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        無線能量及信息傳輸系統(tǒng)

        2013-12-31 00:00:00盧泰桉
        電子世界 2013年20期

        【摘要】本設(shè)計采用PIC16F877單片機作為主控芯片,系統(tǒng)通信載波頻率選用184kHz,由ATC2051 MCU產(chǎn)生,具有較高的穩(wěn)定性。通過線圈耦合實現(xiàn)能量的無線傳輸,相關(guān)的信息使用LCD顯示,具有較好的顯示界面;通過改變LC諧振兩端的電壓值可以調(diào)節(jié)接收端的電壓值。并且在發(fā)射端用一個采樣電阻測量整機工作電流,根據(jù)P=U*I可以實時用液晶顯示發(fā)射機的功耗。接收模塊通過控制其線圈回路的通斷,通過耦合改變能量發(fā)射模塊的諧振回路的Q值,實現(xiàn)了照明模塊和能量發(fā)射模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

        【關(guān)鍵詞】單片機;能量傳輸;LC諧振;數(shù)據(jù)傳輸

        1.引言

        電能的傳輸長期以來主要是由導(dǎo)線直接接觸進行傳輸,電器設(shè)備通過插頭和插座、開關(guān)、繼電器等接觸器獲得電能。隨著用電設(shè)備對供電品質(zhì)、安全性、可靠性、方便性、及時性等要求的不斷提高,還有特殊場合、特殊地理環(huán)境的供電,使得接觸式電能傳輸方式,越來越不能滿足實際需要。因此無線電能傳輸越來越受到人們的關(guān)注,并被美國《技術(shù)評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。

        2.論文目標(biāo)

        本設(shè)計要實現(xiàn)能量的無線傳輸,主要由主控單片機模塊、電源控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊組成。發(fā)射模塊和接收模塊通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)能量的無線傳輸。改變電源模塊的輸出電壓,使發(fā)射模塊得到不同的輸入電壓,從而改變接收模塊上5個LED燈的亮度。

        3.總體方案設(shè)計

        本系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊和接收模塊組成,發(fā)射模塊如圖1所示,它包含了電源處理電路,發(fā)射電路電壓控制模塊,發(fā)射電路,解調(diào)電路,顯示模塊等電路。接收模塊如圖2所示,它包含了LC諧振電路,濾波電路,穩(wěn)壓電路等模塊。

        圖1 能量發(fā)射模塊

        圖2 能量接收模塊

        4.硬件電路設(shè)計

        4.1 主控單片機模塊

        該設(shè)計采用兩款單片機,PIC16F877單片機和AT89C2051單片機,PIC單片機可對采樣電阻進行實時電壓檢測,送給單片機進行AD轉(zhuǎn)換,并且通過計算即可得出功率,最后顯示在液晶屏上。通過改變lm317的輸出電壓,為發(fā)射模塊提供不同的電壓值,從而使接收端可以得到不同的電壓,進而改變LED燈的亮度。通過UART對解調(diào)回來的波形進行解調(diào),識別,從而實現(xiàn)發(fā)射模塊和接收模塊的相互通信。ATC2051作為載波發(fā)射器輸出184k載波送給發(fā)射模塊,用這種方式產(chǎn)生的載波穩(wěn)定性較好。

        4.2 調(diào)制發(fā)射電路

        由于近距離無線通信采用線圈諧振的方式傳遞能量、發(fā)送和接收數(shù)據(jù),調(diào)制我們采用ASK的調(diào)制方式,這種方式在電路上較容易實現(xiàn)而且硬件電路相對來說比較簡單,由此該模塊電路主要由驅(qū)動電路和檢波放大電路組成。AT89C2051單片機輸出的信號經(jīng)驅(qū)動電路后加到LC諧振回路上,實際使用中需調(diào)整LC的諧振頻率與AT89C2051單片機產(chǎn)生的信號頻率一致。在L與C聯(lián)接端得到30V左右的諧振電壓,使電感線圈L產(chǎn)生較高的電磁場,為接收模塊提供能量。

        LC諧振電路頻率計算公式:

        (5-1)

        高頻載波驅(qū)動電路如圖所示,ATC2051產(chǎn)生184KhzPWM方波作為輸入信號CLK,經(jīng)U1A和U1B(7404數(shù)字集成電路)的緩沖,Q1(IRF9640)和Q2(IRF640)組成乙類功率放大器,為LC串聯(lián)諧振回路提供激勵信號。Q1、Q2選用MOS管。利用開關(guān)二極管D1對載波信號進行整流,以便得到正半周信號。

        圖3 載波驅(qū)動電路原理圖

        4.3 接收檢波放大電路設(shè)計

        接收模塊通過通訊線圈回路的通斷實現(xiàn)對發(fā)射模塊諧振回路衰減系數(shù)的調(diào)制,從而將數(shù)據(jù)信號傳送給發(fā)射模塊,因此在發(fā)射模塊,需要由檢波電路將調(diào)制信號進行解調(diào)。信號檢波放大模塊電路如圖所示,C3、R1和D1組成二極管包絡(luò)檢波,濾掉載波信號,得到一定的直流電平及微弱的包絡(luò)信號。為了提高檢波性能,RC的取值依據(jù)系統(tǒng)通訊的最高波特率確定,同時載波對檢波電路的要求,即滿足的條件。考慮到檢波對諧振回路的衰減,C2的取值不可過大,最終確定最終取R1為1M,C為100pF的電容。

        (5-2)

        RC=1×106×100×10-12

        =100×10-6(s)>>0.24×10-6(s) (5-3)

        由于解調(diào)后的信號幅值很小,需經(jīng)多級放大后,才能將電平輸出給單片機處理。C6、C5、R2、R3、U1C、U1D對包絡(luò)信號進行放大。R4和C7組成一階RC低通濾波,濾掉高頻雜波(主要為通訊的載波)后,再由C8、R5、U1E放大后,經(jīng)U1F整形后的調(diào)制信號,送給閱讀器主控單片機進行解碼。

        圖4 檢波放大電路原理圖

        4.4 供電模塊

        供電電源為+12V,總共分兩路輸出:一路供給PIC單片機模塊,用LM7805把它降成5V;一路為發(fā)射模塊供電;發(fā)射模塊采用LM317外接電路,通過IO口控制三極管的通斷來產(chǎn)生不同的電壓為發(fā)射模塊供電。

        如圖5所示:LM317輸出的電壓是1.2V到3.7V,負(fù)載電流最大為1.5V。它的使用非常簡單,僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM317內(nèi)置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。

        圖5 供電模塊原理圖

        4.5 Nokia 5110液晶顯示模塊

        該液晶具有以下特點:

        (1)84*48的點陣LCD,可以顯示4行漢字。

        (2)采用串行接口與主處理器進行通信,接口信號線數(shù)量大幅度減少,包括電源和地在內(nèi)的信號線僅8條。

        (3)采用低電壓供電,正常顯示時的工作電流在200Ua以下。

        (4)可以顯示漢字,使要顯示的信息更直觀明了。

        4.6 電流采樣電路

        電流采樣電路采用一個1歐的電阻,然后經(jīng)lm358放大電壓,最后送到主控單片機進行AD轉(zhuǎn)換,經(jīng)過換算就可得能量發(fā)射模塊的總電流。

        4.7 接收模塊電路

        接收模塊由LC組成并聯(lián)諧振回路,無線接收發(fā)送端傳送的能量,然后經(jīng)1N5817二極管整流再通過電容濾波,再用7533-1穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓,最后再經(jīng)過電容濾波,給然后給5個并聯(lián)的LED燈供電。

        4.8 接收模塊的調(diào)制電路

        調(diào)制電路由AT89C2051的TXD腳控制三極管的通斷進而控制接收模塊線圈的通斷。這樣就實現(xiàn)了通過耦合改變能量發(fā)射模塊的諧振回路的Q值,從而實現(xiàn)了發(fā)射模塊和接收模塊之間的通信(數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)制)。

        5.軟件設(shè)計

        無線能量傳輸主要是由發(fā)射模塊和接收模塊組成。

        圖6 發(fā)射模塊工作流程圖

        圖7 接收模塊工作流程圖

        6.調(diào)試

        系統(tǒng)的調(diào)試過程一共可以分為三大部分:硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

        6.1 硬件調(diào)試

        在硬件調(diào)試過程中,我們采用分模塊調(diào)試的方法,給各小模塊上電,先用萬用表測出供電模塊的兩路電壓值,看是否正常。然后把其中的一路供給lm317,一路供給MCU。接著結(jié)合PIC單片機的按鍵控制lm317的輸出電壓值并加在LC振蕩電路的兩端,看LED燈是否能顯示不同等級亮度。接收模塊則直接用萬用表的電流檔串聯(lián)接入LED,得出電流值。

        通信方面,則采用ATC2051的串口和PIC的uart直接相連的方法,先測試看能不能相互通信,最后再加上調(diào)制電路和解調(diào)電路,看能否正常通信。

        6.2 軟件調(diào)試

        軟件的編寫主要是nokia5110液晶的顯示和兩個按鍵的使用和PIC16F877中A/D的使用。在調(diào)試過程中,我們先把能量發(fā)送模塊和能量接收模塊直接連接,一塊MCU用uart發(fā)送類似紅外的編碼,另一塊MCU進行接收解析數(shù)據(jù)包,調(diào)試系統(tǒng)的通信模塊。最后再加上調(diào)制電路和解調(diào)電路,實現(xiàn)發(fā)送模塊和接收模塊的無線通信。

        7.系統(tǒng)測試

        7.1 測試的方法

        在測試中,按照設(shè)計的要求進行測試,首先上電,改變LM317調(diào)節(jié)端的電阻值,給發(fā)射模塊提供不同的電壓,然后接上電流檢測模塊,再連接MCU,最后在接收模塊進行相關(guān)數(shù)據(jù)的檢測和記錄。對于電流和功耗的檢測我們采用萬用表串聯(lián)檢測的方法。

        7.2 測試數(shù)據(jù)

        表1 測得的系統(tǒng)數(shù)據(jù)

        發(fā)射電壓(V)發(fā)射模塊功率(W)接收模塊功率(W)傳輸效率傳輸距離(mm)

        128.0324.99662.2%10

        8.0324.12051.3%20

        8.0323.15739.3%30

        77.3424.46460.8%10

        7.3423.46547.2%20

        7.3422.84938.8%30

        56.7224.01359.7%10

        6.7222.93343.6%20

        6.7222.27833.9%30

        8.結(jié)論

        本設(shè)計通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)了電能的無線傳輸,通過無線供電方式使接收模塊的5個LED燈正常發(fā)光,在10mm時每個LED電流可以達到12mA,在30mm時每個LED電流可以達到10.5mA。液晶能夠很好的顯示發(fā)射模塊的功耗和接收模塊上5個LED的亮度等級,具有良好的界面,功耗誤差也不超過±5%。通過按鍵可以切換LED不同等級的亮度。

        本設(shè)計進一步完善之后可以用于醫(yī)學(xué)檢測,具有較高的商用價值。

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