智能無線充電系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)智能無線充電系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)DesignandImplementationofIntelligentWirelessChargingSystem緒論(1)研究背景如今，電子產(chǎn)品的使用面越來越廣泛，手機設(shè)備的使用早已變成了當今人們生活中密不可分的重要工具。在進行手機設(shè)備使用過程中，需要有其配套的充電器與線，但在使用過程中，有時并不太方便，而且還可能出現(xiàn)一定的危險。因此需要充電技術(shù)得到更加智能的發(fā)展，無線便是很好的方向，可以解決充電器不能夠通用的問題[1]。在通信系統(tǒng)的建設(shè)上，無線充電技術(shù)是十分重要的。比如,在無線電廣播的過程中就使用到了無線技術(shù)。無線電技術(shù)可以作為一種能量,也可以作為一種信息數(shù)據(jù),能夠有承載信息的功能,還能傳送那些功率大的能量。想要實現(xiàn)無線充電的功能，就必須在進行無線充電技術(shù)研發(fā)的過程中,使用無線電技術(shù)對電力能源進行傳送[2]。(2)無線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀關(guān)于無線充電技術(shù)的研究，從很早之前就有展開，在充電技術(shù)上也有所不同，研究出了幾種不同的充電方式。目前，主要技術(shù)是電磁感應，磁共振，無線電波和電場耦合。這幾種方式的應用場景也是遠近不同[3]。=1\*GB3①電磁感應式：使用電磁感應原理，如果兩個線圈緊密接觸，則能量會通過初級線圈無線傳輸?shù)酱渭壘€圈，否則效率會非常低。它已在低功率電子產(chǎn)品中實現(xiàn)商業(yè)化和工業(yè)化。然而，由于充電距離的限制，初級線圈和次級線圈需要完全對準，并且充電效率低。以至于在其他領(lǐng)域的進一步應用來說，該技術(shù)難以實現(xiàn)突破。=2\*GB3②磁共振式：能量的交換和傳輸由發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備以特定頻率實現(xiàn)。麻省理工學院著名物理學教授馬林·索爾賈西奇（MarinSoljacic）進行的研究可以點亮兩米外的60瓦燈泡。但是線圈的直徑達到50cm，該直徑太大，因此不能生產(chǎn)用于商業(yè)化。如果減小線圈尺寸，則接收功率將減小，這是一個十分矛盾的問題。=3\*GB3③無線電波式：該技術(shù)的傳輸距離很長，工作頻率為915MHz，在傳感器領(lǐng)域使用較多。其工作原理主要由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成。發(fā)射器發(fā)射的無線電波將被微波接收設(shè)備直接捕捉到，然后轉(zhuǎn)換為可用的電能。=4\*GB3④電場耦合：對于這種充電技術(shù)，高頻電場是關(guān)鍵。高頻電場用于在移動電話設(shè)備和充電基座之間進行無線充電，而不是通過高頻磁場感應進行。當兩個彼此靠近的線圈被磁化時，產(chǎn)生磁場，而當另一個線圈感應出磁場時，產(chǎn)生磁感應電流。優(yōu)點是可以減小設(shè)備的尺寸，但是該技術(shù)的傳輸功率非常小，只有10W左右，在實踐中很難使用。所以該技術(shù)的應用非常少，并且研究人員很少。日本只有村田制作所采用電場耦合的無線充電技術(shù)[4]。(3)未來的發(fā)展趨勢無線充電這種技術(shù)的應用有著很大的機遇和挑戰(zhàn)。我們能夠感受到這種技術(shù)帶給人們生活上的各種便捷,同時,無線充電技術(shù)也迅速地提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率。無線充電這種技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在,已經(jīng)應用到小家電等各個領(lǐng)域,比如:剃須刀、電動牙刷等;還有手機、電子手表、筆記本電腦等;電動汽車因為無線充電技術(shù)而流行了起來。但是無線充電技術(shù)在發(fā)展過程中還存在著很多的問題。主要體現(xiàn)在:充電效率的不高、在遠距離充電上花費時間太多，導致效率低下,浪費大量時間;在安全方面也有很多問題,有一些人會被輻射影響，從而威脅到健康;再者實用方面。無線充電技術(shù)需要在固定位置才能充電,但如今快節(jié)奏的社會，我們會經(jīng)常走動，從實用性來講,其實并不方便。同時,無線充電技術(shù)標準在全世界并不統(tǒng)一,并且不同運營商的終端供電參數(shù)也不一樣，這導致無線充電技術(shù)僅在某些地區(qū)和產(chǎn)品中使用。目前，無線充電技術(shù)主要用于電子產(chǎn)品，伴隨著5G技術(shù)的到來，電動汽車領(lǐng)域也會是無線充電技術(shù)應用的一個重大的市場，給無線充電技術(shù)帶來新的可能和機會。無線充電技術(shù)從誕生到現(xiàn)在來看,一直受到人們的關(guān)注,如今已經(jīng)取得可觀的成績,伴隨著市場的不斷壯大,無線充電技術(shù)的發(fā)展可以說是前途無限[5]。(4)課題的主要內(nèi)容本次課題研究的主要內(nèi)容是利用單片機控制的簡易智能無線充電系統(tǒng)。采用無線充電技術(shù)中的電磁感應技術(shù)配合外部硬件電路模塊實現(xiàn)這次設(shè)計?；镜某潆姽δ?，還有對當前充電的電壓、電流大小的顯示等都會在設(shè)計中得到體現(xiàn)。課題設(shè)計完成后，對于無線的充電產(chǎn)品以及無線充電原理能夠有更清晰的認識。1系統(tǒng)總體設(shè)計總體設(shè)計簡述這次的系統(tǒng)設(shè)計主要是由幾個模塊構(gòu)成的，分別為顯示模塊、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、ADC0832模塊等。在對交流信號的一系列處理后，來控制外部進行工作，從而實現(xiàn)能量的無線傳輸。只要在適合的距離范圍內(nèi)就能夠?qū)κ謾C、平板等其它充電設(shè)備進行供電。這是硬件方面解決的，配合軟件程序一起工作，來達到智能化的目的。最后使用LCD1602來實時顯示當前的電流、電壓大小。總體結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。圖1-1總體結(jié)構(gòu)圖電源模塊為發(fā)射模塊提供12V電壓，發(fā)射模塊將12V電壓送至到接收模塊，接收模塊將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V，提供給USB模塊以給設(shè)備充電，同時將電壓、電流數(shù)據(jù)通過ADC0832和單片機處理，最后顯示在LCD1602上。主要實現(xiàn)功能在這次設(shè)計中可以實現(xiàn)的基本功能有:(1)能夠?qū)﹄娮釉O(shè)備如手機、平板實現(xiàn)無線充電；(2)能夠在充電時有藍色指示燈亮起，用來提醒；(3)能夠?qū)崟r通過LCD1602顯示充電電壓、電流的數(shù)值大小。一些技術(shù)參數(shù)(1)無線發(fā)射端的輸出電壓為12V；(2)無線接收端的接收電壓為5V，充電電流最高約為85mA；(3)無線充電的距離為3cm內(nèi)；(4)充電過程中可通過LCD1602顯示電壓、電流，并且有藍色指示燈亮起，結(jié)束充電，指示燈熄滅。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1單片機的選擇與使用2.1.1單片機概述單片機（Single-ChipMicrocomputer）是一種集成電路芯片，用少量的元件構(gòu)成一個以CPU為中心的控制電路，具有操作簡單，運用范圍廣的特點。單片機由于其強大的功能，8位微控制器廣泛用于工業(yè)控制，儀器儀表和其他領(lǐng)域。這樣的芯片主要包括CPU，隨機存取存儲器RAM，只讀存儲器ROM等，多樣化的數(shù)據(jù)采集和控制可以使單片機完成許多困難而復雜的任務。它廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域。最初的低位，例如4位MCU的速度非常慢。英特爾在1980年代初推出了MCS-51系列8位MCU。經(jīng)過不斷的優(yōu)化和開發(fā)，它發(fā)展到目前的300MMCU，速度非常快，可以完成許多大型計算任務。然而，8位單片機在中小型應用中仍然占據(jù)著主流地位，并且在單片機應用領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用，代表了單片機的主流發(fā)展方向。單片機體積小，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但功能完善。它不僅可以處理芯片中某些特殊功能寄存器的某個位，例如傳輸，設(shè)置，清除等，還可以執(zhí)行相關(guān)位的邏輯運算，即使在長時間的工作下也不會輕易損壞。單片機的應用有節(jié)能控制、智能語音設(shè)備、報警控制、醫(yī)療設(shè)備等。在日常生活中我們都可以隨處可見，比如嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中。單片機在CPU開發(fā)、程序開發(fā)、存儲器開發(fā)、計算機開發(fā)及C語言程序開發(fā)等等項目上均可用來使用，效果也是顯而易見的。2.1.2單片機STC89C52RC簡介STC89C52RC單片機是新一代微控制器，具有高速，低功耗和強大的抗干擾能力。有兩個機器周期可供選擇，包括掉電模式，空閑模式和正常操作模式。關(guān)于應用程序則與傳統(tǒng)8051兼容，用戶應用程序空間為8K字節(jié)，并且有32個通用I/O端口。當P0端口用作總線擴展時，無需連接上拉電阻。運行程序可以通過串行端口直接下載到微控制器，既快速又簡單。而且，該單片機的功耗很小，非常適合在一些小型控制電路中使用。盡管STC89C52使用的核心是經(jīng)典的MCS-51，但是經(jīng)過改進，它具有傳統(tǒng)的51單片機所沒有的許多功能。具有看門狗，EEPROM功能，工作溫度范圍具有工業(yè)級和商業(yè)級。它包含了數(shù)據(jù)采集和控制所需的幾乎所有模塊，可以降低成本并提高性能。內(nèi)部閃存擦除時間超過100,000次。在靜態(tài)邏輯操作下，STC89C52RC可以降低到0Hz，并且可以通過兩種軟件選擇省電模式。它具有五個中斷源和兩個級別的中斷優(yōu)先級。單片機的CPU停止工作時，串口、中斷等都能正常的繼續(xù)工作。STC89C52RC的管腳圖如圖2-1所示。圖2-1STC89C52RC的管腳圖各引腳功能介紹如表2-1所示：表2-1STC89C52RC的各引腳功能序號名稱功能1P1.0-P1.78位準雙向I/O口，負載能力為3個LSTTL門2RST復位端，高電平有效，24個時鐘周期寬度以上，單片機復位3RXD串行口輸入端4TXD串行口輸出端5INT0外部中斷0輸入端6INT1外部中斷1輸入端7T0定時器/計數(shù)器0外部輸入端8T1定時器/計數(shù)器1外部輸入端9WR片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端10RD片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端11XTAL2接外部晶體振蕩器，片內(nèi)是個振蕩電路反相放大器的輸出端12XTAL1接外部晶體振蕩器，片內(nèi)是個振蕩電路反相放大器的輸入端2.1.3單片機最小系統(tǒng)對于STC單片機來說，最小的系統(tǒng)包括：單片機、復位電路、時鐘電路等。單片機內(nèi)部的CPU是核心部分，它的功能是產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)上的運算、傳輸，對于存儲器中的指令代碼來控制電路。復位電路圖如圖2-2所示。時鐘電路圖如圖2-3所示。圖2-2復位電路圖圖2-3時鐘電路圖2.1.4單片機控制模塊在這次設(shè)計的系統(tǒng)中，單片機通過控制指令實現(xiàn)無線充電過程中的數(shù)據(jù)采集和分析，并通過LCD1602顯示電路進行顯示。在代碼中相應的子程序，以計算PWM信號波的占空比，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏。在充電過程中，通過檢測當前電壓大小來判斷設(shè)備是否正在充電，當電壓大小達到一定值時，指示燈就會點亮。利用單片機想要改造電路也會簡單方便。其中P0口接液晶顯示屏LCD1602，單片機控制電路如圖2-4所示。圖2-4單片機控制電路2.2無線發(fā)射模塊的設(shè)計2.2.1NE555、IR2101構(gòu)成的發(fā)射模塊當使用NE555芯片時可以利用外圍電路來構(gòu)成方波發(fā)生器，頻率較穩(wěn)定。NE555廣泛用于集成電路中，它的工作原理利用內(nèi)部的定時器構(gòu)成時基電路，產(chǎn)生時鐘信號。主要結(jié)構(gòu)由場效應管、上拉電阻等元器件構(gòu)成了前端比較器、RS觸發(fā)器等電路模塊，NE555的引腳圖如圖2-5所示。圖2-5NE555引腳圖由NE555以及外圍電路構(gòu)成的方波發(fā)生器如圖2-6所示。圖2-6NE555方波發(fā)生器由IR2101構(gòu)成的推挽式驅(qū)動電路如圖2-7所示。圖2-7IR2101驅(qū)動電路為了選擇MOS，將IRF3205用作半橋開關(guān)器件。這是IR生產(chǎn)的低阻抗快速開關(guān)管。工作范圍為-55至175攝氏度，接通延遲為16ns，上升時間為110ns，斷開延遲時間為43ns，下降時間為96ns。功率放大電路是由LC諧振回路和IRF3205兩大部分組成的，可以將12VDC轉(zhuǎn)換成12VAC電壓，在發(fā)射線圈與接收線圈靠近時，在接收線圈產(chǎn)生感生電壓。H橋逆變電路如圖2-8所示。圖2-8H橋逆變電路電源、振蕩電路、功率放大電路是發(fā)射模塊的主要構(gòu)成部分，整個電路通過電源把220V交流電變直流，然后給系統(tǒng)供電，通過振蕩電路產(chǎn)生高頻信號，在通過功放電路進行功率放大，最后耦合線圈發(fā)射?？傮w的無線發(fā)射電路模塊如圖2-9所示。圖2-9無線發(fā)射電路2.2.2XKT412、XKT335構(gòu)成的發(fā)射模塊XKT-412芯片是具有高頻大功率集成電路的一個芯片，它是為各種系列的小型電子產(chǎn)品的無線充電和電源設(shè)計和開發(fā)的。它具有體積小，極易使用，效率高和價格低的特點。在日常生活使用中發(fā)送線圈的體積會減小，線圈的成本得到降低，由于對線圈的電感量要求小，使得我們的生產(chǎn)應用變的簡單，由于使用非接觸式充電電源，產(chǎn)品可以完全密封，防水防塵，并增加了產(chǎn)品的使用壽命。在無線智能充電、供電管理系統(tǒng)中，都可以用到它。XKT-412在小電流環(huán)境工作時，可以適當加大接收線圈的匝數(shù)來增大傳輸距離。利用電磁能轉(zhuǎn)換的原理，發(fā)射器模塊和接收器模塊配合進行能量轉(zhuǎn)換。由于XKT-412是高度集成的，因此可以使用很少的外部組件來制作穩(wěn)定的無線快速充電器和由其供電的無線電源。XKT-412的特點：電壓可調(diào)節(jié)，能在一定的電壓范圍下工作；頻率能夠固定；對負載進行感應檢測；對功率有控制的能力；能夠快速對能量傳送；十分有效的對電磁能量達到轉(zhuǎn)換；具有檢測，免調(diào)試的功能；工作電壓范圍為5-12V；工作頻率范圍為0-2MHZ；外部只需幾只普通元件。其中XKT-412的引腳圖如圖2-10所示。圖2-10XKT-412引腳圖腳位表及功能描述如表2-2所示。表2-2腳位表及功能描述引腳編號引腳名稱功能描述1VD電壓檢測2FT頻率微調(diào)3MFA多功能調(diào)節(jié)4WL功率加強5GND地6OUT輸出7TD功率驅(qū)動8VDD電源正極其具有幾種應用電路：大功率應用；USB5V低電壓發(fā)射應用；利用PCB作收發(fā)應用。而作為大功率應用中的無線發(fā)射電路可以12V發(fā)射5V1A接收輸出。由XKT-412和XKT-335構(gòu)成的無線發(fā)射電路如圖2-11所示。圖2-11無線發(fā)射電路2.2.3發(fā)射模塊的選擇對于第一種基于NE555、IR2101以及MOS管IRF3205構(gòu)成的無線充電發(fā)射模塊電路來說，這種方案構(gòu)成的方波發(fā)生器的頻率比較穩(wěn)定，使用起來簡便，輸出的電壓幅度能滿足電路的基本電壓需求，電壓比較大。本次設(shè)計是典型的電磁感應式無線電傳輸，需要保證發(fā)射端盡可能發(fā)射能量夠大，也要考慮到能量利用效率的問題。為了盡可能提高電能傳輸效率，相比較于第一種，第二種方案基于XKT-412和XKT-335構(gòu)成的無線發(fā)射模塊會更加適合這次設(shè)計。因為，在電能傳輸效率上比第一種電路要高，使用上更加方便，外部元器件相較第一種少了很多，只需要很少的器件就能完成發(fā)射模塊所需完成的功能，如若出現(xiàn)問題，會更快找到問題點，實物焊接上也會輕松許多，故發(fā)射模塊選擇第二種設(shè)計。2.3無線接收模塊的設(shè)計2.3.1TL494接收模塊應用在無線接收模塊上，最重要的是在能夠保證效率最大化的基礎(chǔ)上，能輸出恒定的穩(wěn)壓電流，TL494是一種能夠產(chǎn)生固定頻率脈寬寬度的電源電路模塊，包含了各種功能，屬于集成電路控制器，廣泛應用于橋式開關(guān)電源，能適應不同場合需要，芯片主要負責的是輸出穩(wěn)定的電流、電壓，當輸出的電壓低于預先的電壓，電流反饋為主導作用，而超過設(shè)定值后，轉(zhuǎn)換為電壓反饋，完成電壓、電流的控制，具有高效率和適用于實際操作的特點。TL494應用電路如圖2-12所示。圖2-12TL494應用電路TL494具有的特點如下：(1)工作電壓為5V；(2)包含兩種輸出方式；(3)死區(qū)時間不變；(4)靈活進行脈寬調(diào)制；(5)內(nèi)置誤差放大器。2.3.2T3168構(gòu)成的接收模塊T3168芯片是一種接收集成電路，具有體積小，輸出功率大的特點。它用于各種無線充電解決方案。該電路非常簡單，易于使用。其引腳圖如圖2-13所示。圖2-13T3168引腳圖其應用范圍十分廣泛。其引腳表及功能描述如表2-3所示。表2-3引腳表及功能描述引腳編號引腳名稱功能描述1NC空2IN輸入3OUT輸出4GND地5VA輸出電壓調(diào)節(jié)取樣6NC空7O/F輸出控制使能端8NC空由T3168構(gòu)成的無線接收模塊原理圖如圖2-14所示。圖2-14無線接收模塊原理圖2.3.3接收模塊的選擇關(guān)于接收模塊的使用上，TL494雖然具有眾多的功能，且能穩(wěn)定的輸出電流，但是基于此電路之前還需要有電源電路的設(shè)計，經(jīng)過變壓器降壓成可接收的整流濾波，給運算放大器供電。這種設(shè)計需要的元器件太多，而且電路中結(jié)構(gòu)變復雜，經(jīng)過多個電路模塊后能量會有損耗。而利用T3168構(gòu)成的接收模塊不僅不用那么多的電路準備工作，可直接與接收線圈相連，而且能得到穩(wěn)定的5V電壓直接給單片機供電和USB輸出，直接就能給設(shè)備充電。再者，基于T3168的接收模塊和基于XKT-412、XKT-335構(gòu)成的發(fā)射塊正好能相互工作配合，使能量在發(fā)、收上效率最大。故選用T3168接收模塊更適合。2.4電源模塊的設(shè)計電源模塊主要是利用LM7805以及外圍的RC電路構(gòu)成的。LM7805器件的內(nèi)部電路可以實現(xiàn)過電壓保護、過電流保護和過熱保護。芯片性能十分強大。LM7805,79系列的引腳圖如圖2-15所示。圖2-15LM7805引腳圖由LM7805以及外圍的RC電路構(gòu)成的電源模塊原理圖如圖2-16所示。圖2-16電源模塊原理圖2.5電壓電流檢測模塊ADC0832是一個8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。它的低功耗非常適合用于儀器儀表，并且通過接口連接到單芯片計算機。ADC0809是并行的，雖然速度很快，但是外圍電路結(jié)構(gòu)復雜，而且購買價格也不便宜。串行ADC0832對于檢測緩慢變化的信號非常有用，并且電路結(jié)構(gòu)簡單。因此，更推薦使用ADC0832作為檢測模塊的芯片。比較數(shù)據(jù)時，由于雙重數(shù)據(jù)輸出的特性，數(shù)據(jù)的誤差將最小化，速度非常快，電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且易于與多個器件一起工作。主要特點如下：(1)具有8位分辨率；(2)供電電壓為5V；(3)TTL和CMOS與輸入和輸出兼容；(4)模擬輸入通道有兩個可以選擇；(5)功耗小，15mW。ADC0832的引腳圖如圖2-17所示。圖2-17ADC0832引腳圖A/D轉(zhuǎn)換主要包括四個步驟：采樣，保持，量化和編碼。采樣是將連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換為離散信號。保持是將模擬信號保持一段時間。量化是將連續(xù)的離散信號轉(zhuǎn)換為具有離散時間和幅度的信號，最后通過編碼輸出為二進制代碼。從時序圖中可以清楚地看到，數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的結(jié)果首先是從高到低，然后是從低到高。雖然將AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的結(jié)果輸出兩次，但沒有區(qū)別，只是順序不同。通過比較兩個數(shù)據(jù)是否相等來判斷讀取是否有錯誤，如果有錯誤就舍棄，反之返回讀取結(jié)果。ADC0832時序圖如圖2-18所示。圖2-18ADC0832時序圖2.6USB輸出模塊USB，是英文UniversalSerialBus的縮寫，日常用于電腦和外部設(shè)備的連接，包括通訊傳輸數(shù)據(jù)，還可以對設(shè)備供電。USB總線是一種高速串行總線，因為具有高速的傳輸速度，所以滿足很多的應用場景。總線具有供電快捷靈活、安裝使用便捷、擴展端口數(shù)量高達127個，數(shù)量眾多、擁有4種傳輸方式，與很多設(shè)備均可適配等優(yōu)點。USB采用四根電纜，其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)，另兩根為設(shè)備提供電源，當兩臺設(shè)備成功連接時，雙方能夠互相用最高的速率傳輸數(shù)據(jù)，還可以為外接設(shè)備進行充電。此次設(shè)計中的USB輸出模塊如圖2-19所示。圖2-19USB輸出模塊上圖中的輸出模塊主要是給需要充電的設(shè)備進行充電，同時圖中的CH0、CH1兩個接口與ADC0832對應的兩個模擬輸入通道連接，從而將充電電壓、電流的模擬量送入至ADC0832中處理成數(shù)字量，再送入單片機中處理，最后才可以將數(shù)值顯示在液晶屏上。2.7LCD1602顯示模塊LCD1602是一種廣泛使用的液晶顯示器，有兩種類型。它是由字符型液晶顯示屏、控制驅(qū)動主電路及其擴展驅(qū)動電路三大部分構(gòu)成，還有外部少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)組成的。兩種類型的接口數(shù)量不同，但使用起來差別不大。在我們?nèi)粘Ｉ钪?LCD的使用大到高樓上的廣告屏幕，小到家用電器上屏幕顯示以及各種設(shè)備，到處都可以見到，它能顯示數(shù)字還有圖形之類的符號。具有功耗小、體積小、精準度高等特點。LCD的容量為32個字符，字符位間隔有利于顯示字符間距。如果想在左上角顯示一條短亮線，需要在000H中輸入數(shù)據(jù)FFH；同樣如果想在右下角顯示一條短亮線，在3FFH中輸入FFH數(shù)據(jù)即可；當000H為FFH時，002H為00H…，00EH為00H，00FH為00H時，在頂部就會有一條虛線。LCD1602顯示的基本原理就是這些了。LCD1602的實物圖如圖2-20所示。圖2-20LCD1602實物圖LCD1602的引腳接口說明如圖2-21所示。圖2-21LCD1602引腳接口說明它的特性有：(1)工作電壓為3.3或5V；(2)包括復位電路；(3)數(shù)據(jù)存儲器DDRAM有80字節(jié)；(4)提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標閃爍等；(5)8個可自定義的5×7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM。這次設(shè)計中的LCD1602液晶顯示電路如圖2-22所示。圖2-22LCD1602液晶顯示電路2.8本章小結(jié)本章主要是課題設(shè)計中的硬件電路設(shè)計部分。其中比較關(guān)鍵的是發(fā)射與接收模塊，以及電壓、電流的A/D轉(zhuǎn)換。在發(fā)射與接收模塊的選擇上通過比較了兩個方案，從電路結(jié)構(gòu)復雜程度以及效率等方面進行綜合比較后，才確定用哪一種，在這部分花費的時間較多。關(guān)于其它模塊其實都是比較簡單的，關(guān)鍵是怎么配合在一起工作。整體的硬件上通過了解它們的工作原理以及一些芯片的內(nèi)部原理圖，然后用少量的元器件構(gòu)成了外部電路。在芯片的選擇上也是花費了一些時間。最后也是利用仿真軟件畫出了整體的電路原理圖。3系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.1整體程序的設(shè)計 這次設(shè)計的整體工作由單片機程序控制實現(xiàn)，主要由主程序、電壓電流檢測、LCD1602顯示、延時程序以及單片機內(nèi)部EEPROM讀寫程序組成。各個模塊程序看似獨立工作，但其實互相之間有著密不可分的聯(lián)系。這些子程序的共同工作才實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)的工作過程為：當電路啟動后，電壓電流數(shù)據(jù)采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過單片機處理，通過LCD顯示子程序在液晶屏顯示。整體軟件程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖3-1整體軟件程序結(jié)構(gòu)框圖3.2主要的程序模塊3.2.1電路啟動初始化在系統(tǒng)工作前需要對單片機設(shè)置初始狀態(tài)，電路啟動初始化是很有必要的，在單片機每次上電運行時，會發(fā)生數(shù)據(jù)變化，而復位操作就可以將單片機數(shù)據(jù)設(shè)置為預先設(shè)定的值。如果不這樣操作，可能產(chǎn)生未知的干擾從而影響系統(tǒng)的正常工作。單片機運行后，必須首先設(shè)置初始參數(shù)，系統(tǒng)正常操作的參數(shù)，例如定時器和存儲器的設(shè)置，以及中斷等等。電路初始化程序的流程圖如圖3-2所示。圖3-2電路初始化程序流程圖3.2.2ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換程序關(guān)于對電壓、電流數(shù)據(jù)的采集使用ADC0832芯片實現(xiàn)，在單片機對數(shù)據(jù)處理之前需要進行轉(zhuǎn)換，程序在初始化后對模擬數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生中斷，然后將處理的數(shù)據(jù)送入單片機內(nèi)部。模數(shù)轉(zhuǎn)換程序的流程圖如圖3-3所示。圖3-3模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖3.2.3LCD1602顯示程序LCD1602擁有80個字節(jié)的顯存，被稱為DDRAM。這就相當是計算機的顯存，想要顯示字符的內(nèi)容，要把對應字符的代碼送到顯存中，才可以把字符顯示在屏幕上。比如想把字符B在屏幕左上角顯示，將字符B的代碼66H寫入DDRAM的00H地址處即可。只要有字符的代碼數(shù)據(jù)，就可以顯示出來。LCD是通過指令編程實現(xiàn)讀寫操作、屏幕以及光標的操作。其內(nèi)部地址與屏幕關(guān)系如圖3-4所示。圖3-4內(nèi)部地址與屏幕關(guān)系圖LCD1602的基本操作如表3-1所示。表3-1LCD1602基本操作RSRWE輸出01高脈沖D0-D7為狀態(tài)字11高脈沖D0-D7為數(shù)據(jù)00高脈沖無10高脈沖無LCD1602程序流程圖如圖3-5所示。圖3-5LCD1602程序流程圖3.3本章小結(jié)本章主要是軟件代碼的設(shè)計，包括初始化，A/D轉(zhuǎn)換等等。其中最核心的過程就是ADC0832將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，在讓單片機存儲、讀取數(shù)據(jù)，然后傳送至LCD1602液晶屏上顯示。在代碼中還加入延時以及單片機內(nèi)部EEPROM的配置。當前電壓大小以及電流大小，會通過LCD1602上顯示出來，當線圈距離發(fā)生變化時，數(shù)值變化也會實時顯示。還設(shè)置了指示燈，當電壓高于某個值時，即可以滿足手機設(shè)備充電的最低電壓，指示燈才會亮起?？傮w的軟件程序設(shè)計就是這樣。4系統(tǒng)仿真及組裝調(diào)試4.1Proteus與系統(tǒng)仿真Proteus是英國公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件，功能十分強大。Proteus有很多功能模塊，比如原理圖設(shè)計，電路仿真功能，還具有單片機協(xié)同仿真功能。Proteus的資源十分豐富，可以提供很多的仿真元器件資源，比如虛擬儀表可以有效減少測量數(shù)據(jù)的誤差，在原理圖繪制好后，可以加上編譯好的代碼文件，在軟件中清楚看到系統(tǒng)運行的狀態(tài)，以便開發(fā)者進行修改。在單片機課設(shè)和電子競賽上，軟件的優(yōu)勢更加明顯，只需一個軟件就可完成設(shè)計工作的大部分內(nèi)容。Proteus提供了獨一無二的虛擬系統(tǒng)模型工具，包含了各種組件。目前單片機的類型眾多，但是在軟件中都可以輕松找到并使用。在編譯方面，多種編譯器都可以使用，配合軟件提供的虛擬邏輯分析儀等各種儀器儀表。Proteus可以說是非常完美的軟件工具。在這次系統(tǒng)設(shè)計中就用了這個仿真軟件對電路進行仿真，經(jīng)過仿真解決了電路中存在的問題，以及完善并簡化了電路結(jié)構(gòu)，完成了系統(tǒng)的設(shè)計。4.2組裝調(diào)試4.2.1系統(tǒng)組裝系統(tǒng)的組裝主要是對著設(shè)計中的電路結(jié)構(gòu)來組裝，其中無線發(fā)射模塊與接收模塊是不用焊接的，因為這兩個模塊有完整現(xiàn)成的套件，只需利用導線接在電路板上即可。事先準備好焊接需要的工具以及器件，按照電路原理圖上的設(shè)計安裝好，先焊接小的、貼在板上的，比如電阻，電容等。再焊接大的，突出的器件，按照這個原則焊接即可。4.2.2硬/軟件調(diào)試在組裝完成后就需要對硬件、軟件進行調(diào)試以保證電路正常運行起來。有以下幾個步驟：對電路的通斷以及電源電壓進行檢查；對供電電源進行調(diào)試，保證系統(tǒng)能工作；系統(tǒng)的一些重要參數(shù)調(diào)試；裝上負載使其工作進行測試；在軟件程序下載到單片機之前，通過軟件工具對程序進行編譯，發(fā)現(xiàn)代碼中出現(xiàn)的問題后，及時修改代碼以解決問題。4.2.3調(diào)試結(jié)果通過仿真以及后面實物進行硬件、軟件調(diào)試后，結(jié)果是基本滿足了這次設(shè)計能實現(xiàn)的功能了，當USB模塊接入電子設(shè)備時，可以通過調(diào)節(jié)線圈之間的距離來控制輸出電壓給設(shè)備充電，最大充電電壓為5V。在LCD1602顯示屏可以清楚顯示電壓、電流的大小?？傮w來說，調(diào)試結(jié)果是很滿意的。具體的關(guān)于線圈距離與電壓、電流的關(guān)系如表4-1所示。表4-1線圈距離與電壓、電流關(guān)系線圈距離/cm00.511.522.53電壓/V電流/mA84.950.223.70.2設(shè)計實物圖如圖4-1所示。圖4-1設(shè)計實物圖系統(tǒng)實際工作圖如圖4-2所示。圖4-2系統(tǒng)實際工作圖研究或成果與社會、環(huán)境、文化、經(jīng)濟、環(huán)保等關(guān)系關(guān)于無線充電的研究一直沒有停下，無線充電的一系列產(chǎn)品越來越受歡迎。智能手機進入了千家萬戶，手機早已不再是只用來打電話，發(fā)短信這些簡單的功能，看電影、玩游戲成為常態(tài)，導致電量損耗急劇增加。而電池的制作技術(shù)難有突破的進展，就使得充電次數(shù)變多。而且相當一部分人有多部設(shè)備，數(shù)據(jù)線的不兼容導致數(shù)據(jù)線數(shù)量增多，生活中雜亂隨意亂放，簡單快捷的無線充電器是十分必要的。智能手表、電動牙刷等等，在我們的生活中變得常見，對于社會上是改變了我們的生活方式，提高了生活質(zhì)量。無線充電的普及將會帶來很大的經(jīng)濟效益，無線充電器可以完美解決數(shù)據(jù)線太多、不匹配等缺點，一個無線充電器就可以節(jié)省若干條數(shù)據(jù)線的制作消耗，從而節(jié)約成本，減少浪費。目前支持無線充電的設(shè)備越來越多，在工業(yè)領(lǐng)域、家用電器、移動式工業(yè)設(shè)備、特種工況均有應用，在市場上無線充電器將會大量生產(chǎn)、銷售，人們也將快速接受這種充電方式，無線充電技術(shù)將會帶來很多的發(fā)展機遇。無線充電對電動汽車推廣起到重要作用，電動汽車為無線充電技術(shù)開辟了新的市場商機。目前無線充電的市場空間可達到數(shù)十億元規(guī)模，在經(jīng)濟上帶來巨大的財富，潛力巨大。結(jié)論(1)課題設(shè)計的結(jié)果這次智能無線充電系統(tǒng)的設(shè)計主要分為硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計兩個方面來進行的。通過查閱電路資料和芯片功能，在硬件設(shè)計上又分為幾個模塊，制作了電源電路模塊、ADC0832轉(zhuǎn)換模塊、USB模塊等，在無線發(fā)射與接收模塊上比較了兩種方案，一方面就電路本身而言，另一方面考慮到疫情中的實際情況，最終選擇了完整電路套件實現(xiàn)能量傳輸。既節(jié)省時間也保證了硬件穩(wěn)定性。利用單片機作為程序運行的載體，大大降低了硬件的成本，同時也能實現(xiàn)相應的功能。在軟件程序設(shè)計上這次并沒有添加太多的功能，程序編寫難度也不高，在能夠?qū)崿F(xiàn)充電的前提下，能夠在LCD1602液晶屏幕上顯示充電電流、電壓，并且有相應的指示燈提示。在程序中參考了一些資料里的內(nèi)容，也有一些自己設(shè)計的內(nèi)容。在實物焊接完后進行了功能測試，也基本實現(xiàn)了設(shè)計中的內(nèi)容，線圈之間的距離和充電電壓有著直接關(guān)系，越靠近，電壓值就越大，想要獲得高的能量傳輸效率就必然要犧牲距離。當然發(fā)射、接收電路模塊也是重要因素。(2)課題設(shè)計的改進、展望本次設(shè)計雖然能夠充電，但是設(shè)計上還是有些欠缺。有很多地方需要完善。由于硬件的原因，在傳輸效率上并不太高，而且充電電壓不太穩(wěn)定。在程序設(shè)計也是功能較少，智能化體現(xiàn)不太明顯。這些問題都有待解決，比如在硬件電路上需要選用更適合的芯片和電路結(jié)構(gòu)來提高效率，功能上可以加上可以手動控制充電電壓的大小，以及充滿電時的智能斷電等等，這些都可以作為本次無線充電系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化內(nèi)容。不過總體來說，這次設(shè)計還是比較成功的，按照目前的發(fā)展趨勢，無線充電系統(tǒng)也是很有發(fā)展前景與應用場景。致謝本次論文的順利完成離不開周斌老師的悉心教導與幫助。從一開始的開題報告到開題答辯以及設(shè)計期間的日志，還有最后的論文寫作。老師一遍又一遍的指出問題，嚴格把關(guān)，循循善誘，提出了很多改進的意見，對我有很大的幫助。這幾個月以來，周斌老師在畢設(shè)上給我耐心的解決了一些問題，在思想上也有無微不至的關(guān)懷。周到細密、愛崗敬業(yè)的作風也是我學習、生活上的榜樣。四年以來，不管是在學習方面還是在個人方面的成長，學校和老師們都為我提供各種平臺和學習成長的資源，相信在真正的步入社會之后，這些對我的影響將是自己最寶貴的財富。最終在我的不懈努力下，完成了這次設(shè)計，最后再次由衷的感謝周老師的言傳身教。參考文獻[1]彭城.無線充電技術(shù)專利布局研究[D].湘潭大學，2018.[2]趙帥.基于無線電波的小功率充電器設(shè)計[J].東北農(nóng)業(yè)大學，2018.[3]王國輝.無線充電技術(shù)及其特殊應用前景[J].電子產(chǎn)品世界，2014，21(07)：21-24.[4]張廣東，郝盺玉，袁鐵軍等.無線充電技術(shù)發(fā)展綜述[J].電子科技，2016(12)：170-172，179.[5]魯寬.淺析無線充電技術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uintadc_val=0; uchardisp1[16]={"OUT-V:.v"};//顯示數(shù)組 uchardisp2[16]={"OUT-A:.ma"};//顯示數(shù)組 LCD_Init();//lcd初始化 byte_read(0x2000);//讀取報警數(shù)據(jù) while(1) { WriteChar(1,0,16,disp1);//在第二行顯示 WriteChar(2,0,16,disp2);//在第二行顯示 adc_val=adc0832(1)*100/256;//讀取電壓值 disp1[9]=adc_val/10+0x30; disp1[11]=adc_val%10+0x30; adc_val=adc0832(0)*750/256;//讀取電流值 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;elseLED=1;}}LCD1602.h#ifndef__LCD1602_H__#define__LCD1602_H__#include"delay.h"http://添加延時函數(shù)頭文件#defineLCD_PINDATAP0//數(shù)據(jù)端口定義sbitRS=P1^4;//RSsbitRW=P1^5;//RWsbitE=P1^6;//EvoidWriteCOMDATA(ucharLCD_DATA,ucharN){ Delay(10); E=1; RW=0; RS=N; LCD_PINDATA=LCD_DATA; E=0;}voidLCD_Init(void){WriteCOMDATA(0x01,0); Delay(500); WriteCOMDATA(0x38,0); Delay(10); WriteCOMDATA(0x06,0); Delay(10); WriteCOMDATA(0x0c,0); Delay(10);}voidWriteChar(ucharRow,ucharCol,ucharNum,uchar*pBuffer){ uchari; if(Row==1)Row=0x80+Col; elseRow=0xC0+Col; WriteCOMDATA(Row,0); for(i=Num;i!=0;i--) { WriteCOMDATA(*pBuffer,