曹琛，李元章，馬忠梅

(北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100081)

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基于MSP430的無(wú)線充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)※

曹琛，李元章，馬忠梅

(北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100081)

摘要:本設(shè)計(jì)是基于手機(jī)鋰電池來(lái)研究無(wú)線電能傳輸?shù)?，采用電磁感?yīng)方式進(jìn)行電能傳輸。首先，對(duì)系統(tǒng)電能傳輸方式和鋰電池充電的工作原理進(jìn)行分析，其次對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行分析。在理論分析的基礎(chǔ)上，借助工具對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，采取數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)分析方法對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，分析出系統(tǒng)傳輸電能的最大距離、最優(yōu)效率、最大功率,最終設(shè)計(jì)出多功能無(wú)線充電平臺(tái)。

關(guān)鍵詞:無(wú)線能量傳輸； 電磁感應(yīng)； 能量發(fā)送；能量接收

引言

目前，絕大部分的充電器都是通過(guò)金屬導(dǎo)線連接的方式，給設(shè)備內(nèi)部的鋰電池充電。無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于便攜和通用，解決了各種充電線雜亂無(wú)章的煩惱。此外，無(wú)線充電技術(shù)會(huì)給WiFi和電源技術(shù)帶來(lái)巨大的進(jìn)步。對(duì)于不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，無(wú)線充電技術(shù)會(huì)大大減少用戶(hù)所需各種充電器的數(shù)量。

1方案設(shè)計(jì)

1.1充電原理分析

兩個(gè)共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱，無(wú)線充電技術(shù)就是利用的這個(gè)原理。此外，無(wú)線充電技術(shù)也利用了電磁波感應(yīng)原理，以及相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在發(fā)送和接收端用相同的線圈發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號(hào)來(lái)進(jìn)行充電。用戶(hù)只需要把充電設(shè)備放到一個(gè)“平板”上就能充電了。

1.2器件的選擇

TI公司的MSP430系列是超低功耗的微控制器，使用壽命長(zhǎng)，可保證穩(wěn)定性，而且集成了各種智能外設(shè)，其具有16位RISC CPU架構(gòu)，此系列的單片機(jī)具有超高性?xún)r(jià)比。無(wú)線充電器中，能量接收部分由于其耦合方式獲得的電流有限，充電過(guò)程需要用低功耗單片機(jī)來(lái)控制。MSP430芯片內(nèi)部集成了ADC功能，這樣可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)充電時(shí)的電壓值。

圖2　電源管理電路

1.3關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

1.3.1振蕩電路

設(shè)計(jì)中使用RC振蕩電路，RC振蕩電路在一定范圍內(nèi)可調(diào)，且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，節(jié)省元器件。由于系統(tǒng)選擇的頻率不高，在一定的范圍內(nèi)可調(diào)，所以選擇NE555器件與RC電路構(gòu)成振蕩。

1.3.2功率放大電路

如果選擇大功率開(kāi)關(guān)三極管作為功放元件，則功耗太大，發(fā)熱較嚴(yán)重，且成本高。因此采用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行放大，功耗較使用大功率三極管時(shí)低，驅(qū)動(dòng)功率低，且使用方便。

1.3.3電源管理

這部分電路有兩種選擇，可以選擇使用晶閘管或者繼電器，兩種器件各有利弊，不過(guò)實(shí)際運(yùn)用中要實(shí)現(xiàn)交流/直流自動(dòng)切換，因?yàn)槠涔ぷ麟娏鞔?、切換頻率不大，所以選擇繼電器。

1.3.4充電電路

在無(wú)線充電過(guò)程中，電壓會(huì)隨信號(hào)發(fā)送部分與接收部分耦合線圈間距的變化而變化，但是充電時(shí)間相對(duì)固定，所以選擇恒定電流的充電方式。

2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1硬件部分

2.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中D為信號(hào)發(fā)送部分的線圈與信號(hào)接收部分的線圈的間距，這個(gè)距離會(huì)影響到電壓值。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2電源管理

輸入可以為交流/直流，交直流輸入采用單刀雙擲繼電器，交流電上電常開(kāi)閉合，常閉打開(kāi)實(shí)現(xiàn)交流優(yōu)先，交流斷電繼電器斷電，常閉閉合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。切換過(guò)程極短，不會(huì)影響充電。具體電路如圖2所示。其中,K1 Relay為繼電器，D1是由4個(gè)二極管組成的整流橋。7805和7812都是三端穩(wěn)壓集成電路芯片。

2.1.3信號(hào)發(fā)射電路

信號(hào)發(fā)射電路由振蕩電路和諧振功率放大電路組成，振蕩電路利用NE555器件產(chǎn)生一個(gè)合適的振蕩頻率(約510 kHz)，為功率放大電路提供激勵(lì)信號(hào)(輸入信號(hào))，諧振功率放大電路由LC并聯(lián)組成的諧振回路和場(chǎng)效應(yīng)管IRF840構(gòu)成。NE555是555系列計(jì)時(shí)IC的一種型號(hào)，它只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生不同頻率的脈波信號(hào)振蕩線圈采用0.8 mm的漆包線繞20圈，電感值為142 μH，根據(jù)LC諧振頻率的計(jì)算公式:

當(dāng)頻率為510 kHz時(shí)，與其并聯(lián)的電容C5、C6的容量為680 pF，信號(hào)發(fā)射電路如圖3所示。

圖3　信號(hào)發(fā)射電路

C5、C6的容量經(jīng)過(guò)計(jì)算為680 pF，但考慮到使用過(guò)程中器件的老化，以及溫度、光照等外部因素的影響，利用一個(gè)470 pF的固定電容并聯(lián)一個(gè)200 pF的可調(diào)電容，方便調(diào)節(jié)諧振頻率。

當(dāng)LC振蕩電路的選頻回路諧振頻率與激勵(lì)信號(hào)頻率相同時(shí)，會(huì)發(fā)生諧振，此時(shí)線圈中的電壓和電流都達(dá)到最大值，從而產(chǎn)生最大的交變電磁場(chǎng)。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈接近時(shí)，接收線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時(shí)，會(huì)發(fā)生諧振，電壓達(dá)最大值。發(fā)射線圈與接收線圈均處于諧振時(shí)，能量傳輸最理想，即充電效果最好。具體的諧振圖如圖4所示。

圖4　諧振電路

L2為接收線圈，當(dāng)L1、L2值一樣，C5、C9值一樣，C6、C10值一樣，可以保證發(fā)射線圈和接收線圈的諧振頻率相同。

2.1.4充電電路

充電電路如圖5所示，也就是接收線圈的部分。接收線圈接收到的電能信號(hào)經(jīng)過(guò)整流橋進(jìn)行整流，經(jīng)過(guò)C8(濾波電容)進(jìn)行濾波，然后經(jīng)過(guò)D3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，從而提供穩(wěn)定的電壓。

圖5　充電電路

為了準(zhǔn)確地獲得充電時(shí)間，采用恒流充電的方式，在此情況下，電流值為恒定不變的量，根據(jù)電容電壓積分公式：

電流設(shè)為常亮I，所以得到電容電壓與時(shí)間的公式為

若設(shè)計(jì)要求為充電時(shí)間滿(mǎn)足快速充電低于40s，慢速充電控制在100s，計(jì)算可得快速充電和慢速充電所需電流為：

I(快)=22 000μF×3V/40s=1.65mA

I(慢)=22 000μF×3V/100s=0.66mA

在充電電路中，D5、D6二極管的導(dǎo)通電壓均為0.7 V，且穩(wěn)定不變，可作為基準(zhǔn)電壓，為1.4 V，所以：

U(R)+U(EB)=U(D1)+U(D2)=1.4 V

在恒流充電中，充電的電流由電阻R5、R6決定。在PNP管中，U(EB)=0.7 V,且三極管I(C)約等于I(E)，所以計(jì)算出快速充電和慢速充電需要的電阻值為：

R5=0.7 V/I(慢)=1061 Ω，R6=0.7 V/I(快)=424 Ω

在實(shí)驗(yàn)中，采用兩個(gè)可變電阻，充電過(guò)程可以改變電阻值，從而改變充電電流。

2.2軟件部分

軟件設(shè)計(jì)部分主要完成對(duì)充電過(guò)程的監(jiān)視以及充電過(guò)程的控制。由于MSP430單片機(jī)內(nèi)部自帶有A/D轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)充電過(guò)程中電池的電壓變化，達(dá)到規(guī)定的電壓后立即發(fā)出控制信號(hào)、停止充電。若采樣電壓為0時(shí)，表示已經(jīng)充滿(mǎn)電，即可清空進(jìn)度條，如果不為0，則繪制進(jìn)度條，顯示在充電，一旦設(shè)備進(jìn)入低功耗模式，則開(kāi)啟定時(shí)器，開(kāi)始充電。軟件設(shè)計(jì)整體框架圖如圖6所示。

圖6　軟件設(shè)計(jì)整體框架圖

MSP430單片機(jī)功耗很低，且A/D轉(zhuǎn)換器精度很高，定時(shí)器的功能也很豐富，通過(guò)定時(shí)器和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若出現(xiàn)定時(shí)器中斷，則執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)，然后借助LCD程序使充電的進(jìn)度條、實(shí)時(shí)電壓、充電時(shí)間等內(nèi)容顯示在LCD屏上。部分關(guān)鍵代碼略——編者注。由于MSP430單片機(jī)沒(méi)有中斷嵌套功能，所以在計(jì)算充電時(shí)間和A/D采樣中斷兩個(gè)中斷同時(shí)來(lái)臨時(shí)，容易出現(xiàn)定時(shí)器“死機(jī)”的情況。在試驗(yàn)中，采用定時(shí)器優(yōu)先中斷，然后在定時(shí)器中斷程序中啟動(dòng)A/D的方法，A/D對(duì)直流電壓采樣16次，可以得到不錯(cuò)的效果。之所以這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器對(duì)直流并不需要太高的采樣速率。

3測(cè)試

3.1產(chǎn)品測(cè)試方案

設(shè)計(jì)的無(wú)線充電器要實(shí)現(xiàn)的功能有：快速充電、慢速充電、交流電/直流電切換(不過(guò)以交流電優(yōu)先)；在充電過(guò)程中，可以調(diào)節(jié)兩個(gè)可調(diào)電阻，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)充電電流，以獲得最大的充電距離(即發(fā)射線圈與接收線圈的間距)。

測(cè)試方案步驟如下：

① 快速充電測(cè)試：把線圈距離調(diào)整為2 cm,調(diào)節(jié)電流為1.65 mA，記錄充電時(shí)間。

② 交流電/直流電切換：將交流220 V電壓和直流24 V電壓同時(shí)送入電源管理模塊，通過(guò)LCD屏顯示內(nèi)容觀察充電過(guò)程的穩(wěn)定性；斷開(kāi)220 V交流電，直接接入24 V的直流電，觀察充電是否穩(wěn)定。

③ 在快速充電40 s、慢速充電100 s內(nèi)，適當(dāng)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，記錄充電時(shí)間，獲得最佳的充電電流。

3.2產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的功能

經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的無(wú)線充電器能夠完成以下功能：

① 支持220 V、50 Hz的交流電和24 V直流電供電；

② 能夠自動(dòng)切換交直流供電，當(dāng)兩種電同時(shí)供入到電路中時(shí)，以交流電優(yōu)先，當(dāng)斷開(kāi)交流電時(shí)，自動(dòng)切換到直流電供電；

③ 可以支持快速充電、慢速充電；

④ 在屏幕上可以顯示電量充電進(jìn)度。

3.3線圈間距的影響

發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離會(huì)影響充電效率，我們無(wú)法直接觀察到充電效率如何，可以通過(guò)充電的時(shí)間進(jìn)行推測(cè)。做過(guò)的一些試驗(yàn)記錄略——編者注。

結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線充電器由電源管理模塊、能量發(fā)送單元、能量接收單元部分組成。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，可在7 cm的距離內(nèi)對(duì)電池進(jìn)行快速充電和慢速充電，且無(wú)線充電器支持交流電和直流電供電，能夠?qū)崿F(xiàn)交直流自動(dòng)切換，通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)可以選擇快速充電和慢速充電模式。控制芯片采用低功耗、抗干擾強(qiáng)的MSP430芯片，可利用內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換和定時(shí)器功能控制充電過(guò)程，且電量可以顯示在液晶屏上。

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Design of Wireless Charger System Based on MSP430※

Cao Chen，Li Yuanzhang,Ma Zhongmei

(School of Computer Science,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Abstract：Based on the phone lithium battery,the wireless energy transmission is researched.In the paper,the electromagnetic induction mode is adopted.First,the energy transmission mode and the working principle of the lithium battery charging are analyzed,then the hardware and software of the system are discussed.On the basis of theoretical analysis,the wireless charging system is debugging using the related tools.It uses the mathematical data analysis method to verify the design,and analyzes the maximum distance power transmission,the optimal efficiency and the maximum power of the system.Finally,the design of multifunction wireless charging platform is achieved.

Key words:wireless energy transmission;electromagnetic induction;energy transmission;energy receive

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-08-30)

中圖分類(lèi)號(hào):TP368

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A