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智能无线供电系统

专家
2013-01-07 15:47:18    评分

作者:四川大学锦江学院 张亚运 刘瑞 张宇
指导教师:徐晋 廖均梅

  产品简介

  一、产品概要
  这个系统设计了一个无线供电系统,能实现短距离、小功率的无线电力传输。在完成电力的无线传输的同时还有功率测量显示的功能。本系统由无线电能发射电路、无线电能接收电路、功率测量显示电路以及电源电路四大模块组成。发射电路由单片机产生一个固定频率的方波信号,然后经过L298N驱动后通过线圈谐振发射电能。接收电路则直接通过线圈谐振耦合接收电能。在电源的输入端加入小电阻,通过ADC0809和单片机来测量电阻上的电压并计算出功率,同时将功率通过1602液晶显示出来。

  二、结构说明
  本系统目的是设计并制作一个非接触供电的LED照明系统,包括能量发送模块和LED照明模块。LED照明部分包括一个能量接收单元和五个LED灯,LED照明部分不得外加任何电源,它的供电只能来自能量发送模块,同时两个模块之间不能有任何导线连接,电能的传输通过感应线圈,由能量发送模块以无线方式发送给LED照明模块,线圈间的介质为空气。其中,能量发送单元采用12V的直流电供电。其系统框图如图1-1所示。  

   三、功能
  (1)实行电能的无线传输,通过无线供电方式使LED照明模块发光(每个LED的平均电流大于5mA);
  (2)在LED照明模块实现正常亮度时(5个LED,每个LED的平均电流为10mA),发射距离10mm的情况下,能量发射模块的功率小于5W(DC12V供电);
  (3)能控制LED的亮度:保持线圈距离不变,从暗变亮,从亮变暗,亮度变化至少有四级(不能用电位器手动调节电源的方式),可以在能量发射模块端用按键调节;
  (4)能量发射模块能实时显示发射机功耗,误差不超过±5%。

  四、系统安全性和发展性
  关于由此产生的电磁辐射对人体的影响问题,研究者们正在进行试验,以最终满足FCC的标准要求。开发人员称,现在的辐射水平大概和核磁共振仪类似,应该是在安全范围之内。
  我们可以让一个诸如铜制天线的物体发射电磁波,而让接收器来接收,转化为能量。即使用非放射性的无线能量传输方式来驱动电器,理论上说,所有现在使用电池的电器都可以换用这种方式供电。如果试验进行顺利,这种无线供电技术将会有非常巨大的发展空间,比如可以在地下铺设线路,随时为我们手中的电话,甚至行进中的汽车充电。虽然该技术仍处在起步阶段,这些展望都还存在设想当中,但我们还是对未来充满了憧憬。

  设计说明

  一、单元电路设计
  1.1 设计内容及原理分析
  1.1.1 电路系统设计内容
  本系统主要实现将电能通过无线电能传输技术发射出去,并能通过相应的接收电路在1cm以外接收电能使5个LED灯同时被点亮;同时能够实时测量、显示发射机的功率,并能实现发射功率的可调,使五个LED灯有四个亮暗等级的变化。

  1.1.2 电路设计原理
        系统的结构比较复杂,主要由电源电路、波形产生电路、能量驱动电路、电能发射电路、AD电压采集电路、显示电路以及接收电路等模块电路组成。电路的工作原理是:由单片机产生一固定频率的方波,然后经过L298N进行功率放大后由一个谐振电路通过线圈发射;接收端也采用谐振耦合的方式接收电能,将接收到的电能给5个并联LED供电;在L298N的电流反馈端加入一个大功率小电阻到地,并通过AD采样该小电阻另一端相对地的电压,最后通过单片机获取电压值并计算出发射功率;同时由单片机产生占空比可调的PWM波控制L298N的使能端,使发射功率实现可调的效果。  

   2.2电源电路模块
  由于系统中单片机、ADC0809以及L298N等芯片需要+5V的供电,而本设计要求只能提供+12V的电源,所以有必要首先设计一个电源电路。  

   先通过上电路图将220V市电转换为+/-24V电压。  

   该方案通过LM7812产生+12V稳压电压,再通过LM7805将电压稳压成+5V,满足整个系统对+12V和+5V的需求, 但仅作为供电使用。功率测试电路加在驱动电路中处理,比较准确的反映了发射功率。

  2.3波形产生电路
  非接触供电的LED无线照明系统的主要原理就是电磁感应原理。当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时,不论这种变化是什么原因引起的,回路中都会建立起感应电动势[3]。因此我们需要产生一个大小变化的信号通过发射线圈来改变发射线圈的磁通量,在接收线圈中因磁通量的变化而产生感应电动势实现无线传输。  

   本方案采用有源晶振将电能转换成正弦波信号。有源晶振产生发射需要的电信号很容易,只需将有源晶振加上电压即可得到所需波形。

  2.4 驱动电路
  经过以上波形产生电路产生了发射所需的信号。但是本系统要求能够给五个LED灯供电并达到一定的亮度,如果直接将产生的信号发射出去是达不到亮度要求的。因此我们需要将产生的信号进行功率放大,得到较大功率的信号。  

   本方案使用集成芯片L298N作为驱动电路。L298N是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。1脚和 15脚可单独引出连接电流采样电阻器,形成电流传感信号[5]。该方案实现非常方便,通过控制其使能端6脚的通断时间可以达到控制发射功率的效果。单片机接收按键的信息来改变PWM波占空比,将PWM波接到L298N的使能端达到控制发射功率的效果。

  2.5 发射电路  

   本系统采用线圈谐振耦合传输能量,发射电路处于谐振时发射效率最高。发射电路的谐振频率与输入信号的频率一致时,整个电路处于谐振状态。回路谐振的频率计算公式:  

       

   LC电路谐振时,支路电流近似为总电流的Q倍,通常,Q>>1,所以 ,谐振时LC并联电路的回路电流比输入电流大得多,此时线圈产生的能量最大,接收端耦合得到的能量也最大。本设计取L=103uH,C=660nF,F0=20KHz。

  2.7 接收电路  

   发射电路采用谐振耦合传输电能,接收电路也采用谐振耦合接收电能,使传输效率达到最高。接收到电能后采用LED并联供电。电路中设计有专门的测试口,方便测试流过五个LED的总电流。接收线圈的电感为L=103uH,因为谐振频率为F0=20KHz,所以计算得到所需电容为C=660nF,故采用三个224电容并联。

  2.6 显示电路  

   为了实时显示系统发射功率,需要设计一个显示电路。LED数码管显示电路比较复杂且不能显示有些字符,显示效果不够好。本系统采用1602液晶作为显示器,能方便的显示字符、数字等。本设计中只需将1602的8位数据线跟单片机一组IO口相连,将使能端接地,使1602一直处于使能状态。

  2.8 AD采样电路
  发射电路模块为+12V供电,为了测量发射功率需要测量出发射模块电流。在发射驱动模块的电流反馈端串接一个大功率小电阻,通过测量小电阻的电压值来计算电流,进而计算出功率。本设计采用ADC0809测量小电阻的电压值。将ADC0809的IN0引脚接到L298N的1脚(作为电压测量输入引脚),然后通过单片机开启AD转换,将测量到的电压值由单片机处理并计算出功率。  

   AD变换主要是把模拟电信号转换成数字信号,由单片机处理得到其电压值。本设计采用8位AD变换,参考电压=+5V、=0V。电压可以使用此公式计算:u=data*5/256(data为AD转换出来的数字量)。本设计使用AD芯片的第一个模拟量输入通道,采用查询的方式进行AD采样。
  ADC0809主要信号引脚的功能说明如下:
  IN7~IN0——模拟量输入通道
  ALE——地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
  START——转换启动信号。START上升沿时,复位ADC0809;START下降沿时启动芯片,开始进行A/D转换;在A/D转换期间,START应保持 低电平。本信号有时简写为ST。
  A、B、C——地址线。 通道端口选择线,A为低地址,C为高地址,引脚图中为ADDA,ADDB和ADDC[7]。
  CLK——时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号由外界提供,因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。
  EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换;EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志,又可作为中断请求信号使用。
  D7~D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式,可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位,D7为最高[7]
  OE——输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0,输出数据线呈高阻;OE=1,输出转换得到的数据。
        +5V电源。
        参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较,作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(=+5V, =-5V) 。

   产品特色

        一、的先进性及创新性

  • 使用非放射性的无线能量传输方式来驱动电器,无论是手机,笔记本电脑还是数码相机,如果这项研究获得成功,它们的有线供电充电设备都可以退休了。
  • 其电磁波接收装置,能够根据不同的负载、电场强度来做调整,同时还能维持稳定的直流电压,这也表示在空中散射的电磁波功率,能够被减到最低。
  • 无线供电(充电)设备比普通供电(充电)器“聪明”很多,对于不同的电子产品,电源接口能自动对应,需要充电时,发射器和接收芯片会同时自动开始工作,充满电时,两方就会自动关闭,避免了不必要的能耗。它还能自动识别不同的设备和能量需求,进行‘个性化工作’,这就是智能。
  • 基本上整个系统的核心部分包含了两件东西,一个是插在插座上的发信器,另一个是整合在电子产品上,跟硬币大小差不多的接收器(技术核心),只要在一定的范围内(目前是在 90 厘米的距离内),电能可以瞬间自发信器传到对应的接受器。

  二、 产品实用性

  • 应用范围极其广泛:首先是,低功率低能耗的电子通讯产品,办公产品,如:手机、掌上电脑等;其次是,家具产品和低能耗的家电利用;再其次是,交通工具,如电动车、动车组等全部用电交通工具;最后是,空间站,卫星、军舰和航母等通过把云层的电离层能量收集并无线传输给需要能量的场所实现完全环保节能的新一代国际军事领域。
  • 不仅是小功率电器,常见的家用电器设备、医疗设备、电动工具、办公室电器、厨房电器等都可以实现无线充电了。其实准确的说,应该叫“无线供电”,也就是一边传输一边使用电能,不需要任何类似于电池的电量存储设备,更不需要提前充电了。
  • 方便自不必说,除此之外,无线充电还更安全,没有了外露的连接器,漏电、跑电等安全隐患都彻底避免了。
系统演示视频:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2333



关键词: 智能     无线     供电系统     系统     设计     一个     功率     传输    

菜鸟
2014-01-04 21:01:10    评分
2楼

棒!


菜鸟
2014-03-05 15:42:40    评分
3楼
可以教我做这个吗

菜鸟
2014-09-04 16:22:33    评分
4楼
想问下波形产生电路是接到L298N的输入口吗?

菜鸟
2015-04-13 10:42:01    评分
5楼
首先多谢楼主分享专业知识,谢谢。

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2、至少2年以上IT产品硬件开发经验,熟悉项目管理或能够独立负责一个产品线硬件开发者优先; 
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公司主要研发无线充电产品,未来方向是远距离且高效率的无线充电。
有意者请联系QQ 48448718,请说明是在哪里看到的信息。谢谢

该信息2015年4月-6月份有效。
祝生活愉快。

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