基于单片机的无线电能传送装置设计

胡捷

摘 要：

无线电能传输就是利用一种特殊设备将电能以无线形式进行传输，从而可以在无需电缆线的情况下直接传输电能。介绍了一个无线充电系统，该系统由利用89C51单片机，设计制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，它对发射线圈的电流进行檢测，若产生偏离谐振电流则进行调节，从而使传输电能的能量始终处于最大。无线电能传输领域是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域。

关键词：

无线传输；自谐振；传输功率；传输效率

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2016）04021902

1 系统方案

根据设计提出的要求，本系统总共分为两大部分：电能发送和电能接收。发送与接收单元之间通过线圈之间的互感耦合作用传送电能，供电部分和用电部分没有任何束缚性的有线连接。传送有效距离达10cm，本系统效率高，成本低，工作可靠稳定。系统构成如图1所示。

1.1 发射电路的论证与选择

1.1.1 检测与调频的论证与选择

方案一：采用晶闸管，其优点是切换无噪声，单驱动电路复杂，切要安装散热片。

方案二：采用继电器，功率大，内阻小，缺点是存在切换噪声。

方案三：采用89C51单片机控制驱动顶部线圈信号的频率，并能通过检测流过顶部线圈电流的大小来调整频率使线圈达到最大的传输频率。

综上所述：单片机操作简单，控制灵活，功能齐全，价格适宜，所以选择方案三。

1.1.2 频率调节电路

方案一：使用晶体管振荡，可以产生稳定准备工作频率，但频率不可调，使接下来的工作量增大，较难做到系统所需较高要求。

方案二：使用LC振荡，其频率在一定的范围内可调，电路简单而且省电。

方案三：采用89C51单片机对谐振电流进行检测，若谐振电流发生偏离则进行调整，使频率域LC达到一致，从而使线圈传输能量达到最大。工作简单方便。

综上所述：因功率放大系统频率不高，频率可调在一定的范围内，选用方案三。

1.1.3 功率放大电路

方案一：采用大功率开关三极管作为功放元件，但管耗较大，需要大面积的散热片，成本较高。

方案二：采用场效应管作为功放与元件，功耗低于三极管，驱动功率小，使用方便，价格合适，更能满足系统要求。

1.1.4 总体发射电路

方案一：采用专制XKT-515直流远距离无线供电芯片，使用简单方便，但是芯片较为稀有独特，其功能不能满足任务要求。

方案二：采用自制电路，将输入的直流电压15V，经过振荡，放大，使振荡频率达到最大，即自谐振状态，经由线圈将电能发射出去，结构简单，方便。

综上所述，本系统采用方案二。

1.2 接收电路的论证与选择

方案一：采用专制电路：XKT-408系列集成电路，采用CMOS制程工艺，具有精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。

方案二：采用自制电路：线圈接收电能后，经过电桥整流，电容滤波，可以为负载提供直流电源，达到题目要求。

综上所述，采用方案二。

1.3 负载电路的论证与选择

根据设计提出的要求采用两个1W的LED灯串联，并串入一个电阻。

2 系统理论分析与计算

2.1 发射、接收电路

为方便说明，在以下分析中均认为发射、接收电路装置在建立联系之后，均达到自谐振状态，同时只考虑线路的集中参数，并不计算杂散参数对电路的影响。其等效的电路模型如图9。

图中Us为发射线圈感应得到电压，Rt、Rr为发射、接收线圈等效电阻，Lt、Lr为发射、接收线圈等效电感，Ct、Cr为发射、接收线圈等效电容。

设发射线圈中电流为It，发射线圈电流产生的磁场近似为：

由此在接收线圈感应产生的电压为：

负载得到功率：

以上式中，Rr为针孔磁导率，f为电流频率，N为环形线圈匝数，r为线圈半径。

由上面式子可以得到发射线圈与接收线圈之间传输效率为：

2.2 功率放大分析

图10为典型的E类功率放大电路，开关管T采用MOS管，正常工作时要能工作在软开关状态。

由于该系统主电路的频率到达1MHz以上，因此开关管应选择MOS管。本系统选用了国际整流公司的芯片IRF840，额定电压为500V，额定电流为8A。

2.3 驱动电路的设计

本系统采用栅极驱动，主要包括方波信号发生器，驱动芯片TL4428，5V的直流源，滤波电容，稳压二极管等。由于MOS管需要一定的驱动功率，这里采用了驱动芯片TL4428，它可以提供1.5A的驱动电流，驱动的上升时间和下降时间最小可以到达19ns，从而可以满足1.5MHz驱动的要求。另外，稳压管可以起到防止驱动电压尖峰，保护MOS管的作用；电阻可以防止MOS管的栅极里的电容放电，而烧毁驱动芯片。

3 设计结论

通过本次无线电能传输装置的设计，我们不仅对模拟电路有了更加深刻的理解，在电子设计方面同样也很有收获。我们的设计互帮互助，友情更加浓厚，同时也加深了彼此之间的默契，虽然其中也有很多的争执与分歧，但是经过彼此的细心探讨，问题也都会迎刃而解。

参考文献

[1]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]康华光.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]韦建英，徐安静.模拟电子技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.