩大部分組成,,利用電磁感應(yīng)原理 實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線傳遞的充電器。

  1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  1.1 器件選擇

  本無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是用線圈耦合方式傳遞能量,,使接收單元接收到足夠的電能,,以保證后續(xù)電路能量的供給。由于無(wú)線傳電電壓隨能量發(fā)送單元和接收單元耦合線圈的間距D在測(cè)試中需要改變,,而充電時(shí)間相對(duì)固定,,便于控制,所以充電方式上選擇固定電流充電的恒流充電方案,。在器件選擇上選擇有多種省電模式,,功耗特別省,抗干擾力特強(qiáng)的 MSP430系列超低功耗單片機(jī)MSP430F2274作為無(wú)線傳能充電器的監(jiān)測(cè)控制核心芯片,,電壓和充電時(shí)間顯示采用低功耗OCM126864—9液晶屏,,以提高充電電路的能量利用效率。

  1.2 系統(tǒng)框圖

  無(wú)線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理,,通過(guò)線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞,。如圖1所示,,系統(tǒng)工作時(shí)輸人端將交流市 電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電,或用24V直流電端直接為系統(tǒng)供電,。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈靠近時(shí),,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(shí)產(chǎn)生諧振,,電壓達(dá)最大值,,具有最好的能量傳輸效果。通過(guò) 2個(gè)電感線圈耦合能量,,次級(jí)線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為電池充電,。

  1.3 單元電路設(shè)計(jì)

  1.3.1 電源切換

  直流輸入采用單刀雙閘繼電器,交流上電常開(kāi)閉合,,常閉打開(kāi)實(shí)現(xiàn)交流優(yōu)先,,交流斷電繼電器斷電,常閉閉合,,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。在切換時(shí),,時(shí)間很短,,C1可提供一定時(shí)間的電量,可以實(shí)現(xiàn)不斷電切換,,不影響充電,。見(jiàn)圖2所示 。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
電源系統(tǒng)圖
 

  1.3.2發(fā)射及接收電路

  發(fā)射電路由振蕩信號(hào)發(fā)生器和諧振功率放大器兩部分組成,, 見(jiàn)圖3所示,。采用NE555構(gòu)成振蕩頻率約為510KHZ信號(hào)發(fā)生器 ,為功放電路提供激勵(lì)信號(hào),;諧振功率放大器由Lc并聯(lián)諧振回路和開(kāi)關(guān)管IRF840構(gòu)成,。振蕩線圈按要求用直徑為0.8mm的漆包線密繞2O圈,直徑約為6.5cm,,實(shí)測(cè)電感值約為142uH ,,由 公式, 當(dāng)諧振在510KHZ時(shí),,與其并聯(lián)的電容c5,、c6 約為680P,可用470pF的固定電容并聯(lián)一個(gè)200PF的可調(diào)電容,,可方便調(diào)節(jié)諧振頻率,。

  大功率管TRF840最大電流為8A、完全開(kāi)啟時(shí)內(nèi)阻為0.85歐,,管子發(fā)熱量大,,所以需要加裝散熱片,。當(dāng)功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵(lì)信號(hào)頻率相同時(shí),功率放大器發(fā)生諧振,,此時(shí)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(chǎng)。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈靠近時(shí),,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(shí)產(chǎn)生諧振,電壓達(dá)最大值,。構(gòu)成了如圖4所示的諧振回路,。實(shí)際上,發(fā)射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態(tài)時(shí),,具有最好的能量傳輸效果,。

圖2

諧振

      1.3.3 充電電路

圖3

  如圖5所示,電能經(jīng)過(guò)線圈接收后,,高頻交流電壓經(jīng)快速二極1N4148進(jìn)行全波整流,,3300F的電容濾波,再用5.1v壓二極管穩(wěn)壓,,輸出直流電為充電器提供較為穩(wěn)定的工作電壓,。

  因?yàn)?公式, 為了準(zhǔn)確控制充電時(shí)間,,我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用恒流充電的方法,,可以保證充電電流大致為一常數(shù)I,上述電容電壓與時(shí)間的關(guān)系可表示為:公式4,。 根據(jù)題設(shè)要求,,充電時(shí)間應(yīng)滿足快充小于30s,慢充控制在100到140S ,, 計(jì)算出快充,、慢充所需 電流大小快I1慢I2: 分別為 :

     公式5

  圖 5中二極管 D1、 D2的導(dǎo)通電壓基本不變 ,,故可作為電壓基準(zhǔn) ,, 約為 1.4 V。各電壓關(guān)系為:

       公式7

  可見(jiàn)在恒流充電電路中,,充電電流僅由電阻R1,、R2確定。計(jì)算中約定U=0.7充電電流Ic( 三極管集電極電流)Ie,,計(jì)算出快充,、慢充所需電阻R1、R2分別為 :

  gs7

  設(shè)計(jì)中采用可調(diào)電阻,, 可調(diào)節(jié)充電電流的大小 ,。
    1 .3. 4 整機(jī)電路原理圖

框圖1

  2 軟件設(shè)計(jì)

  軟件設(shè)計(jì) 的主要任務(wù)是對(duì)充電過(guò)程的監(jiān)視及充電電路的控制,。具體方法是:利用 MSP430單片機(jī) 自帶的A D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電池上的電壓,到規(guī)定電壓時(shí)發(fā)出控制信號(hào),,斷充電電路,。基于MSP430較高的速度,、高精度的AD轉(zhuǎn)換器,、功能豐富的定時(shí)器等資源特點(diǎn), 我們?cè)贚CD上設(shè)計(jì)了充電進(jìn)度條的繪制,、實(shí)時(shí)充電電壓顯示,、充電時(shí)間顯示等內(nèi)容。其中進(jìn)度條的繪制需要定性反映實(shí)時(shí)電壓大小,,我們采用的方法是根據(jù)電壓值計(jì)算出坐標(biāo),,并調(diào)用自己設(shè)計(jì)的畫(huà)直線函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制,效果逼真( 見(jiàn)圖7,、圖8 ) ,。

流程圖1

  3 功能的實(shí)現(xiàn)情況

  本無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用220V /50HZ交流供電,24V直流供電,,自動(dòng)切換交,、直流供電電源; 具有快充,、慢充功能,當(dāng)距離D> 2cm時(shí),, 快充時(shí)間<30s,,當(dāng)距離D>2cm時(shí),慢充時(shí)間 <120s,。系統(tǒng)充滿后顯示,,自動(dòng)關(guān)斷充電。如表1所示 ,。

表1

  4 結(jié) 語(yǔ)

  充電效率是一個(gè)不得不考慮的問(wèn)題,。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以在發(fā)射接收電路的能量傳輸部分做適當(dāng)改進(jìn),以獲得更高的效率和更遠(yuǎn)的距離,;也可以設(shè)計(jì)充電設(shè)備檢測(cè)電路,,在沒(méi)有能量接收電路時(shí)能量發(fā)送部分處于睡眠狀態(tài),當(dāng)能量接收電路靠近發(fā)送部分時(shí),,激活發(fā)射電路開(kāi)始充電,。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,具有無(wú)線充電,、攜帶方便,、成本低,、無(wú)需布線等優(yōu)勢(shì),有著廣泛的應(yīng)用前景,。

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