【我的毕设作品】低功率无线电能传输装置设计与研究

我的毕业设计主要用到的是磁共振式电磁感应线圈，额当时老师和我这样说的

无线供电工作原理无线供电工作原理

我们有一句十分熟悉的话：电生磁，磁生电，这就是本次设计的核心原理。各种场合的变压器都是基于这一原理工作的，它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载[20]。生活中各处我们都能看见变压器，虽然制作它的材料可能并不相同，但很明显的就是这种设备是一整块的，分开后将一无是处。

此次的设计就改变了我们之前的认识，这个变压器分成了两块，并且可以进行能量的传输，表现形式不同，但他与传统意义上的变压器原理是相似的，本质上都是电和磁之间的转换。正如这个模型一样，他的两边之间有很大的空隙，这中间存在很大的漏磁，造成的后果就是能量的损耗。两个边即能量发送端和能量接收端之间的空隙越大，产生的漏磁越大。

本设计发射端的控制部分STC12C5A60S2对PWM波进行控制，利用IR2104驱动MOSFET对电流进行逆变，用发射线圈把电能转化为磁能。接收端则是利用线圈将磁能转化为电能，采用1N4007构成的全桥整流电路将线圈转化的交流电进行整流，利用电解电容滤波后供负载使用。系统发射端部分主要是为发射端谐振回路提供高频交流电。两电感线圈之间的能量传输是实现无线供电的关键，通常，我们为传输能量的线圈匹配补偿电容构成两个LC谐振回路，以此来提高系统传输效率[21-23]。接收线圈接收后的电能为交流电，而本系统的LED等负载需要供直流电才能工作，因此需要性能良好的整流滤波电路对交流电进行整流，当挑选的整流二极管性能较差时，电能损耗会随之加大。为了提高系统实用性，本系统除了为室内照明外，还增加了为手机充电的功能，模拟无线电能传输系统的多负载供电，由于系统输出电压影响因素较多，还应添加一个稳压模块输出5V才能为手机充电。

 串联谐振电路原理

一个电路中存在多种多样的器件，电容、电感、电阻是我们十分常见的，当把它们放置于交流电路中时，其端口会显示出不一样的性质，包括感性、容性和阻性。这些性质中，有一些是我们不愿意看到的，比如容性和感性，因为它不利于能量的传输，会吸收很多能量，增大传输过程中的损耗，应该想办法消除。在实际应用中，我们通过调节系统的工作频率、改用合适的电容电感，最终达成我们希望的结果，就是电压和电流方向一致，此时的电路就称为谐振电路，系统将会节约很多能量。

串联谐振时，电容和电感上的电压是Us的Q倍。所以我们还可以把串联谐振叫为电压谐振，这就需要我们在设计时选择的电容和电感有良好的耐压效果。电路谐振时，电容和电感中的能量恰好能满足其需求，不吸收新的能量，也不会流出能量，只会不断在电感和电容之间相互转化。整个电路中只有电阻在消耗能量，所以电路能量损耗随着品质因数Q增高而减小。这就需要我们在设计线圈时，尽量保证线圈具有较高的Q值，从而实现电能的高效传输。

各种无线电装置、设备、测量仪器等都不可缺少谐振电路。原因之一就在于其低损耗，在当前能源短缺的环境下有很大的用武之地。其次由于谐振电路具有选频能力而被广泛运用，因为它可以将没有用的频率滤除而把有用的频率部分保留下来。

并联谐振时，我们很少考虑其器件的耐压问题，更重要的是考虑电路中器件是否能承受大电流而稳定工作。

PWM控制原理

 把图中的正弦图形分成宽度相等的N等份，显然这N份的幅值必定不相同。假设这些图形为脉冲，我们现在要用数量相同的矩形脉冲来替代它们，利用的就是我们在《电力电子技术》中所学的面积等效原理。把新产生矩形脉冲的中点和正弦波的中点重合，得到了右半部分的图形，这就是我们所要使用的PWM波，同样是按照正弦规律变化的。

 

即下来说一下器件的选择

  电源电压转换

系统供电选择12V供电，同时为IR2104部分供电，但是电路中使用的单片机和数码管都需要5V供电。LM7805是我们经常使用的稳压芯片，它可以输出稳定的5V电压，使用时为避免芯片发热影响系统性能，通常辅以散热器对其降温，提高性能。本设计使用的LM7805芯片实物图如图所示。从左到右依次为输入脚，接地脚以及输出脚。

 控制芯片

本无线电能传输系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制系统，该芯片有很强的兼容性，并且速度比普通的51单片机更快，价格与之相差不多。在烧录程序时也十分方便，使用开发板或者下载器都可以给其下载程序，且可以多次擦除和烧录，使得系统的调试更便捷。STC12C5A60S2系列单片机引脚如图所示。

驱动电路器件

此设计的驱动电路主要部分是IR2104，该芯片适用于中小功率场合，外围电路简单，是常用的MOSFET驱动芯片之一，同时兼容3.3V和5V输入。IR2104内部结构图如图所示。

SD为保护信号输入端,HO和LO不论在任何信号下输出的都是相反的电平。这样就不可能让上下桥臂完全导通，驱动的MOSFET几乎不可能发生击穿。IR2104这种工作方式有效的保护了器件及电路。

驱动电路两个桥臂的MOSFET采用IRF3205，由于该芯片的制造工艺技术较为先进，所以导通阻抗是非常低的。同时它转换速率也是非常快的，HEXFET设计又十分坚固耐用，据了解芯片耐流值为110A，耐压值为55V。

线圈材料选择

由于趋肤效应会使线圈电能损耗增大，所以接收线圈和发射线圈均不采用单股漆包线而用多股铜芯线，以此增大电流流通的截面积，减少线圈上的电能损耗。同时，考虑到该设计是为日常照明系统供电，为了日常使用的便携性，采用平面螺旋线圈结构，该线圈结构具有尺寸体积小、容易集成、不易变形、成本较低等一系列特点，适用于手机、平板电脑小功率电子产品和家用台灯、风扇等设备的无线供电使用。经过使用电桥仪进行测量，发射线圈电感量为：67.41uF，接收线圈电感量为：65.96uF，测试结果如图所示。

谐振电容选择

之前我们介绍过串联及并联谐振的原理，当应用到此次的毕业设计中时，会产生很大的影响。其中，谐振电路中的电感线圈通常是由漆包线或者利兹导线绕制而成，补偿电容则需要选用耐高压、高温的电容构成对应与电感线圈的谐振补偿电容组。

发射端为半桥驱动电路，IR2104驱动两个MOSFET在一个工作周期内交替工作，顾需采用两个谐振电容与其搭配工作。本设计采用两个MKPH高压电容作为补偿电容，考虑到这种电容工作在50KHz频率左右时性能最好，所以初步将PWM波频率设置为50KHz，后续设计再根据实际情况对频率和电容的匹配进行优化。

整流二极管选择

接收端线圈给电路交流电，设计中采用整流二极管进行整流，从而供直流负载使用。通常在输出端需要接大电容来对整流过后的输出是直流脉动电压波形进行平滑处理，具体的容值大小与所接负载有关。整流二极管的选择与交流电压的工作频率、输入电压峰值等因素相关。本文研究的主要是中小功率用电设备的无线供电，设备额定功率功率小于10W，所以整流二极管的反向耐压和承受功率需要满足要求。

结合以上几个方面，本设计选的1N4007是封装形式为DO-41的塑料封装型通用硅材料整流二极管，该管广泛应用于各种交流变直流的整流电路和桥式整流电路。如图所示为1N4007实物图。

输出端稳压模块

要用本系统给手机充电，必须保证系统输出稳定的5V电压。然而，由于低功率的原因，当线圈距离较远时，输出电压往往低于5V，故此设计采用性能良好的升压稳压模块输出5V电压后为手机充电。本设计采用MT3608稳压模块进行稳压，该模块可把输入2V-24V的电压转换为设计所需要的稳定的5V电压，从而为手机充电

接下来是系统电路设计

发射端 电源电路

设计采用学生电源为其供两个12V直流电，由于单片机和显示数码管运行需使用5V供电，所以需要一个降压电路，才能产生二者的工作电压。该电源电压降压电路如图所示。

发射端 控制电路

本系统的控制电路主要采用STC12C5A60S2单片机，利用五个按键对单片机输出的PWM波形进行控制，其中两个调节波形的占空比增大减小，两个控制输出波形频率升高或降低，剩余一个按键控制调整时的粗调和细调。该控制电路如图所示。

  驱动电路

驱动电路采用IR2104驱动的半桥电路对单片机发出的PWM波进行驱动。通过实验比对，该方案相对于单管驱动来说，降低了MOSFET的工作强度，有利于提高电路的稳定性；而且不需要像全桥那样使用四个MOSFET。该半桥驱动电路不仅易于设计，而且驱动能力比较强、外围器件不算多同时不缺乏稳定性。此半桥驱动电路如图所示。

 显示模块

通过按键，改变PWM波的占空比，通过数码管显示，数码管采用4位共阳极3641BS数码管显示按键数字1-9，每按一次，增加PWM波占空比，从1到9，依次增加，同时接收端的灯泡越来越亮。数码管模块接线如图所示。

接收端整流电路

无线电能传输系统中，接收线圈的作用是把接收到的磁能转化为交流电。而本设计的负载使用直流电，所以需要进行整流和滤波。整流滤波电路如图所示。

接收端稳压电路

该稳压电路电压可调，因为现为手机充电，所以设置为5V即可。稳压电路原理图如图

PCB设计

在设计发射端PCB时，在完成电路之后，对其进行了优化。对于大功率电路的线路进行了加粗，为了使信号更加流畅，在拐角处进行优化，更加平滑。为了让系统更加耐用，在电流大的地方在焊接时进行镀锡，增大电流的通路。如图4.5所示，由于实际布线为平面型，该图与设计原理图走线有所差异，但基本原理相同。

接收端PCB图

接收端PCB图较为简单，需要注意的是需要预留大量的并联电容口对线圈电感进行补偿，以此加大系统的传输距离。接收端PCB图如图

使用单片机产生PWM波的方法有很多种，但目前最主流的就是软件延时和定时器产生。软件延时法为了达到模拟PWM的效果，需要使用延时函数来控制高低电平持续的时间。定时器则与之完全不同，采用溢出中断来控制PWM波，在中断中改变电平是“1”还是“0”，在程序繁琐、操作复杂时基本上不受干扰。故本设计采用第二种方法产生所需的PWM波

图为主程序流程图

图为频率调节程序流程图

图为占空比调节程序流程图

图为程序编译结果截图

部分源代码

#include "reg52.h"
#include "math.h"
#define  uchar unsigned char
#define  uint unsigned int
#define  ALL  65536     //定时器工作方式1时，最大基数长度 65536；
#define  F_osc 12000000    //晶振频率12M；
//------------------------------------------------------------------------------------
// 各端口定义；
//------------------------------------------------------------------------------------
sbit KEY_F_UP=P0^2;      //频率上调按钮；
sbit KEY_F_DOWN=P0^3;     //频率下调按钮；
sbit KEY_W_UP=P2^0;      //脉宽上调按钮；

sbit KEY=P0^1;       //粗细调节按钮-----按下为粗调，否则为细调；
sbit OUTPUT=P2^5;     //波形输出；
//------------------------------------------------------------------------------------
//全局变量声明；
//------------------------------------------------------------------------------------
uchar TIMER0_H,TIMER0_L,TIMER1_H,TIMER1_L; //定时器0和定时器1的初值设置；
uchar PERCENT=50;        //初始占空比；

float temp;         //临时全局变量，用于数据传递；
//-----------------------------------------------------------------------------------
//函数声明；
//-----------------------------------------------------------------------------------
void delay(uchar t);       //延时函数，用于按键去抖；
void init();         //初始化函数，用于定时器的初始化；
void calculate_F();       //频率计算函数，当频率变化，计算出定时器0初值；
void calculate_W();       //脉宽计算函数，脉宽变化时，计算出定时器1初值；
void key_scan();        //按键扫描函数；
void timer0();        //定时器0中断函数；
void timer1();        //定时器1中断函数；

void delay(uchar t)
  {
   uchar i,j;
   while(t--)
    {
     for(i=0;i<100;i++)
     for(j=0;j<100;j++)
     ;
     }
    }


void calculate_W()
  {
   float TEMP;
   TEMP=(1-PERCENT/100.0)*ALL+temp*PERCENT/100.0;
   TIMER1_H=(uint)TEMP/256;
   TIMER1_L=(uint)TEMP%256;
  }

    void key_scan()
  {
   delay(4);
   if(!KEY_F_UP)     //频率上调键按下；
    {
     FLAG_F=1;    //置标志位；
     if(!KEY)
      FREQ+=10;
     else
      FREQ++;
     if(FREQ>50000)
      FREQ=1;
     }
   else if(!KEY_F_DOWN)   //频率下调键按下；
    {
     FLAG_F=1;    //置标志位；
     if(!KEY)
      FREQ-=10;
     else
      FREQ--;
     if(FREQ<1)
      FREQ=50000;
     }
    else if(!KEY_W_UP)    //脉宽上调键按下；
    {
     FLAG_W=1;    //置标志位；
     if(!KEY)
      PERCENT+=5;
     else
      PERCENT++;
     if(PERCENT>49)
      PERCENT=1;
     }
    else if(!KEY_W_DOWN)   //脉宽下调键按下；
    {
     FLAG_W=1;    //置标志位；
     if(!KEY)
      PERCENT-=5;
     else
      PERCENT--;
     if(PERCENT<1)
      PERCENT=49;
     } 
     else ;
     }


  void timer0() interrupt 1
    {
    TH0=TIMER0_H;
    TL0=TIMER0_L;
    TR1=1;      //开定时器1；
    OUTPUT=1;
    }

main()
      {
    init();
    while(1)
     {
      key_scan();
      if(FLAG_F)     //改变频率时要注意要进行脉宽的重新设置；
       {
        calculate_F();
        calculate_W();
        FLAG_F=0;
        }
       if(FLAG_W)     // 脉宽改变，频率不改变；
       {
        calculate_W();
        FLAG_W=0;
        }
        }
}

系统搭建与性能优化

前几部分对系统原理进行学习，并进行器件选择、电路及程序设计，现需将各部分电路焊接到PCB板上，接上线圈。连接实验用学生电源及示波器进行无线供电系统的性能测试，系统实物如图

这是当时用覆铜板做的电路

发射

接收

线圈

最佳传输距离

太远了吧，效率低，到最后变成收音机天线了。

低功率无线供电，可以，适用于现在的发光系统上。不错

这个线圈驱动的效率怎么样？驱动电流多大？

这么远的距离通信，信号衰减很大的。看来是发射功率很大。