1、2014年重慶市TI杯電子設計大賽設計報告【本科組】無線電能傳輸裝置設計報告2014年8月15日目錄摘要31、設計任務與要求41.1設計任務（見附錄1）41.2設計要求（見附錄2）41.3 題目分析42、方案比較與論證42.1 單元電路方案比較與選擇42.1.1前端電路方案選擇42.1.2后端電路方案選擇52.2整體方案論證53、硬件電路設計53.1系統(tǒng)的總體設計53.1.1設計思想53.1.2設計步驟63.2理論分析與單元電路參數(shù)計算63.2.1理論分析63.2.2電路參數(shù)計算63.整體電路原理圖（見附錄3）73. 整體模塊PCB板74、軟件系統(tǒng)設計74.1單片機選擇74.2程序總體流程圖8

2、4.3測距模塊流程圖944程序清單（見附錄4）95、系統(tǒng)調試95.1電路部分的測試方法95.2測試儀器95.3測試結果（基本要求測試）106、系統(tǒng)電路存在的不足107、附錄：11附錄1：設計任務11附錄2：設計要求11附錄3：整體電路原理圖12附錄4：PCB板13附錄5：程序清單13F題 無線電能傳輸裝置摘要本設計包括發(fā)射端電路設計，接收端電路設計，和線圈選擇三個部分。發(fā)射電路采用自激震蕩電路將15V直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流電。接收端部分采用整流和濾波模塊將感應交流電處理后輸出為直流電壓。線圈選用熱損耗小的銅質線圈。本設計能達到指標為：(輸入電壓15V時)輸出電壓8V，LED燈在兩線圈距離75c

3、m時可點亮，傳輸效率為43.3%。關鍵詞：無線電能傳輸逆變電路整流電路AbstractThis design includedtransmitting module design, receiving module design, and coil selection. The transmitting module employed a self-excited oscillation circuit to convert direct current (15V) into high frequency alternating current (AC). The receiving modu

4、le employed a certificatingcircuit and a filtering circuit to convert AC into DC output. The coil with small thermal energy loss was selected. The designed circuit can achieve:output voltage 8V (input voltage 15V), LED was lightened up when the coils were 75cm apart, and the transmitting efficiency

5、was 43.3%. Key words: wireless transmission of electricity power, self-excited oscillation circuit, certificating circuit1、設計任務與要求1.1設計任務（見附錄1）1.2設計要求（見附錄2）1.3 題目分析無線電能傳輸裝置指的是電能從電源到負載的一種沒有經過電氣直接接觸的能量傳輸方式，目前常用的方法為磁場耦合式無線電能傳輸。根據(jù)題目要求可知輸入電壓為15V直流電壓，輸出為8V直流電壓，所以設計重點為將直流逆變?yōu)榻涣鞯尿寗与娐泛蛯⒔涣髡鳛橹绷鞯恼麟娐?。由于無線電能傳輸所需

6、的正弦波頻率在兆赫茲級，所以需要頻率產生芯片。調試時主要是通過調整線圈的匝數(shù)調節(jié)傳輸效率。2、方案比較與論證2.1 單元電路方案比較與選擇2.1.1前端電路方案選擇題目要求輸入為15V直流電壓,磁耦合諧振需要給線圈輸入高頻交流電,驅動電路就是將15V直流電壓轉換為高頻交流電。方案一：高頻逆變電路，使用IR2110驅動逆變電路。IR2110為美國IR公司生產的中小頻率變換裝置中常用的驅動裝置，內部集成邏輯輸入，電平平移及輸出保護等電路。使用時外圍電路簡單，對硬件要求低，但是在逆變過程中需要對其電容進行匹配。由于電容型號有限很難匹配出合適的電容值。方案二：高頻震蕩。高頻振蕩產生的頻率遠遠高于三極管

7、的頻率，而且高頻振蕩產生的頻率范圍廣，滿足無線電能傳輸所需的頻率。另外，高頻自激震蕩電路簡單，容易進行電路檢測。方案選擇：根據(jù)電路的簡單化和可實現(xiàn)性，第二種方案電路更加簡單。而且第一種方案對驅動芯片的頻率要求較高，而IR2110驅動芯片的頻率無法達到無線電能傳輸?shù)囊?，第二種方案通過電路的自激震蕩就可以產生較高的頻率足以滿足無線傳輸?shù)囊?。考慮以上幾個因素，選擇方案二。2.1.2后端電路方案選擇經過線圈感應后產生交流電，但題目要求輸出直流電流，因此需要對產生的交流電進行整流處理從而使交流變成直流。方案一：只加濾波電路。濾波電路只能濾去一定頻率的波形，但是最終的不到直流電流。方案二：加整流電路和

8、濾波電路，先經過整流電路將正弦波整流為半波，再將半波經過濾波得到穩(wěn)定于某個值的電流,方案選擇：濾波電路無法滿足要求,只進行濾波得不到要求的電流。因此采用方案二。2.2整體方案論證圖1系統(tǒng)框架圖此次設計中前端發(fā)射裝置的驅動電路為自激震蕩電路，自激震蕩電路之前加上繼電器對電路進行低電壓保護。自激震蕩電路可以產生頻率大約為1MHZ的正弦波，通過線圈磁耦合，在接收裝置部分通過整流電路將正弦波變?yōu)橹挥猩习胫芷诘牟ㄐ?。再經過濾波電路將半波正弦波穩(wěn)定在8V電壓以上，從而滿足題目要求，使輸出電壓大于8V。3、硬件電路設計3.1系統(tǒng)的總體設計3.1.1設計思想1、盡量采用簡潔可靠的軟硬件環(huán)境，充分利用現(xiàn)有資源；

9、2、系統(tǒng)硬件模塊化，便于電路測試和電路檢查；3、充分發(fā)揮想象力，盡可能發(fā)揮自由設計模塊。3.1.2設計步驟1、設計輸出部分電路，電路的功能為將15V直流電壓轉換為接近1MHZ的交流電，并給輸出線圈供電；2、設計接收電路，接收電路將接收的交流電變?yōu)橹绷麟姽┙o負載和燈泡；3、解決線圈與電容的匹配問題，為了達到磁耦合需要兩個線圈和各自的電容達到諧振，4、對總體電路進行調試并進行測量。3.2理論分析與單元電路參數(shù)計算3.2.1理論分析磁耦合諧振式無線電能傳輸是目前最常用的無線傳輸方式，其原理就是利用電磁效應進行無線電能傳輸，在發(fā)射端交流電使線圈產生變化的磁場，變化的磁場使接收端的線圈產生變化的電流即交

10、流電，從而達到無線電能傳輸?shù)哪康摹?.2.2電路參數(shù)計算前端電路分為繼電器低電壓保護模塊和自激震蕩模塊，繼電器選用驅動電壓12V，當輸入為15V時繼電器常開閉合前端電路正常工作，前端電路重點是自激震蕩電路，自激震蕩電路產生高頻正弦電流并驅動MOS管在供給線圈電流。前端電路的重點是自激震蕩電路，自激震蕩電路通過仿真可以實現(xiàn)功能，就根據(jù)仿真圖進行參數(shù)的確定。圖2自激震蕩仿真圖自激震蕩可以正常工作之后就是線圈與電容的匹配問題，根據(jù)：F=12LC（1）當線圈確定時，使用電感測量儀測量其電感值，根據(jù)上面的公式計算電容值從而使前后的線圈各自達到諧振。兩個線圈感應時：根據(jù)網(wǎng)孔法可列方程Us0=R1+jwL1

11、-jwM-jwMR2+jwL2+RL1+jwC2RLI1I2（2）傳輸效率影響因素： K2Q1Q2=M2w2R1R2（3）根據(jù)上面的公式可以通過調節(jié)元器件提高效率，并且進行相關計算。后端電路需要對線圈感應產生的交流電進行整流，電路模塊為整流電路和濾波電路。整流電路由四個二極管構成，對線圈感應產生的正弦波進行整流。濾波電路對整流電路輸出電流進一步穩(wěn)定，使后端電路輸出電壓大于8V。整流電路使用四個IN4007二極管，其后端由電容濾波。電流中的高頻部分流經電容接地，達到削弱高頻電流的目的。3.整體電路原理圖（見附錄3）3. 整體模塊PCB板4、軟件系統(tǒng)設計4.1單片機選擇MSP430系列具有眾多不同

12、型號的單片機,本次設計所需的單片機內部需要集成ADC采樣模塊、計時器、串口通信、flash存儲等模塊，而且還要有足夠的I/O口用于輸出SPWM波形以及連接矩陣鍵盤和LCD 12864。再從編程簡單，易操作的角度進行篩選，最終我們選擇F149型號的單片機。F149單片機的特點：l 內部集成12位ADC；l 內部具有參考電壓源；l 具有采樣、保持、自動掃描等功能；l 內部集成的2個16位計時器，具有捕獲、門限功能；l 內部集成有比較電路；l 具有安全熔絲可編程代碼保護功能；l 內部存儲器為60KB+256B閃速存儲器和2KB的RAM；l 它的外設具有獨立的振蕩器和分頻器，最大頻率為8MHZ；l 共

13、有48個I/O口，可以與多個外部設備同時接通，具有可編程的USART串行接口。這些特點足以滿足本次設計所需。圖3 單片機及外設原理圖4.2程序總體流程圖圖4 系統(tǒng)框圖4.3測距模塊流程圖圖5 聲波測距模塊流程框圖44程序清單（見附錄4）5、系統(tǒng)調試5.1電路部分的測試方法1、在接收端后面接上功率負載，調節(jié)功率電阻阻值測量發(fā)射端和接收端電壓值和電流值從而計算效率；2、調節(jié)最遠距離使燈泡發(fā)光。5.2測試儀器1、3A30V直流學生電源2、雙蹤數(shù)字示波器3、函數(shù)信號發(fā)生器5.3測試結果（基本要求測試）發(fā)射端接收端效率V(v)I(i)V(v)I(i)34.68%151.5528.590.28235.76

14、%151.628.610.337.60%151.6928.280.33738.48%151.7328.290.35341.48%151.8727.770.41941.48%燈泡發(fā)光：6、系統(tǒng)電路存在的不足1、自激振蕩電路部分有時會不穩(wěn)定，尤其是當線圈與電容不匹配時會發(fā)生短路，但是在當初電路設計沒有考慮到這一點，所以到后期開始測試階段電路經常出現(xiàn)問題；2、線圈與電容的匹配問題，磁耦合諧振無線電能傳輸基于發(fā)射和接收端電感和電容諧振，從而實現(xiàn)無線電能傳輸，但是在匹配時需要計算好數(shù)據(jù)，當電容數(shù)據(jù)不能滿足要求時電路不能正常工作。7、附錄：附錄1：設計任務設計并制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結構

15、框圖如圖1所示。圖6 電能無線傳輸裝置結構框圖附錄2：設計要求（1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V時，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U28 V，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率。（45分）（2）輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不大于1A，接收端負載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1W）。在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。（45分）（3）其他自主發(fā)揮（10分）（4）設計報告（20分）項目主要內容分數(shù)系統(tǒng)方案系統(tǒng)結構、方案比較與選擇4理論分析與計算無線傳輸系統(tǒng)工作原理分析及計算6電路設計相關電路設計5測試測試結

16、果及分析3設計報告結構及規(guī)范性摘要，正文結構，公式與圖表的規(guī)范性2總分20附錄3：整體電路原理圖圖7發(fā)射模塊電路圖圖8接收模塊電路圖附錄4：PCB板圖9 接收模塊PCB板圖10 發(fā)射模塊PCB板附錄5：程序清單#include#includelcd.h#define CPU_F (double)8000000)#define delay_us(x) _delay_cycles(long)(CPU_F*(double)x/1000000.0)#define delay_ms(x) _delay_cycles(long)(CPU_F*(double)x/1000.0)extern void Ini

17、t_Keypad(void);extern unsigned char flag;unsigned char juli;unsigned char cl;long bz1,bz2=0; /* * 系統(tǒng)時鐘初始化 * 系統(tǒng)主時鐘選擇高速晶振aclk=32768k,mclk=XT2,SMCLK = XT2。 */void Clk_Init(void) unsigned int i; DCOCTL=DCO0+DCO1+DCO2; / Max DCO數(shù)字晶振最高頻率 BCSCTL1=RSEL0+RSEL1+RSEL2; / XT2on, max RSEL選擇高速晶振最高頻率 BCSCTL2|=SELM

18、_2+SELS; /MCLK=8M,SMCLK = XT2,系統(tǒng)主時鐘選擇高速晶振 do /清除振蕩器失效標志，等振蕩器穩(wěn)定。 IFG1&=OFIFG; for(i=0XFF;i0;i-); while(IFG1&OFIFG)!=0);/* * MSP430內部看門狗初始化*/void WDT_Init(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / Stop WDT/* 初始化IO口子程序* P1.07P1.0用于測距 P2.07key按鍵端口控制 顯示流程 P3.07P3.4用于測距 P4.07LCD數(shù)據(jù)口（記得用杜邦線插） P5.34567LCD控制口 P5.012

19、P6.012AD模擬電壓輸入端 P6.3P6.7*/void Port_Init(void) /測距模塊 P2DIR&=BIT0; P2IE=0x01; P2IES=0X00; P2IFG&=BIT0; P3DIR=0X30; P3OUT=0X00; /k e y P1DIR = 0x0f; /P2.0P2.3設置為輸出狀態(tài),P2.4P2.7輸入 狀態(tài)(外接上拉電阻) P1OUT = 0; P1IES = 0xf0; /P2.4P2.7下降沿觸發(fā)中斷 P1IE = 0xf0; /P2.4P2.7允許中斷 P1IFG = 0; /中斷標志清0 /L C D P4SEL = 0x00;/普通io口使用 P4DIR = 0xFF;/芯片輸出數(shù)據(jù)給lcd P5SEL = 0x00;/普通io口使用 P5DIR|= BI