無(wú)線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目 錄1.引言11.1.概述11.2.研究背景11.3.研究現(xiàn)狀22.系統(tǒng)設(shè)計(jì)22.1.系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)22.2.系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)32.2.1.主控制器32.2.2.振蕩電路42.2.3.人機(jī)交互52.2.4.整機(jī)功耗檢測(cè)53.硬件設(shè)計(jì)63.1.單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.2.能量發(fā)送設(shè)計(jì)73.3.電源電流采集電路以及供電設(shè)計(jì)93.4.接收模塊設(shè)計(jì)104.軟件設(shè)計(jì)104.1.軟件設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題104.2.總體設(shè)計(jì)104.3.單元模塊設(shè)計(jì)114.3.1.LCD顯示模塊114.3.2.PCA模塊124.3.3.AD功能模塊145.系統(tǒng)調(diào)試155.1.硬件調(diào)試155.2.軟件調(diào)試155.3.系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

2、156.測(cè)試方法與數(shù)據(jù)156.1.測(cè)試儀器與設(shè)備156.2.測(cè)試方法156.3.測(cè)試數(shù)據(jù)與波形166.3.1.測(cè)試數(shù)據(jù)166.3.2.測(cè)試波形166.3.3.測(cè)試實(shí)物圖177.結(jié)束語(yǔ)19致謝20參考文獻(xiàn)20無(wú)線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用科技學(xué)院 電子信息工程專業(yè) 陳啟俊 指導(dǎo)教師：李汪彪【摘要】本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)采用STC12C5A60S2控制的無(wú)線(非接觸式)供電系統(tǒng)，系統(tǒng)包括能量發(fā)送模塊和能量接收模塊。能量發(fā)送模塊由555振蕩產(chǎn)生頻率為140KHz的交流信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)PWM占空比的控制發(fā)送至諧振電路，它能實(shí)現(xiàn)的功能是：在能量發(fā)送模塊和接收模塊之間不通過(guò)任何導(dǎo)線連接，通過(guò)感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)電能的傳輸

3、使接收模塊的LED燈發(fā)光以此來(lái)模擬供電；實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、用LCD162A顯示，具有友好的的顯示界面。在發(fā)射距離10mm的情況下，能量發(fā)送模塊的功率小于1W，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)送模塊按鍵的控制使LED亮度規(guī)則變化.【關(guān)鍵詞】STC12C5A60S2;無(wú)線;能量發(fā)送;功率顯示;PWM.1. 引言1.1. 概述無(wú)線供電，就是電源不依賴導(dǎo)線的情況下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行供電。無(wú)線供電技術(shù)是一種新型的電能傳輸技術(shù)，它擺脫了傳統(tǒng)供電方式，而采用無(wú)線的方式為用電設(shè)備提供電力。沒有了連接電源的導(dǎo)線的束縛，無(wú)線供電使得系統(tǒng)更加安全而且方便。11.2. 研究背景2010年九月一日，全球首個(gè)推動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織無(wú)線充電聯(lián)盟

4、在北京宣布將Qi無(wú)線充電國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)率先引入中國(guó)。信息產(chǎn)業(yè)部通信電磁兼容質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心也加入該組織。無(wú)線充電聯(lián)盟副主席、來(lái)自美國(guó)安利的子公司富爾頓創(chuàng)新公司董事布雷特·劉易斯介紹，聯(lián)盟成員近60家，包括勁量、LG電子、諾基亞等。安利凈水器10年前就開始采用富爾頓的無(wú)線充電技術(shù)。無(wú)線充電更方便，更安全。沒有外露的連接器，避免了漏電、跑電等安全隱患。很多人擔(dān)心的輻射問(wèn)題，在8年之前的凈水器的安全性就已經(jīng)得到了36個(gè)國(guó)家的驗(yàn)證，據(jù)介紹，無(wú)線充電大致上是通過(guò)磁場(chǎng)輸送能量，而人類以及人類身邊的絕大多數(shù)物件都是非磁性的，所以對(duì)人類不會(huì)構(gòu)成傷害。無(wú)線充電還有一個(gè)好處是省電，無(wú)線充電設(shè)備的效能接收在70

5、%左右，和有線充電設(shè)備相等，但是它具備電滿自動(dòng)關(guān)閉功能，避免了不必要的能耗。而且，這個(gè)效能接收率在不斷提高。無(wú)線充電設(shè)備比普通充電器“聰明”很多，對(duì)于不同的電子產(chǎn)品，電源接口能自動(dòng)對(duì)應(yīng)，需要充電時(shí)，發(fā)射器和接收芯片會(huì)同時(shí)自動(dòng)開始工作，充滿電時(shí)，兩方就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。它還能自動(dòng)識(shí)別不同的設(shè)備和能量需求，進(jìn)行個(gè)性化工作，這就是智能供電。現(xiàn)在，為了消費(fèi)者的安全以及他們的便利性考慮，相關(guān)科研人員先提供了近磁場(chǎng)無(wú)線充電技術(shù)（即需放在發(fā)射器旁邊），未來(lái)，不僅是小功率電器，常見的家用電器設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、電動(dòng)工具、辦公室電器、廚房電器等都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電了，一邊傳輸一邊使用電能，不需要任何類似于電池的電量存儲(chǔ)設(shè)備

6、，更不需要提前充電，到那時(shí)，電線、插線板、電池都可以消失了，你甚至感受不到電的存在，它就像空氣一樣，讓你覺得手到擒來(lái)。11.3. 研究現(xiàn)狀早在電子技術(shù)剛剛問(wèn)世不久。Nicola Tesla（尼古拉.特斯拉）就已經(jīng)進(jìn)行過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)線供電的實(shí)驗(yàn)研究。2007年6月，麻省理工學(xué)院(MIT)以Marin Soljacic為首的研究團(tuán)隊(duì)首次演示了燈泡的無(wú)線供電技術(shù)，他們從6英尺的距離成功地點(diǎn)亮了一個(gè)60W燈泡。經(jīng)過(guò)一百年的發(fā)展，無(wú)線供電已經(jīng)進(jìn)入了應(yīng)用的階段。家電和數(shù)碼生產(chǎn)企業(yè)紛紛推出自己的無(wú)線供電產(chǎn)品。2010年的CES（國(guó)際消費(fèi)電子產(chǎn)品展）上，至少有3家廠商對(duì)外展示了其專為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的無(wú)線充電底座。成

7、立于2008年12月17日的國(guó)際玩笑充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC）已制定無(wú)線供電的業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，目前正在倡導(dǎo)“Qi”標(biāo)準(zhǔn)。WPS已于2010年3月發(fā)行了無(wú)線供電傳輸標(biāo)準(zhǔn)的正式版。不久的將來(lái)，無(wú)線供電技術(shù)還將在照明、電動(dòng)車、醫(yī)療電子設(shè)備、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域大放異彩，甚至未來(lái)的電力傳輸也將是無(wú)線傳輸?shù)?。世界大公司?duì)無(wú)線供電做出的研究：u Palm公司是美國(guó)老牌智能手機(jī)廠商，它最早將無(wú)線充電應(yīng)用在手機(jī)上。它推出的充電設(shè)備“觸摸石”，就可以利用電磁感應(yīng)原理無(wú)線為手機(jī)充電。u 海爾推出的概念性“無(wú)尾電視”，不需要電源線、信號(hào)線和網(wǎng)線。海爾稱該產(chǎn)品采用了與麻省理工

8、學(xué)院合作的無(wú)線電力傳輸技術(shù)。u Powermat 推出的充電板有桌面式和便攜式等多種，主要由底座和無(wú)線接收器組成，售價(jià)在100美元左右。u 勁量（Energizer）是美國(guó)知名的電池和手電筒品牌。該公司預(yù)計(jì)將于10月正式推出一款無(wú)線充電器，售價(jià)在89美元左右。u 微軟亞洲研究院研發(fā)的一款無(wú)線充電板裝置名為uPad，已在2008年底造出樣機(jī)。u 富士通的系統(tǒng)與美國(guó)Witricity公司研發(fā)的技術(shù)類似，后者同樣利用磁共振傳輸電量，傳輸距離可達(dá)到幾米遠(yuǎn)。這項(xiàng)技術(shù)將促使日本政府在2012年之前在公共場(chǎng)所設(shè)置無(wú)線充電網(wǎng)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)無(wú)線供電研究起步相對(duì)較晚，近年來(lái)才得到了一定數(shù)量的應(yīng)用，尤其是變壓器松耦合方案

9、得到了不少的應(yīng)用，但是和國(guó)外相比還是有一段差距。12. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1. 系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)無(wú)線供電系統(tǒng)（用LED來(lái)模擬接收電路），該系統(tǒng)包括能量發(fā)送模塊和LED照明模塊。LED照明模塊包括一個(gè)能量接收單元和五個(gè)LED燈，LED照明模塊不外加任何電源，供電只來(lái)自能量發(fā)送模塊，兩個(gè)模塊之間沒有任何導(dǎo)線連接，電能的傳輸通過(guò)感應(yīng)線圈由能量發(fā)送模塊以無(wú)線方式傳輸給LED照明模塊，線圈間的介質(zhì)為空氣。其中，能量發(fā)送單元采用12V的直流電供電。u 實(shí)行電能的無(wú)線傳輸，通過(guò)無(wú)線供電方式使LED照明模塊發(fā)光（每個(gè)LED的平均電流大于5mA）；u 在LED照明模塊實(shí)現(xiàn)正常亮度時(shí)（5個(gè)LED，每個(gè)LED的

10、平均電流為10mA），發(fā)射距離10mm的情況下，能量發(fā)射模塊的功率小于5W（DC12V供電）；u 能控制LED的亮度：保持線圈距離不變，從暗變亮，從亮變暗，亮度變化至少有四級(jí)（不能用電位器手動(dòng)調(diào)節(jié)電源的方式），可以在能量發(fā)射模塊端用按鍵調(diào)節(jié)；u 能量發(fā)射模塊能實(shí)時(shí)顯示發(fā)射機(jī)功耗，誤差不超過(guò)±5%。2.2. 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì) 圖2-1 系統(tǒng)總體框圖2.2.1. 主控制器采用宏晶STC公司的STC12系列中的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器。該芯片是一款1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期8051、超強(qiáng)加密、高速，高可靠、低功耗，超低價(jià)、強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗干擾的微處理器，功能模塊多含AD及PWM

11、功能，能更好的人機(jī)交互以及控制。該微處理器可設(shè)置為在空閑時(shí)進(jìn)入休眠模式，使得系統(tǒng)的功耗更低。STC12C5A60S2與本系統(tǒng)相關(guān)簡(jiǎn)介：圖2-2 STC12C5A60S2實(shí)物圖STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)。 u 增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051u 片上集成1280字節(jié)RAM，60K的FLASH。u 通用I/O口44個(gè),

12、可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏 ，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA。u ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），可通過(guò)串口（P3.0/P3.1）直接可下載用戶程序。u 共4個(gè)16位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，有獨(dú)立波特率發(fā)生器，做串行通訊的波特率發(fā)生器 ，再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器。u 2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘。u 外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， Pow

13、er Down模式可由外部中斷喚醒INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, CCP0/P1.3(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3)。u PWM(2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）可用來(lái)當(dāng)2路D/A使用 ，也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器，也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷。u A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬(wàn)次)。u 通用全雙工異步串行口(UART)，還可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口。u STC12C5A60S2系列有雙串口，RxD2/P1.2

14、(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3)u 封裝：PDIP-40 I/O口不夠時(shí)，可用2到3根普通I/O口線外接 74HC164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來(lái)擴(kuò)展I/O口, 還可用A/D做按鍵掃描來(lái)節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。22.2.2. 振蕩電路采用NE555時(shí)基集成電路構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生150KHZ左右的載波完成調(diào)制發(fā)射，電路簡(jiǎn)單，器件購(gòu)買方便。NE555與本系統(tǒng)相關(guān)簡(jiǎn)介：圖2-3 555實(shí)物圖NE555 (Timer IC)大約在1971由Signetics Corporation發(fā)布，在當(dāng)時(shí)是唯一非常快速且商業(yè)化的Tim

15、er IC，在往后的30非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電。 NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波信號(hào)。NE555的特點(diǎn)：u 只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。u 其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。u 它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。 12.2.3. 人機(jī)交互采用LCD1

16、602顯示,低功耗,可顯示16x2字符,使用比較方便。1602液晶簡(jiǎn)介：圖2-4 LCD1602實(shí)物圖工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16列2行）1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。12.2.4. 整機(jī)功耗檢測(cè)采用ZXCT1010來(lái)測(cè)量電流以用來(lái)測(cè)量功耗。以下是ZXCT1010簡(jiǎn)介：圖2-5

17、ZXCT1010標(biāo)注圖該 ZXCT1010 是一種精度高側(cè)電流檢測(cè)監(jiān)控。使用這種類型的設(shè)備，無(wú)需破壞地平面時(shí)，感應(yīng)負(fù)載電流。該 ZXCT1010 其中提供了一個(gè)最小的感應(yīng)電壓是需要申請(qǐng)的100個(gè)固定增益。該ZXCT1010應(yīng)用于電池充電器、支援編輯電池組、直流電動(dòng)機(jī)控制、過(guò)電流監(jiān)視器、電源管理、翻譯水平、可編程電流源，ZXCT1010的功能有：動(dòng)作精準(zhǔn)，高邊電流檢測(cè)、輸出電壓調(diào)整、為2.5V - 響20V的供應(yīng)、25A的靜態(tài)電流、1的典型精度、采用SOT23 - 5封裝。43. 硬件設(shè)計(jì)3.1. 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下圖3-1所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)采用LCD顯示、ADKEY。

18、有做普通按鍵和LCD串并口選擇，有做PWM占空比調(diào)節(jié)或者DA調(diào)節(jié)以及IO口排針的預(yù)留，數(shù)據(jù)口如P9所示，因?yàn)镾TC可ISP下載。再外加一個(gè)RS232轉(zhuǎn)換電路既可完成程序燒寫。40腳為VCC腳，加去耦電容以抗干擾。其他電路與普通51單片機(jī)接法無(wú)異。圖3-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖3.2. 能量發(fā)送設(shè)計(jì)能量發(fā)送模塊通過(guò)耦合線圈發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，不論以什么方式只要能使穿過(guò)閉合回路的磁通量發(fā)生變化，此閉合回路內(nèi)就一定會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)。為了提高射頻信號(hào)識(shí)別和接收的效率，LC諧振回路應(yīng)工作在諧振時(shí)，其諧振頻率為 ，L1的取值（用直徑不大于1mm的漆包線或有絕緣外皮的導(dǎo)線密繞10圈制成。線圈直徑為6.

19、6±0.5 cm），通過(guò)電橋測(cè)量其電感量為13uH，考慮到市場(chǎng)上可供購(gòu)買的高頻電容容量值，故C1取值為0.1uF，所以有： (3-1)即電路諧振頻率為140KHz。圖3-2 555振蕩電路如圖3-2電路所示，其可產(chǎn)生最大頻率為500khz，因此本電路諧振頻率設(shè)置為140KHz，555振蕩頻率公式： (3-2)C=C13=0.001uF、R13=2K,則R15=4K左右，可用可調(diào)電阻R15進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)行調(diào)節(jié)后可通過(guò)示波器測(cè)試將R15調(diào)節(jié)得到系統(tǒng)所需要的140KHZ的頻率。圖3-3 能量發(fā)送模塊原理圖如圖3-3所示能量發(fā)送模塊有做利用555時(shí)基振蕩器產(chǎn)生振蕩頻率或者由單片機(jī)直接產(chǎn)生振蕩頻

20、率的選擇P10口,通過(guò)P10的2腳輸出振蕩波形與74HC00與非門的45腳相連進(jìn)行緩沖輸出6腳再經(jīng)第二級(jí)與非門的2腳輸入與單片機(jī)PWM輸出口1構(gòu)成與非門，從74HC00的第三腳輸出信號(hào)。再經(jīng)過(guò)R16可調(diào)電阻以及Q1 B772以及并聯(lián)諧振電路構(gòu)成丙類（諧振式）放大器。當(dāng)功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵(lì)信號(hào)頻率相同時(shí),功率放大器發(fā)生諧振,此時(shí)現(xiàn)圈的電壓和電流達(dá)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)射線圈靠近時(shí)，在接受線圈中產(chǎn)生感生電壓，當(dāng)接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時(shí)產(chǎn)生諧振，電壓達(dá)最大值。構(gòu)成了如圖圖3-3的諧振回路。實(shí)際上，發(fā)射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態(tài)時(shí)，具有

21、最好的能量傳輸效果。注：這個(gè)電路設(shè)計(jì)有預(yù)留2種方案選擇：a) 單片機(jī)直接發(fā)送頻率，既P10的1、2口由跳線帽短接，P7口開路，P8口1、2跳線帽短接接入PWM進(jìn)行占空比的調(diào)節(jié)從而達(dá)到調(diào)節(jié)亮度，P8口的2、3短接還可以接入DA控制。b) 555 時(shí)基振蕩器產(chǎn)生振蕩頻率，既P10的2、3口由跳線帽短接，P7口短路，既接入555。P8口1、2跳線帽短接接入PWM進(jìn)行占空比的調(diào)節(jié)從而達(dá)到調(diào)節(jié)亮度，P8口的2、3短接還可以接入DA控制。通過(guò)555或者單片機(jī)產(chǎn)生頻率為140KHZ的方波經(jīng)與非門與單片機(jī)的PWM占空比進(jìn)行能量的控制以達(dá)到控制接收電路LED燈的亮度。3.3. 電源電流采集電路以及供電設(shè)計(jì)圖3-

22、4 電源模塊原理圖如圖3-4所示 J1接入12V直流電壓.經(jīng)過(guò)ZXCT1010(電流檢測(cè)器)測(cè)出整機(jī)電流通過(guò)ZXCT1010算法得出整機(jī)功耗,再經(jīng)過(guò)LDO（7805）給單片機(jī)供電.ZXCT1010算法：Rout1 100歐，Rsense1=0.1歐。由則 Vout =Vsense Vsense = Vsense+ - Vsense-= Vin - Vload= Iload x RsenseVload=Vin-Vsense所以負(fù)載功率 如果是5V輸入 P=(（5-Vsense）/0.1)*5*1000 mW.3.4. 接收模塊設(shè)計(jì)圖3- 5 接收模塊原理圖如圖3-5所示，當(dāng)進(jìn)入耦合線圈工作區(qū)域時(shí)

23、，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,其耦合線圈的磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電流，從而在接收模塊無(wú)外接電源的情況下，耦合線圈得到的電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為交流電源，再經(jīng)過(guò)D1、C1及LDO（78L05）等組成的整流穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)化為直流電源，為L(zhǎng)ED供電。此處有接限流電阻以免電流過(guò)大導(dǎo)致LED燈燒毀。在后續(xù)調(diào)試階段可進(jìn)行相應(yīng)的修改。4. 軟件設(shè)計(jì)4.1. 軟件設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題本系統(tǒng)控制軟件主要由AD模塊，LCD顯示模塊以及PCA模塊構(gòu)成。主要實(shí)現(xiàn)功能如下：（1）LCD顯示模塊需顯示整機(jī)功耗、供電等級(jí)、PWM占空比等（2）AD采集模塊借助ZXCT1010芯片測(cè)量到的電流值通過(guò)單片機(jī)自帶AD送回單片機(jī)。以及用A

24、DKEY按鍵掃描來(lái)控制PWM的占空比以改變供電等級(jí)（3）PCA模塊利用單片機(jī)自帶的PCA0模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)8位PWM,改變占空比來(lái)改變供電等級(jí),利用PCA1模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩頻率140KHZ的發(fā)生。4.2. 總體設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需要解決問(wèn)題,繪制總體設(shè)計(jì)流程圖如圖4-1所示:圖4-1 主程序流程圖4.3. 單元模塊設(shè)計(jì)4.3.1. LCD顯示模塊圖4-2 LCD顯示的流程圖以及時(shí)序圖如圖4-2所示,編寫LCD.C 、LCD.H 供主程序調(diào)用的配置函數(shù)如下/*/*-/*函數(shù)名 ： LCD_Init(); /*功能描述: 液晶初始化/*函數(shù)說(shuō)明：控制命令的寫入設(shè)置液晶為16X2顯示,開顯示,不顯示光標(biāo),寫一個(gè)字

25、符后數(shù)據(jù)指針自動(dòng)加1,顯示清0,數(shù)據(jù)指針清0。 /*創(chuàng)建人: 陳啟俊（Vicky） 創(chuàng)建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void LCD_Init();/*/*-/*函數(shù)名 ： LCD_DisChar(uchar x,uchar y,uchar c) /*功能描述: 在任意位置顯示一個(gè)字符/*函數(shù)說(shuō)明：X表示行，Y表示列，c表示一個(gè)字符 /*創(chuàng)建人: 陳啟?。╒icky） 創(chuàng)建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void LCD_DisChar(uchar x,uchar y,uchar c);/*/*-/*函數(shù)名 ： LCD_DisString(u

26、char x,uchar y,const uchar *str);/*功能描述: 在任意位置顯示一段字符串/*函數(shù)說(shuō)明：X表示行，Y表示列，*str表示一段字符串 /*創(chuàng)建人: 陳啟?。╒icky） 創(chuàng)建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void LCD_DisString(uchar x,uchar y,const uchar *str);4.3.2. PCA模塊脈寬編碼調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）是一種使用程序來(lái)控制波形占空比、周期、相位波形的技術(shù)，在三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)、D/A轉(zhuǎn)換等場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用。STC12C5A60S2系列單片機(jī)的PCA

27、模塊可以通過(guò)程序設(shè)定當(dāng)寄存器CL的值小于EPCnL,CCAPnL時(shí)，輸出為低；，使其工作于8位PWM模式。PWM模式的結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。2圖4-3 PCA作PWM操作圖由于所有模塊共用僅有的PCA定時(shí)器，所有他們的輸出頻率相同。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器EPCnL,CCAPnL有關(guān)。當(dāng)寄存器CL的值小于EPCnL,CCAPnL時(shí)，輸出為低；當(dāng)寄存器CL的值等于或大于EPCnL,CCAPnL時(shí)，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時(shí)， EPCnH,CCAPnH的內(nèi)容裝載到EPCnL,CCAPnL中。這樣就可實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾地更新PWM。由于PWM是8位的，所以：PWM的頻

28、率=PCA時(shí)鐘輸入源頻率/256。根據(jù)以上這些DATASHEET內(nèi)容編寫PCA.C,PCA.H供主函數(shù)調(diào)用的配置函數(shù)如下:/*/*-/*函數(shù)名 ： PCA_Init /*功能描述: PCA初始化/*函數(shù)說(shuō)明：module 模塊選擇；PCA_CCAPMn模式選擇 PCA_CCAPnHPCA_CCAPnL 頻率設(shè)定 PCACLK 時(shí)鐘選擇如PCA_Init(1, PWM, 0xFF, 0xFF, CLK0); 第2路PCA的PWM模式，PCA時(shí)鐘源Fosc/12 /*創(chuàng)建人: 陳啟?。╒icky） 創(chuàng)建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void PCA_Init(bit mo

29、dule, uchar PCA_CCAPMn, uchar PCA_CCAPnH, uchar PCA_CCAPnL, uchar PCACLK);/* * 函 數(shù) 名：Set_PWM_Fre * 調(diào) 用：Set_PWM_Fre(523); * 設(shè)置PWM頻率為523Hz * 功能描述：定時(shí)器0作為PCA時(shí)鐘源時(shí)，PWM可設(shè)置184Hz46KHz */extern void Set_PWM_Fre(uint fre);/* * 函 數(shù) 名：Set_PWM0 * 調(diào) 用：Set_PWM0(40); * 占空比40% * 功能描述：設(shè)置PWM0占空比 */extern void Set_PWM0(

30、uchar duty);4.3.3. AD功能模塊STC12C5A60AD/S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到250KHz(25萬(wàn)次/秒)。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。STC12C5A60S2系列單片機(jī)ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)的結(jié)構(gòu)如下圖4-4所示。2圖4-4 AD模塊操作圖/*/*-/*函數(shù)名 ： AD_Init() /*功能描述: AD模塊初始化/*函數(shù)說(shuō)

31、明：選通AD通道，開啟AD /*創(chuàng)建人: 陳啟?。╒icky） 創(chuàng)建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void AD_Init();/*/*-/*函數(shù)名 ： ADC_Isr() /*功能描述: AD模塊中斷方式/*函數(shù)說(shuō)明：中斷方式獲得AD結(jié)果 /*創(chuàng)建人: 陳啟?。╒icky） 創(chuàng)建日期: 2011年4月13日/*- /*/extern void ADC_Isr();5. 系統(tǒng)調(diào)試5.1. 硬件調(diào)試u 通過(guò)對(duì)LCD顯示方面的單獨(dú)測(cè)試P0.3口與VCC短路，導(dǎo)致 LCD無(wú)法正常顯示。刮掉相互之間的短路，LCD正常顯示。u 通過(guò)對(duì)555振蕩電路的單獨(dú)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)74HC00不

32、能工作在12V的條件下，不能進(jìn)行與非門運(yùn)算，以至于輸出不了振蕩波形。將整個(gè)電路換成5V供電，故障解除，線圈耦合得電，LED開始顯示。u 經(jīng)過(guò)聯(lián)調(diào)后，發(fā)現(xiàn)三極管B772的集電極和發(fā)射極短路.導(dǎo)致B772燒毀. 后換個(gè)S8550使用.故障排除.u ADKEY 因其引腳未接好。導(dǎo)致無(wú)法使用。5.2. 軟件調(diào)試u 已實(shí)現(xiàn)液晶顯示，u 已實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)亮度。u AD功能單獨(dú)測(cè)試可用.5.3. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)最后經(jīng)軟硬件整體調(diào)試，修改電路如下u 因74HC00的工作電壓范圍在6V以下，所以系統(tǒng)電源采用5V供電。u ADKEY 因單片機(jī)的P1.0引腳未與電路板完全接觸.導(dǎo)致無(wú)法使用.有預(yù)留普通I/O口

33、預(yù)留作為控制u AD與PWM同占P1口.導(dǎo)致AD測(cè)試不準(zhǔn)確.故放棄之.6. 測(cè)試方法與數(shù)據(jù)6.1. 測(cè)試儀器與設(shè)備u 雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器:Tektronix TDS3012；u 數(shù)字萬(wàn)用表:VICTOR VC8900C+；u 直流穩(wěn)壓電源:ATTEN TPR30057-3C；u 數(shù)字游標(biāo)卡尺:YOUFONUD stainless hardened。6.2. 測(cè)試方法（1）將數(shù)字游標(biāo)卡尺放于桌面上，固定能量發(fā)送模塊不動(dòng)，移動(dòng)能量接收模塊，逐漸拉大兩個(gè)模塊之間的距離，并測(cè)試距離。（2）實(shí)行電能的無(wú)線傳輸，通過(guò)無(wú)線供電方式使接收模塊的LED發(fā)光（每個(gè)LED的平均電流大于5mA）；在LED照明模塊實(shí)

34、現(xiàn)正常亮度時(shí)（5個(gè)LED，每個(gè)LED的平均電流為10mA），發(fā)射距離10mm的情況下，能量發(fā)射模塊的功率小于5W。（3）能控制LED的亮度：保持線圈距離不變，從暗變亮，從亮變暗，亮度變化至少有四級(jí)（不能用電位器手動(dòng)調(diào)節(jié)電源的方式），在能量發(fā)射模塊端用按鍵調(diào)節(jié)控制。6.3. 測(cè)試數(shù)據(jù)與波形6.3.1. 測(cè)試數(shù)據(jù)a) 整機(jī)功耗測(cè)試：整機(jī)功耗的測(cè)試數(shù)據(jù)如表6-1所示：表6-1 不同供電距離下的整機(jī)功耗表供電電壓(V)電流Is(A)整機(jī)功率(W)供電距離(mm)50.2101.0510.0050.2001.0022.6150.1300.6533.1050.1100.5551.73b) 供電距離測(cè)試：測(cè)

35、試方法：通過(guò)5個(gè)LED總電流測(cè)試口測(cè)試電流值，如果大于10mA，則緩緩拉開兩個(gè)線圈的距離直到電流值為10mA，測(cè)出兩個(gè)互感線圈的中心距離，此距離為供電系統(tǒng)供電的最遠(yuǎn)距離。經(jīng)測(cè)試供電系統(tǒng)供電的最遠(yuǎn)距離：L=51.73mm。u 紅燈點(diǎn)亮的最遠(yuǎn)距離:L=51.73mm。u 綠燈點(diǎn)亮的最遠(yuǎn)距離:L=43.12mm。u 藍(lán)燈點(diǎn)亮的最遠(yuǎn)距離:L=33.10mm。u 白燈點(diǎn)亮的最遠(yuǎn)距離:L=33.10mm。6.3.2. 測(cè)試波形圖6-1 555振蕩波形圖6-2 經(jīng)74HC00整形后的輸出波形圖6-3 單片機(jī)輸出1KHZ不同占空比的PWM波形圖6.3.3. 測(cè)試實(shí)物圖圖6-4 整機(jī)初始圖 圖6-5 液晶顯示圖

36、圖6-6 接收電路LED發(fā)光圖圖6-7 四種供電模式下的實(shí)物圖7. 結(jié)束語(yǔ)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試和測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量的無(wú)線傳輸，并且利用軟件控制能量發(fā)射功率，并且實(shí)現(xiàn)2cm供電時(shí)整機(jī)功耗不高于1w。與預(yù)期目標(biāo)存在的差距：電流不夠大，功耗不能實(shí)時(shí)顯示。致謝首先，衷心地感謝我的校內(nèi)導(dǎo)師李汪彪老師，在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，指導(dǎo)我訂立各個(gè)階段設(shè)計(jì)工作目標(biāo)，督促我畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)度，使我能及時(shí)獲得畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，李汪彪老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠有條不紊保質(zhì)保量的完成，在此謹(jǐn)向李汪彪老師致以我的最衷心的感謝！同時(shí)，我還要感謝我的校外導(dǎo)師劉偉城硬件部經(jīng)理給我提供這么難得的校外畢業(yè)設(shè)計(jì)的平臺(tái)，使我

37、從課本、實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)模式走出來(lái)，走入科研實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)中所得使我不僅將大學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)用起來(lái)，同時(shí)為我順利走上工作崗位過(guò)渡。參考文獻(xiàn)1 百度網(wǎng)訊科技有限公司.EB/OL. . 2 宏晶科技.EB/OL. .3 長(zhǎng)沙太陽(yáng)人有限公司.EB/OL .http:/.4 英國(guó)ZETEX公司.EB/OL .5 keil Elektronik GmbH 和Keil Software公司.uVision2入門教程M.2004.7.6 Keil Elektonik GmbH和Keil Software公司.Keil SoftwareCX51編譯器用戶手冊(cè)M.2006.4.7 莫力Protel電路設(shè)計(jì)M.國(guó)防工業(yè)出版社，2005.5.8 林春方.高頻電