基于51单片机的无线充电器设计与实现

项目编号：BS-DPJ-001

前言：

无线电能传输技术是一种新的能量传输技术，其主要功能是共振耦合的无线电能传输，其传输效率高，适合中等传输距离，基于磁场与共振耦合原理，可有效地将电能传输至负荷，从而解决了传统电力传输模式存在的诸多弊端。本论文以单片机为核心，利用无线充电线圈的电磁感应原理，对移动电话进行充电。首先，在参考国内外有关资料的基础上，对整个无线充电设备的总体设计进行了研究，确定了各模块的功能，并对其进行了硬件电路的设计和构建。在此基础上，编写了单片机的控制软件，完成了各部分的控制，并完成了实际的焊接和试验，并完成了以单片机为核心的无线充电设备的系统设计。

一，项目简介

在低功耗的情况下，无线充电技术仍能发挥其优势。首先，这是为了适应现代人的生活，为了方便，很多便携的手机，都要时不时地与手机进行充电，这就导致了插座和电线的存在，很难做到防水。其次，随着电力的不断增长，人们对环境的影响也越来越大，无线无接触充电技术是一种非常好的解决方案，它为实现可持续发展奠定了基础。随着时代的发展，无线充电器的设计是一种全新的技术，其应用范围非常广泛，本文所研制的以 MCU为核心的无线充电器，其性能稳定、电路简单、实用，使充电器的功能得到了极大的提高，为人们的日常生活带来了极大的便利。

二，方案设计

2.1 无线充电系统的原理介绍

不管无线充电技术的差异有多大，其背后的理论就是所谓的“电磁感应”，即通过改变的电场产生改变的磁场，然后通过改变的磁场来产生电场，从而产生电能。一根带电的电线所产生的磁场与电流的方向是垂直的，一般很弱，但当电线被缠绕成一个环形或螺旋状时，磁场就会在同一方向上叠加，形成一个更强大的磁场。实际上，无线充电的原理和我们日常使用的变压器很像，都是通过一个线圈里的电流来驱动另外一个线圈。但是，与变压器通过铁心进行磁场传输的方法不同，无线充电装置中的感应线圈是经过特殊调节的，利用空气作为媒介来传导磁场，产生一种感应电流。同时，为了保证两个线圈的谐振频率，必须保证两个线圈的谐振频率相同，即使输出线圈的电流很低，也能在一定程度上产生较大的感应电流。就其技术原理和解决方法而言，现有无线充电技术有三大类：电磁感应、磁共振、无线电波等。这些技术可用于短距离、短距离和远距离传输。

不同的无线充电模式具有不同的特性，具体的对比见表2-1。

表2-1 各种无线充电方式的特点

2.1.1 电磁感应式原理

目前，最常用的充电方法是电磁感应。在法拉第电磁感应的作用下，电流在经过线圈的时候，就会形成一个磁场。而产生的磁场就是一个电压，一个电流就是一个电流，一个电流就是一个能量。一次绕组和二组绕组感应电流，把能量从传送端传送到接收端。通过线圈的电流可以形成一个磁场。在这个磁场附近，没有被电的线圈会产生电流。由"电磁感应"这一物理现象，能量可以从左侧的发能线圈传送到右侧的受能线圈。

WPC是以这种方式来完成能源转换的，目前主要针对5 W以下的低功耗应用，同时也在努力制订高功率产品的标准。该装置可以在一个平面内对多个电子设备进行充电，其发射端与被充电产品的接收端之间的距离比较接近。这个方案在实践中已经有了很多的应用实例，但是仍然缺少一个主要的厂家来引领，现在很多厂家都在蠢蠢欲动，不久的将来会有一个巨大的需求。

图2-2  电磁感应方式无线充电实现原理

2.1.2 磁共振式原理

MRI方法是在2007年通过美国麻省理工大学的物理学家马林·索尔贾希克进行的。核磁共振方法的工作原理和声波的共振原理是一样的。每个音叉的振动频率都是一样的，一个发出声音，其它的都会发出共鸣。类似地，在一个磁场中，具有相同的振动频率的线圈可以从一方提供电力。通过谐振也可以增加传送距离。电磁感应的最大功率范围是1-10厘米，而磁感应模式，如果线圈足够大，可以在几米开外提供电力。此外，核磁共振方法与电磁感应法不同，它不需要将线圈之间的位置进行精确的匹配。

谐振无线充电，它与智能设备的谐振线圈具有相同的频率，可以通过谐振来充电，所以即使智能手机不接触充电板，也可以进行充电。

图2-3 磁共振方式无线充电实现原理

2.1.3 无线电波式原理

无线电波是另外一项比较成熟的技术，它的基本原理与早期的矿物收音机相似。该公司开发了一种小型的高效率的接收电路，它能够捕捉到从墙上反射回来的电波，并随着负荷的变化而维持恒定的 DC电压。只要一个装在墙上的插座上的发射机和"蚊型"的接收机，就能把无线电波转换为直流电来给各种电子设备的电池充电。此方案的主要缺陷在于发射功率过小。

2.2 总体方案分析

2.2.1 原理模型分析

本课题所应用的电磁感应原理，在对无线充电系统进行理论分析与计算时，不需要包含振荡电路这一环节，故可将其分为发射与接收两大块。

图2-4 本系统的无线充电原理

2.2.2 系统的设计要求

该方案主要采用整流滤波，降压电路，功放电路，和线圈等方式将220 V交流市电进行能量传输，最后输出功率为5 V，最大输出电流不大于500 mA，输出频率为87~205 kHz，输出电压波动不大于10%。

2.2.3 系统原理分析

无线充电底座（发射端绕组），其主要由振荡电路、降压电路、功放电路及 EMT发射线圈构成，220V市电经功率放大电路的控制，将市电转换为合适的AC电数值，并对交流电进行整流、过滤，使其频率提高后传输至发送线圈，在发送线圈内部，由于交流电流过，在此传输线圈中形成交流磁场，在此交流磁场中，接收端线圈发生电磁感应，由此产生电流。在接收端，通过充电回路把感应到的 AC电转化成 DC，再通过输出端的负载，实现无线充电。图2-5显示了无线电力传送系统的基本原理。

图2-5 无线电能传输系统原理图

2.3 方案设计

该方案包括：单片机最小系统+ADC0832+无线充电线圈+ USB输出+ LCD+电源。

1)、无线移动电话的充电：利用无线充电线圈的电磁感应原理，对移动电话进行充电。

2) LCD显示功能：对当前的电压、电流进行实时显示。

3)采用ADC0832ADC0832模拟转换器，对手机充电时的充电电压和电流进行采集，由 MCU进行数据处理后，将电压和电流显示在 LCD屏幕上。

三，硬件设计

3.1 主控模块设计

为了确保STC89C52单片机在5 V工作时具有最基本的工作性能，它可以利用STC89C52上的部分元件，包括上拉阻电路，复位电路和晶振电路，组成一个最小的单片机系统。

图3-1 单片机的最小系统框图

CPU主要由图3-2所示，在左下角有一个晶体振荡器，晶体振荡和电容配合使用，3-50 pf之间的电容值都可以，但30 pf是最稳定的。左上的电路是重置的，而 MCU的9脚是高电平的，按下按钮9的脚，就是5 V的复位，这是一种手工重置，电阻器和电容器会自动重置，形成一个差动电路，在瞬间，电容器就是一个短路，等于9个脚是5 V。电容和电阻之间的关系，在此使用了一个时间参数：电阻和电容之积即为重置时刻，阻值的大小决定了延迟的持续时间。

图3-2 主控制CPU模块

3.2 电源模块设计

从图3-3可以看出，电源模块的主要功能是提供电力，它包括两部分，一部分是用于 MCU和其他模块，另一部分是12 V，通过L7805将12 V的电压稳定到5 V，而 MCU的5 V则需要5 V的电压。其中c4和c5为滤波电容器，c4为470 uf，用于过滤低频不稳的电压，c5为用于过滤高频不稳定的电压。在电源指示器上连接有一个电阻器，以限制电流，避免烧掉指示器。

图3-3 电源模块电路原理图

3.3 LC振荡电路设计

这个能量传送设备的 RF输出经过一个传送线圈（电感）和一个电容，并且持续地构成一个谐振回路。为了提高能量接收机的功率，采用并联谐振回路。

当选频回路的谐振频率和激励信号的频率相同时，通过谐振实现谐振，使得电流和电压达到最大值，从而产生最大的交流电磁场。当接收端绕组靠近发射线圈时，在接收线圈中会产生感应电压，当接收线圈回路谐振频率与发射频率相等时，会出现谐振现象，从而使输出电压达到最大值。这样，发送线圈回路与接收线圈回路均为谐振状态时，其能量传输效率是最优的。线圈具有更高的能量传递和更远的传输距离。

图3-4 LC振荡电路模块原理图

3.4 液晶显示模块

LCD显示模块的主要作用是：在显示屏上显示所采集的电压、电流的大小。

LCD 1602 LCD显示器采用 LCD 1602，它自身有16个引脚，第一、第五、16个引脚接地，第二和15个供电，第七~14个，即数据总线D0~D7引脚，并由P0.0~ P0.7管脚，通过高、低电平输出控制命令；第4个 RS插针作为输入端口，通过P2.6插针对寄存器[11]进行选择；第6个管脚的启动信号被连接到 P2.7的 MCU。图3-5中示出了 LCD模块的电路结构。

图3-5 液晶显示模块的电路原理图

3.5 无线充电线圈的选择

当无线充电线圈被供给电力后，它就会形成一个螺旋形的磁场，在一定的时间内，它的磁场数目和电流都会随之增大，而磁场的强度也会随著电流的趋化而增大。线圈所用的导线通常是绝缘的，以提高使用空间。根据无线电线圈的计算方法：

45/横截面=每伏匝数/伏次匝数×220=一次匝数/伏匝数×18=二次匝数选择。

该模块采用了科泰412型无线电源电路，电路简单，负载容量大，模块的主要参数如下：

输入电压：5-12 V；

发射模组：10毫米*21毫米；

发射线圈：具有4.4 uH电感，外径27.5毫米；

接受稳定片：10毫米*24毫米；

接受线圈：具有4.4 uH电感，外径27.5毫米；

6毫米的5V200mA的接收输出

5毫米的5V500mA的接收输出

4毫米的5V800mA的接收输出

接收输出为3毫米的5V1A

2毫米时的5 V1.5 A的接收输出

3.6 无线传输检测模块设计

无线传输模块连接12 V的电源，内部采用 LC电路进行振荡，使方波脉冲共振为正弦波，并以电磁能的形式输出到外部，从而为接收电路供电。接收端和发射端的磁场切割，生成一个5 V的电压，然后由两个取样电阻器进行分压，将电压的变化显示在 LCD屏幕上，然后通过 USB接口将例如移动电话等负载进行连接。下面有3个小电阻器，电流的探测要串联起来，因此用3个很小的电阻器作为取样电阻，并把CH0、CH1分别用 LCD显示。

图3-6 无线传输、检测模块

3.6.1 电压电流检测模块

如图3-7所示，电压电流检测模块为数模转换器，其中CH0和CH1均将改变电压、电流信号变换为数字信号以进行显示。这只是一个简单的程序，并不需太多的解释。

图3-7 电压电流检测模块

3.6.2 采样电路设计

74HC00与非门，有几个特点

一、驱动场管IRF530，由于 IO驱动功率不够，故采用74HC00作为驱动放大器。

二：关断时，IRF530的输出被切断，这是由于在 IO断开的情况下，这个特殊管脚的输出是高的，当 IO被加到74HC00的时候，它就变成了低电平，IRF530被可靠地关掉，以确保没有短路。

R1是取样电阻器，当二次绕组有负荷时，原绕组的电流会变大，因此，通过测量一次绕组的电流，就可以判定二次绕组是否有负荷。

比较电路，它包括一个运行放大器LM358，它利用取样电阻器将电流变换成电压，并与参考电压进行对比，得到目前是否有负荷。

图3-8采样电路设计原理图

3.6.3 发送电路模块设计

图3-9 发送电路设计原理图

3.6.4 接收电路模块设计

整流电路，将高频 AC电流转换成 DC电流，再用电容滤波稳压，使之变得更平稳，再由整流桥整流后的 DC电流稳压至5 V。

图3-10 接收电路模块原理图

四，代码设计与系统展示

主程序设计

#include"LCD1602.h"  //添加LCD1602头文件
//#include "eepom52.h"//
#include"adc0832.h"//添加ADC0832头文件
sbit LED = P1^3;   //蜂鸣器驱动端口==P1^2
/************************************************
** 函数名称 ： void main(void)
** 函数功能 ： 主函数
** 输    入 ： 无
** 输    出 ： 无
** 说    明 ：
************************************************/
void main(void)
{
  uint adc_val=0;
  uchar disp1[16]={"   OUT-V: . v   "};//显示数组
  uchar disp2[16]={"  OUT-A:   . ma "};//显示数组                  
  LCD_Init();//lcd初始化        
  //byte_read(0x2000);//读取报警数据
  while(1)
  {
    WriteChar(1,0,16,disp1); //在第二行显示
    WriteChar(2,0,16,disp2); //在第二行显示
    adc_val=adc0832(1)*100/256;//读取电压值
    disp1[9]=adc_val/10+0x30;
    disp1[11]=adc_val%10+0x30;
    adc_val=adc0832(0)*750/256;//读取电流值
    adc_val*=10;
    disp2[8]=adc_val/1000+0x30;
    disp2[9]=adc_val/100%10+0x30;
    disp2[10]=adc_val/10%10+0x30;
    disp2[12]=adc_val%10+0x30;
    if(adc_val>100)LED=0;
    else LED=1;
  }
}

#ifndef __LCD1602_H__
#define __LCD1602_H__
#include"delay.h"       //添加延时函数头文件
#define LCD_PINDATA P0    //数据端口定义 
sbit RS  =  P1^4;     //RS 
sbit RW  =  P1^5;     //RW 
sbit E   =  P1^6;     //E  
/************************************************
** 函数名称 ： WriteCOMDATA(uchar LCD_DATA,uchar N)
** 函数功能 ： LCD1602写指令、数据函数
** 输    入 ： LCD_DATA:指令或者数据
               N：指令方式还是数据方式 
         N=0时，LCD_DATA为指令，N=1时，LCD_DATA为数据
** 输    出 ： 无
** 说    明 ： 
************************************************/
void WriteCOMDATA(uchar LCD_DATA,uchar N)
{
  Delay(10);
  E=1;
  RW=0;
  RS=N;
  LCD_PINDATA=LCD_DATA;
  E=0;
}
/************************************************
** 函数名称 ： void LCD_init(void)
** 函数功能 ： LCD1602初始化操作
** 输    入 ： 无
** 输    出 ： 无
** 说    明 ：
************************************************/
void LCD_Init(void)
{
    WriteCOMDATA(0x01,0);
  Delay(500);
  WriteCOMDATA(0x38,0);
  Delay(10);
  WriteCOMDATA(0x06,0);
  Delay(10);
  WriteCOMDATA(0x0c,0);
  Delay(10);
}
/************************************************
** 函数名称 ：void WriteChar(uchar Row,uchar Col,uchar Num,uchar *pBuffer)
** 函数功能 ：在任意位置写指定个字符
** 输    入 ：Row : 要写的字符所在的行，只能为1或2；
              Col : 要写的字符所在的列，只能为0---15
              Num : 要写字符的个数
              pbuffer : 要写字符的首地址
** 输    出 ：无
** 说    明 ：
************************************************/
void WriteChar(uchar Row,uchar Col,uchar Num,uchar *pBuffer)
{
  uchar i;
  if(Row==1)Row=0x80+Col;
  else Row=0xC0+Col;
  WriteCOMDATA(Row,0);
  for(i=Num;i!=0;i--)
  { 
    WriteCOMDATA(*pBuffer,1); 
    pBuffer++;
  }
}
#endif

实物展示

五，项目总结

近年来，国内外有关无线充电技术的研究与探讨，包括微距、短程无线充电。收音机已经渗透到了世界的每个角落，它已经与通讯系统融为一体，从最初的收音机和电报，发展到如今科技高度发达的高科技卫星、微波通讯，已经彻底改变了人类的生活和生产。但是，无线通讯只能传递很少的讯息，而且距离愈远，装置所需的能源消耗愈大，所能接受的能量也就愈少。

本论文以单片机为核心，利用无线充电线圈的电磁感应原理，对移动电话进行充电。首先，在参考国内外有关资料的基础上，对无线充电设备的总体设计进行了研究，并对其功能进行了初步的分析，并对其进行了硬件设计。最后通过实际的焊接和试验，完成了以单片机核心的无线充电设备的系统设计。通过实际的系统试验，该设计实现了以下几个功能：

1)实现了对移动电话进行充电：利用无线充电线圈的电磁感应原理，对移动电话进行充电。

2) LCD显示屏上的数据显示：显示当前的电压、电流等。

3)实现了利用ADC0832ADC0832模拟转换器对手机充电时的充电电压和电流进行采集，由单片机进行数据处理后，将电压和电流显示在 LCD屏幕上。

虽然无线的使用效果不如有线充电，但是它的新颖和简洁，仍然引起了很多厂商的关注，公司的投入。正是这个巨大的驱使，许多学者开始研究移动电话的无线充电，推动移动电话的无线充电技术。当前发展起来的移动无线充电装置，基于电磁感应，基于发射与接收。端子总成的线圈是用来供电的。线圈大小、放置位置等都会对系统的能量传输产生影响。所以，在未来的工作中，如何提高线圈的定位精度，提高手机的弹性，都是将来要做的工作。