我的畢業(yè)設計主要用到的是磁共振式電磁感應線圈，額當時老師和我這樣說的

無線供電工作原理無線供電工作原理

我們有一句十分熟悉的話：電生磁，磁生電，這就是本次設計的核心原理。各種場合的變壓器都是基于這一原理工作的，它通過交變磁場把電源輸出的能量傳送到負載[20]。生活中各處我們都能看見變壓器，雖然制作它的材料可能并不相同，但很明顯的就是這種設備是一整塊的，分開后將一無是處。

此次的設計就改變了我們之前的認識，這個變壓器分成了兩塊，并且可以進行能量的傳輸，表現(xiàn)形式不同，但他與傳統(tǒng)意義上的變壓器原理是相似的，本質(zhì)上都是電和磁之間的轉(zhuǎn)換。正如這個模型一樣，他的兩邊之間有很大的空隙，這中間存在很大的漏磁，造成的后果就是能量的損耗。兩個邊即能量發(fā)送端和能量接收端之間的空隙越大，產(chǎn)生的漏磁越大。

本設計發(fā)射端的控制部分STC12C5A60S2對PWM波進行控制，利用IR2104驅(qū)動MOSFET對電流進行逆變，用發(fā)射線圈把電能轉(zhuǎn)化為磁能。接收端則是利用線圈將磁能轉(zhuǎn)化為電能，采用1N4007構成的全橋整流電路將線圈轉(zhuǎn)化的交流電進行整流，利用電解電容濾波后供負載使用。系統(tǒng)發(fā)射端部分主要是為發(fā)射端諧振回路提供高頻交流電。兩電感線圈之間的能量傳輸是實現(xiàn)無線供電的關鍵，通常，我們?yōu)閭鬏斈芰康木€圈匹配補償電容構成兩個LC諧振回路，以此來提高系統(tǒng)傳輸效率[21-23]。接收線圈接收后的電能為交流電，而本系統(tǒng)的LED等負載需要供直流電才能工作，因此需要性能良好的整流濾波電路對交流電進行整流，當挑選的整流二極管性能較差時，電能損耗會隨之加大。為了提高系統(tǒng)實用性，本系統(tǒng)除了為室內(nèi)照明外，還增加了為手機充電的功能，模擬無線電能傳輸系統(tǒng)的多負載供電，由于系統(tǒng)輸出電壓影響因素較多，還應添加一個穩(wěn)壓模塊輸出5V才能為手機充電。

 串聯(lián)諧振電路原理

一個電路中存在多種多樣的器件，電容、電感、電阻是我們十分常見的，當把它們放置于交流電路中時，其端口會顯示出不一樣的性質(zhì)，包括感性、容性和阻性。這些性質(zhì)中，有一些是我們不愿意看到的，比如容性和感性，因為它不利于能量的傳輸，會吸收很多能量，增大傳輸過程中的損耗，應該想辦法消除。在實際應用中，我們通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作頻率、改用合適的電容電感，最終達成我們希望的結果，就是電壓和電流方向一致，此時的電路就稱為諧振電路，系統(tǒng)將會節(jié)約很多能量。

串聯(lián)諧振時，電容和電感上的電壓是Us的Q倍。所以我們還可以把串聯(lián)諧振叫為電壓諧振，這就需要我們在設計時選擇的電容和電感有良好的耐壓效果。電路諧振時，電容和電感中的能量恰好能滿足其需求，不吸收新的能量，也不會流出能量，只會不斷在電感和電容之間相互轉(zhuǎn)化。整個電路中只有電阻在消耗能量，所以電路能量損耗隨著品質(zhì)因數(shù)Q增高而減小。這就需要我們在設計線圈時，盡量保證線圈具有較高的Q值，從而實現(xiàn)電能的高效傳輸。

各種無線電裝置、設備、測量儀器等都不可缺少諧振電路。原因之一就在于其低損耗，在當前能源短缺的環(huán)境下有很大的用武之地。其次由于諧振電路具有選頻能力而被廣泛運用，因為它可以將沒有用的頻率濾除而把有用的頻率部分保留下來。

并聯(lián)諧振時，我們很少考慮其器件的耐壓問題，更重要的是考慮電路中器件是否能承受大電流而穩(wěn)定工作。

PWM控制原理

 把圖中的正弦圖形分成寬度相等的N等份，顯然這N份的幅值必定不相同。假設這些圖形為脈沖，我們現(xiàn)在要用數(shù)量相同的矩形脈沖來替代它們，利用的就是我們在《電力電子技術》中所學的面積等效原理。把新產(chǎn)生矩形脈沖的中點和正弦波的中點重合，得到了右半部分的圖形，這就是我們所要使用的PWM波，同樣是按照正弦規(guī)律變化的。

 

即下來說一下器件的選擇

  電源電壓轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)供電選擇12V供電，同時為IR2104部分供電，但是電路中使用的單片機和數(shù)碼管都需要5V供電。LM7805是我們經(jīng)常使用的穩(wěn)壓芯片，它可以輸出穩(wěn)定的5V電壓，使用時為避免芯片發(fā)熱影響系統(tǒng)性能，通常輔以散熱器對其降溫，提高性能。本設計使用的LM7805芯片實物圖如圖所示。從左到右依次為輸入腳，接地腳以及輸出腳。

 控制芯片

本無線電能傳輸系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機作為控制系統(tǒng)，該芯片有很強的兼容性，并且速度比普通的51單片機更快，價格與之相差不多。在燒錄程序時也十分方便，使用開發(fā)板或者下載器都可以給其下載程序，且可以多次擦除和燒錄，使得系統(tǒng)的調(diào)試更便捷。STC12C5A60S2系列單片機引腳如圖所示。

驅(qū)動電路器件

此設計的驅(qū)動電路主要部分是IR2104，該芯片適用于中小功率場合，外圍電路簡單，是常用的MOSFET驅(qū)動芯片之一，同時兼容3.3V和5V輸入。IR2104內(nèi)部結構圖如圖所示。

SD為保護信號輸入端,HO和LO不論在任何信號下輸出的都是相反的電平。這樣就不可能讓上下橋臂完全導通，驅(qū)動的MOSFET幾乎不可能發(fā)生擊穿。IR2104這種工作方式有效的保護了器件及電路。

驅(qū)動電路兩個橋臂的MOSFET采用IRF3205，由于該芯片的制造工藝技術較為先進，所以導通阻抗是非常低的。同時它轉(zhuǎn)換速率也是非?？斓?，HEXFET設計又十分堅固耐用，據(jù)了解芯片耐流值為110A，耐壓值為55V。

線圈材料選擇

由于趨膚效應會使線圈電能損耗增大，所以接收線圈和發(fā)射線圈均不采用單股漆包線而用多股銅芯線，以此增大電流流通的截面積，減少線圈上的電能損耗。同時，考慮到該設計是為日常照明系統(tǒng)供電，為了日常使用的便攜性，采用平面螺旋線圈結構，該線圈結構具有尺寸體積小、容易集成、不易變形、成本較低等一系列特點，適用于手機、平板電腦小功率電子產(chǎn)品和家用臺燈、風扇等設備的無線供電使用。經(jīng)過使用電橋儀進行測量，發(fā)射線圈電感量為：67.41uF，接收線圈電感量為：65.96uF，測試結果如圖所示。

諧振電容選擇

之前我們介紹過串聯(lián)及并聯(lián)諧振的原理，當應用到此次的畢業(yè)設計中時，會產(chǎn)生很大的影響。其中，諧振電路中的電感線圈通常是由漆包線或者利茲導線繞制而成，補償電容則需要選用耐高壓、高溫的電容構成對應與電感線圈的諧振補償電容組。

發(fā)射端為半橋驅(qū)動電路，IR2104驅(qū)動兩個MOSFET在一個工作周期內(nèi)交替工作，顧需采用兩個諧振電容與其搭配工作。本設計采用兩個MKPH高壓電容作為補償電容，考慮到這種電容工作在50KHz頻率左右時性能最好，所以初步將PWM波頻率設置為50KHz，后續(xù)設計再根據(jù)實際情況對頻率和電容的匹配進行優(yōu)化。

整流二極管選擇

接收端線圈給電路交流電，設計中采用整流二極管進行整流，從而供直流負載使用。通常在輸出端需要接大電容來對整流過后的輸出是直流脈動電壓波形進行平滑處理，具體的容值大小與所接負載有關。整流二極管的選擇與交流電壓的工作頻率、輸入電壓峰值等因素相關。本文研究的主要是中小功率用電設備的無線供電，設備額定功率功率小于10W，所以整流二極管的反向耐壓和承受功率需要滿足要求。

結合以上幾個方面，本設計選的1N4007是封裝形式為DO-41的塑料封裝型通用硅材料整流二極管，該管廣泛應用于各種交流變直流的整流電路和橋式整流電路。如圖所示為1N4007實物圖。

輸出端穩(wěn)壓模塊

要用本系統(tǒng)給手機充電，必須保證系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的5V電壓。然而，由于低功率的原因，當線圈距離較遠時，輸出電壓往往低于5V，故此設計采用性能良好的升壓穩(wěn)壓模塊輸出5V電壓后為手機充電。本設計采用MT3608穩(wěn)壓模塊進行穩(wěn)壓，該模塊可把輸入2V-24V的電壓轉(zhuǎn)換為設計所需要的穩(wěn)定的5V電壓，從而為手機充電

接下來是系統(tǒng)電路設計

發(fā)射端 電源電路

設計采用學生電源為其供兩個12V直流電，由于單片機和顯示數(shù)碼管運行需使用5V供電，所以需要一個降壓電路，才能產(chǎn)生二者的工作電壓。該電源電壓降壓電路如圖所示。

發(fā)射端 控制電路

本系統(tǒng)的控制電路主要采用STC12C5A60S2單片機，利用五個按鍵對單片機輸出的PWM波形進行控制，其中兩個調(diào)節(jié)波形的占空比增大減小，兩個控制輸出波形頻率升高或降低，剩余一個按鍵控制調(diào)整時的粗調(diào)和細調(diào)。該控制電路如圖所示。

  驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用IR2104驅(qū)動的半橋電路對單片機發(fā)出的PWM波進行驅(qū)動。通過實驗比對，該方案相對于單管驅(qū)動來說，降低了MOSFET的工作強度，有利于提高電路的穩(wěn)定性；而且不需要像全橋那樣使用四個MOSFET。該半橋驅(qū)動電路不僅易于設計，而且驅(qū)動能力比較強、外圍器件不算多同時不缺乏穩(wěn)定性。此半橋驅(qū)動電路如圖所示。

 顯示模塊

通過按鍵，改變PWM波的占空比，通過數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管采用4位共陽極3641BS數(shù)碼管顯示按鍵數(shù)字1-9，每按一次，增加PWM波占空比，從1到9，依次增加，同時接收端的燈泡越來越亮。數(shù)碼管模塊接線如圖所示。

接收端整流電路

無線電能傳輸系統(tǒng)中，接收線圈的作用是把接收到的磁能轉(zhuǎn)化為交流電。而本設計的負載使用直流電，所以需要進行整流和濾波。整流濾波電路如圖所示。

接收端穩(wěn)壓電路

該穩(wěn)壓電路電壓可調(diào)，因為現(xiàn)為手機充電，所以設置為5V即可。穩(wěn)壓電路原理圖如圖

PCB設計

在設計發(fā)射端PCB時，在完成電路之后，對其進行了優(yōu)化。對于大功率電路的線路進行了加粗，為了使信號更加流暢，在拐角處進行優(yōu)化，更加平滑。為了讓系統(tǒng)更加耐用，在電流大的地方在焊接時進行鍍錫，增大電流的通路。如圖4.5所示，由于實際布線為平面型，該圖與設計原理圖走線有所差異，但基本原理相同。

接收端PCB圖

接收端PCB圖較為簡單，需要注意的是需要預留大量的并聯(lián)電容口對線圈電感進行補償，以此加大系統(tǒng)的傳輸距離。接收端PCB圖如圖

使用單片機產(chǎn)生PWM波的方法有很多種，但目前最主流的就是軟件延時和定時器產(chǎn)生。軟件延時法為了達到模擬PWM的效果，需要使用延時函數(shù)來控制高低電平持續(xù)的時間。定時器則與之完全不同，采用溢出中斷來控制PWM波，在中斷中改變電平是“1”還是“0”，在程序繁瑣、操作復雜時基本上不受干擾。故本設計采用第二種方法產(chǎn)生所需的PWM波

圖為主程序流程圖

圖為頻率調(diào)節(jié)程序流程圖

圖為占空比調(diào)節(jié)程序流程圖

圖為程序編譯結果截圖

部分源代碼

#include "reg52.h"
#include "math.h"
#define  uchar unsigned char
#define  uint unsigned int
#define  ALL  65536     //定時器工作方式1時，最大基數(shù)長度 65536；
#define  F_osc 12000000    //晶振頻率12M；
//------------------------------------------------------------------------------------
// 各端口定義；
//------------------------------------------------------------------------------------
sbit KEY_F_UP=P0^2;      //頻率上調(diào)按鈕；
sbit KEY_F_DOWN=P0^3;     //頻率下調(diào)按鈕；
sbit KEY_W_UP=P2^0;      //脈寬上調(diào)按鈕；

sbit KEY=P0^1;       //粗細調(diào)節(jié)按鈕-----按下為粗調(diào)，否則為細調(diào)；
sbit OUTPUT=P2^5;     //波形輸出；
//------------------------------------------------------------------------------------
//全局變量聲明；
//------------------------------------------------------------------------------------
uchar TIMER0_H,TIMER0_L,TIMER1_H,TIMER1_L; //定時器0和定時器1的初值設置；
uchar PERCENT=50;        //初始占空比；

float temp;         //臨時全局變量，用于數(shù)據(jù)傳遞；
//-----------------------------------------------------------------------------------
//函數(shù)聲明；
//-----------------------------------------------------------------------------------
void delay(uchar t);       //延時函數(shù)，用于按鍵去抖；
void init();         //初始化函數(shù)，用于定時器的初始化；
void calculate_F();       //頻率計算函數(shù)，當頻率變化，計算出定時器0初值；
void calculate_W();       //脈寬計算函數(shù)，脈寬變化時，計算出定時器1初值；
void key_scan();        //按鍵掃描函數(shù)；
void timer0();        //定時器0中斷函數(shù)；
void timer1();        //定時器1中斷函數(shù)；

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)     //頻率上調(diào)鍵按下；
    {
     FLAG_F=1;    //置標志位；
     if(!KEY)
      FREQ+=10;
     else
      FREQ++;
     if(FREQ>50000)
      FREQ=1;
     }
   else if(!KEY_F_DOWN)   //頻率下調(diào)鍵按下；
    {
     FLAG_F=1;    //置標志位；
     if(!KEY)
      FREQ-=10;
     else
      FREQ--;
     if(FREQ<1)
      FREQ=50000;
     }
    else if(!KEY_W_UP)    //脈寬上調(diào)鍵按下；
    {
     FLAG_W=1;    //置標志位；
     if(!KEY)
      PERCENT+=5;
     else
      PERCENT++;
     if(PERCENT>49)
      PERCENT=1;
     }
    else if(!KEY_W_DOWN)   //脈寬下調(diào)鍵按下；
    {
     FLAG_W=1;    //置標志位；
     if(!KEY)
      PERCENT-=5;
     else
      PERCENT--;
     if(PERCENT<1)
      PERCENT=49;
     } 
     else ;
     }


  void timer0() interrupt 1
    {
    TH0=TIMER0_H;
    TL0=TIMER0_L;
    TR1=1;      //開定時器1；
    OUTPUT=1;
    }

main()
      {
    init();
    while(1)
     {
      key_scan();
      if(FLAG_F)     //改變頻率時要注意要進行脈寬的重新設置；
       {
        calculate_F();
        calculate_W();
        FLAG_F=0;
        }
       if(FLAG_W)     // 脈寬改變，頻率不改變；
       {
        calculate_W();
        FLAG_W=0;
        }
        }
}

系統(tǒng)搭建與性能優(yōu)化

前幾部分對系統(tǒng)原理進行學習，并進行器件選擇、電路及程序設計，現(xiàn)需將各部分電路焊接到PCB板上，接上線圈。連接實驗用學生電源及示波器進行無線供電系統(tǒng)的性能測試，系統(tǒng)實物如圖

這是當時用覆銅板做的電路

發(fā)射

接收

線圈

最佳傳輸距離

太遠了吧，效率低，到最后變成收音機天線了。

低功率無線供電，可以，適用于現(xiàn)在的發(fā)光系統(tǒng)上。不錯

這個線圈驅(qū)動的效率怎么樣？驅(qū)動電流多大？

這么遠的距離通信，信號衰減很大的。看來是發(fā)射功率很大。