手機(jī)無(wú)線充電器的軟件方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試實(shí)例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u26794手機(jī)無(wú)線充電器的軟件方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試實(shí)例分析 1326831.1軟件流程設(shè)計(jì) 1108251.2電壓電流檢測(cè)程序設(shè)計(jì) 3268131.1.1濾波算法設(shè)計(jì) 327981.1.2電壓電流檢測(cè)程序設(shè)計(jì) 56091.1.3過(guò)壓過(guò)流保護(hù)程序設(shè)計(jì) 6240361.3充電功率調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì) 6127871.4驅(qū)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì) 7157271.5充電計(jì)時(shí)程序設(shè)計(jì) 945321.6液晶顯示程序設(shè)計(jì) 12183461.7本章小結(jié) 142216第2章系統(tǒng)仿真與調(diào)試 14275152.1系統(tǒng)仿真驗(yàn)證 1498032.1.1仿真模型設(shè)計(jì) 1435702.1.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 1522762.2發(fā)射端電路測(cè)試 18214542.2.1顯示模塊測(cè)試 1829462.2.2主電路模塊測(cè)試 19307182.2.3功率調(diào)節(jié)電路測(cè)試 2084322.2.4電壓電流檢測(cè)電路測(cè)試 2080242.3接收端電路測(cè)試 21110322.3.1接收線圈波形測(cè)試 21232622.3.2接收端輸出電壓測(cè)試 211.1軟件流程設(shè)計(jì)上文針對(duì)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)作了具體闡述，本系統(tǒng)從軟件設(shè)計(jì)上一共分為以下幾個(gè)部分，分別為：無(wú)線充電驅(qū)動(dòng)控制子程序、充電計(jì)時(shí)子程序設(shè)計(jì)、電壓電流閉環(huán)控制子程序、充電功率調(diào)節(jié)子程序以及人機(jī)交互子程序設(shè)計(jì)。其中，充電驅(qū)動(dòng)控制子程序的作用在于輸出特定占空比的PWM波來(lái)控制MOS管的開(kāi)關(guān)；充電計(jì)時(shí)子程序能夠檢測(cè)電路中發(fā)射模塊的功率突變來(lái)判斷接收線圈是否處于充電狀態(tài)；電壓電流檢測(cè)電路為系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供過(guò)流過(guò)壓保護(hù)。充電功率調(diào)節(jié)子程序的作用在于能夠通過(guò)外部旋鈕來(lái)調(diào)整輸出的功率檔位，即充電速度的快慢。同時(shí)為了提升系統(tǒng)的可操作性，本系統(tǒng)增加了人機(jī)交互模塊，將系統(tǒng)的工作狀態(tài)及參數(shù)通過(guò)液晶屏幕顯示。本設(shè)計(jì)的軟件工作流程圖如圖4-1所示，同時(shí)下文將按照程序流程對(duì)各子模塊設(shè)計(jì)作詳細(xì)闡述。圖4-1軟件工作流程圖1.2電壓電流檢測(cè)程序設(shè)計(jì)1.1.1濾波算法設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中的電路工作頻率較高，使得電路中的電壓電流波動(dòng)較大，同時(shí)，由于系統(tǒng)使用的8位ADC的采樣精度有限，因此，通過(guò)前期的預(yù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)采集的電流電壓數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，測(cè)量的數(shù)據(jù)中通常含有多種難以測(cè)量的噪聲干擾，所以，在本系統(tǒng)的實(shí)際軟件設(shè)計(jì)中，使用各種濾波算法對(duì)ADC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，將數(shù)據(jù)平滑化，更加有利于單片機(jī)的輸出控制。本設(shè)計(jì)中使用均值濾波算法，這樣處理后的數(shù)據(jù)將更加平滑，但靈敏度不高。該算法對(duì)于隨機(jī)干擾噪聲有著較好的濾波效果，但由于多次取值測(cè)量，使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，通知增加了系統(tǒng)的計(jì)算量。本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低，同時(shí)STC12系列單片機(jī)具有高速運(yùn)算能力，因此均值濾波能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在本設(shè)計(jì)中，選取N值為200，濾波算法的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-2所示。圖4-2濾波算法程序設(shè)計(jì)流程圖其源程序如下：/*******************ADC平均濾波****************/#defineN200uintfilter(ucharch){intsum=0;uintcount;for(count=0;count<N;count++){sum+=GetADC(ch);}return(sum);}1.1.2電壓電流檢測(cè)程序設(shè)計(jì)電壓電流檢測(cè)是各子程序模塊執(zhí)行的基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)通過(guò)使用單片機(jī)的ADC采集端口，將電路中的輸入電壓、輸出電流等進(jìn)行采樣，通過(guò)采樣標(biāo)志位來(lái)判斷是否完成采樣值的獲取，并將獲取的數(shù)據(jù)返回待其他子程序調(diào)用。該部分的設(shè)計(jì)流程圖如圖4-3所示。圖4-3電壓電流檢測(cè)程序流程圖程序代碼如下所示：/*******************轉(zhuǎn)換ADC值****************/ucharGetADC(ucharch){ucharresult=0;ADC_CONTR=0xe8|ch;//選擇通道，開(kāi)始AD轉(zhuǎn)換_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG));//查詢ADC_FLOG是否置位1轉(zhuǎn)換結(jié)束ADC_CONTR&=~ADC_FLAG;//clearADCinterruptflagresult=ADC_DATA;return(result);}1.1.3過(guò)壓過(guò)流保護(hù)程序設(shè)計(jì)上文對(duì)ADC采集流程、濾波算法作了詳細(xì)的闡述，通常，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作的前提是擁有完善的保護(hù)機(jī)制，當(dāng)電路中電流超出設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠自動(dòng)鎖定，限制住電流或電壓的過(guò)增，本系統(tǒng)設(shè)定充電裝置最高輸出1A的電流，最高輸入電壓為16V。通過(guò)ADC采集獲取經(jīng)過(guò)分壓或放大后的電壓與電流值，并除以相對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)以此得到電路中實(shí)時(shí)的電流電壓值，其中放大倍數(shù)的計(jì)算方式在上文中已詳細(xì)闡述。程序代碼如下所示：A=filter(1)/200;//讀取第一個(gè)通道的ADC數(shù)字并計(jì)算B=filter(0)/179;//計(jì)算輸入電壓C=filter(2)/170;//計(jì)算輸出電流i1=C;//記錄當(dāng)前狀態(tài)的電流值

CCAP1H=CCAP1L=255-A/5;//輸出對(duì)應(yīng)占空比的PWMif(C>100)//當(dāng)電流值超過(guò)1A時(shí),進(jìn)行保護(hù){hz_IcdDis(0,9,"OCP");//顯示Overcurrent,過(guò)流保護(hù)CCAP1H=CCAP1L=255;//設(shè)定占空比為255,PWM關(guān)閉，輸出低電平{else{hz_lcdDis(0,9,"ON");//顯示發(fā)射端開(kāi)啟

}1.3充電功率調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)在硬件上增加了10K阻值的電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的旋鈕就可以改變電位器中間引腳的電壓，通過(guò)ADC采集端口即可獲得該電壓值。本設(shè)計(jì)將5V電壓劃分為25個(gè)檔位，中間引腳的電壓越高即代表檔位越高，此時(shí)輸出PWM的占空比越大，充電功率越大，也就是說(shuō)此時(shí)的充電速度越快，該部分的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-4所示。圖4-4充電功率調(diào)節(jié)流程圖程序代碼如下所示：ucharresult=0;ADC_CONTR=0xe8|1;//選擇通道,開(kāi)始AD轉(zhuǎn)換_nop_();_nop_0;_nop_();_nop_0;while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG));//查訊ADC_FLOG是否置位1轉(zhuǎn)換結(jié)束ADC_CONTR&=~ADC_FLAG;//ClearADCinterruptflagresult=ADC_DATA/200;CCAP1H=CCAP1L=255-result/5;//輸出對(duì)應(yīng)占空比的PWM1.4驅(qū)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制子程序的作用是通過(guò)配置單片機(jī)的PWM寄存器輸出特定占空比的PWM波，以此來(lái)控制電路中MOS管的開(kāi)關(guān)，將電路中的直流電轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)電壓。本系統(tǒng)使用的STC12單片機(jī)配置簡(jiǎn)單，完成PWM寄存器初始配置后，通過(guò)調(diào)整CCAP1的高位與低位就可輸出不同占空比的PWM波，初始占空比設(shè)置為0（CCAP1H=CCAP1L=0XFF），配置無(wú)中斷輸出CCAPM1=0X42;同時(shí)由于單片機(jī)的8位寄存器使得最大填充值為255，因此，當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定最大值1A時(shí)，將該寄存器的高位和低位分別賦予滿值，即輸出占空比為0，此時(shí)單片機(jī)關(guān)閉輸出，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)的電流下降至1A以下時(shí)，系統(tǒng)將繼續(xù)工作。該模塊的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-5所示。圖4-5驅(qū)動(dòng)控制程序流程圖程序代碼如下所示：/************PWM初始化*********/voidInit_pwm(){CCON=0;*[CMOD=0X08系統(tǒng)時(shí)鐘,0X02系統(tǒng)時(shí)鐘/2*/CL=0;/*,0X0A系統(tǒng)時(shí)鐘/4,0X0C系統(tǒng)時(shí)鐘/6*/CH=0;/*0X0E系統(tǒng)時(shí)鐘/8,0X00系統(tǒng)時(shí)鐘/12]/256=頻率*/CMOD=0X02;//0X02=21k,0a=21k,00=3k08=3kCCAP1H=CCAP1L=0XFF;CCAPM1=0X42;CR=1;/*PCA計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)*/}A=filter(1)/200;//讀取第一一個(gè)通道的ADC數(shù)字并計(jì)算CCAP1H=CCAP1L=255-A/5;//輸出對(duì)應(yīng)占空比的PWM1.5充電計(jì)時(shí)程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中增加了充電計(jì)時(shí)功能，其基本原理是在電路剛上電的一段時(shí)間內(nèi)，電路屬于空載狀態(tài)，此時(shí)電路中的電流較小，但剛上電的電路電流波動(dòng)較大，需要一段時(shí)間后電流才會(huì)穩(wěn)定在特定的數(shù)值范圍，而該數(shù)值隨著輸入電源的改變而改變，因此在程序的設(shè)計(jì)中并未設(shè)定為固定值。為了應(yīng)對(duì)這一變化，本設(shè)計(jì)在多次調(diào)試后發(fā)現(xiàn)在上電3秒后電路的電流值會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，程序通過(guò)ADC功能讀取穩(wěn)定的電流值并存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)電流發(fā)生突變后即認(rèn)為接收線圈已放上，此時(shí)為充電狀態(tài)；并同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器T0進(jìn)行充電計(jì)時(shí)，當(dāng)電路中的電流重新回到穩(wěn)定的初始值（允許一定范圍內(nèi)波動(dòng)）時(shí)就認(rèn)定充電結(jié)束，此時(shí)關(guān)閉計(jì)時(shí)器。單片機(jī)的外部晶振頻率為12MHZ，定時(shí)器的工作頻率配置為6MHZ，通過(guò)配置初值設(shè)定沒(méi)50ms進(jìn)入一次定時(shí)中斷，因此，當(dāng)進(jìn)入20次中斷后即認(rèn)為系統(tǒng)計(jì)時(shí)1s，該模塊的設(shè)計(jì)流程圖如圖4-6所示。圖4-6充電計(jì)時(shí)程序流程圖程序代碼如下所示：/***************************

*函數(shù)名:time0_init

*函數(shù)功能:定時(shí)器初始化

*函數(shù)參數(shù):無(wú)

*函數(shù)返回值:無(wú)

***************************/

voidtime0_init(void){TMOD=0x01;EA=1;ET0=1;TH0=(65536-50000)/256;//設(shè)置50ms定時(shí)TL0=(65536-50000)%256;TR0=1;}if(t1>=3&flag)//上電先穩(wěn)定3秒，然后在采集穩(wěn)定電流值i3,并記錄，關(guān)掉定時(shí)器{i3=C;flag=0;TR0=0;}if(t1>=60)//秒鐘到分鐘的切換{t1=0;t2++;}if((C>=(i3-3))&&(C<=(i3+3))){TR0=0;t1=0;t2=0;}voidtime0()interrupt1{TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;num++;if(num>=8){t1++;num=0;}1.6液晶顯示程序設(shè)計(jì)為了便于系統(tǒng)的調(diào)試以及系統(tǒng)的可交互性，本設(shè)計(jì)將系統(tǒng)的工作參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏LCD1602上，如輸入電壓、輸入電流、工作檔位、工作狀態(tài)以及充電時(shí)間等LCD1602程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于能夠嚴(yán)格遵守時(shí)序要求，同時(shí)應(yīng)注意寫(xiě)命令與數(shù)據(jù)的先后順序。與以往的8051單片機(jī)不同的是，STC12的P1端口同時(shí)也是ADC采集端口，因此，在上文中已經(jīng)占用了ADC通道，該部分在電路設(shè)計(jì)中已詳細(xì)闡述，所以在與液晶顯示屏進(jìn)行通信時(shí)，需將八位數(shù)據(jù)分兩次高四位與低四位進(jìn)行傳輸，因此只需將單片機(jī)P1端口的高四位與液晶顯示屏（D4~D7）相連接，同時(shí)由于本設(shè)計(jì)無(wú)需進(jìn)行讀操作，因此RW端口可以直接接地。本部分的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-7所示。圖4-7液晶顯示程序流程圖程序代碼如下所示：/*****************************液晶初始化*****************************/voidLCd_init(){write_1602(0,2);//設(shè)置4位數(shù)據(jù)接口write_1602(0,0x28);//顯示方式設(shè)置write_1602(0,0x0c);//整體顯示,關(guān)光標(biāo),不閃爍write_1602(0,0x06);//默認(rèn)(0x06)寫(xiě)入新數(shù)據(jù)后光標(biāo)右移屏幕不移動(dòng)write_1602(0,0x01);//顯示清0,數(shù)據(jù)指針清0}1.7本章小結(jié)第4章詳細(xì)介紹了本設(shè)計(jì)的幾個(gè)部分，分別為：無(wú)線充電驅(qū)動(dòng)控制子程序、充電計(jì)時(shí)子程序設(shè)計(jì)、電壓電流閉環(huán)控制子程序、充電功率調(diào)節(jié)子程序以及人機(jī)交互子程序設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)對(duì)ADC采集和濾波算法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本設(shè)計(jì)采用過(guò)壓過(guò)流保護(hù)使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，通過(guò)調(diào)節(jié)檔位使PWM占空比增大因此充電速度就越快，液晶顯示屏可以顯示電壓、電流大小，工作狀態(tài)和檔位。第2章系統(tǒng)仿真與調(diào)試2.1系統(tǒng)仿真驗(yàn)證2.1.1仿真模型設(shè)計(jì)在上文中以對(duì)系統(tǒng)的硬件方案選擇、電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)的闡述，同時(shí)完成了各子程序的編寫(xiě)，但方案的可行性仍然需要進(jìn)一步驗(yàn)證，其意義在于既要實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件方案的驗(yàn)證，也能夠完成對(duì)軟件程序邏輯的驗(yàn)證，因此，本設(shè)計(jì)使用Protues仿真軟件，并搭建仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于本設(shè)計(jì)使用的是STC12單片機(jī)。而在protues中并不支持該款單片機(jī)，因此該仿真模型中選用與STC12功能相近的STC15單片機(jī)作為主控芯片，STC15單片機(jī)自帶ADC采集功能，但由于該軟件對(duì)STC單片機(jī)的支持并不十分完善，因此本設(shè)計(jì)選用ADC0808芯片采集電路中的電壓與電流。同時(shí)電路參數(shù)設(shè)置與原電路設(shè)計(jì)參數(shù)相同。本系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)圖如圖5-1所示。圖5-1系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)圖2.1.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1.主電路仿真驗(yàn)證本設(shè)計(jì)模型輸入電源設(shè)置為12V，諧振電容選取為220nf，線圈感值為23uh，在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，線圈兩端的波形如圖5-2所示，其中線圈下方的波形為單片機(jī)輸出的PWM波。圖5-2線圈兩端波形圖經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，線圈兩端的信號(hào)頻率與理論計(jì)算值23Khz基本吻合，同時(shí)本設(shè)計(jì)也將在下文中通過(guò)實(shí)物調(diào)試來(lái)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2.電壓電流檢測(cè)電路仿真驗(yàn)證本設(shè)計(jì)由于使用了ADC0808芯片進(jìn)行了電壓與電流的采集，因此需為該芯片提供工作時(shí)鐘脈沖，其頻率選用典型值600KHZ，波形如圖5-3所示。圖5-3波形圖在完成仿真電路的搭建之后，運(yùn)行系統(tǒng)驗(yàn)證電壓電流采樣的精確度。本文選擇輸入電壓進(jìn)行驗(yàn)證，由上文可知，本設(shè)計(jì)輸入電壓定位12V，電阻分壓比為2:1，因此單片機(jī)的采樣電壓為4v與仿真模型的3.99V基本吻合，由液晶顯示可知計(jì)算后的電壓值為12.2V，這是由于在計(jì)算的過(guò)程中精度的損失造成的，且在允許的范圍內(nèi)。液晶顯示屏顯示數(shù)值如圖5-4所示。圖5-4液晶屏顯示數(shù)值3.計(jì)時(shí)模塊驗(yàn)證本系統(tǒng)使用的晶振為12MHZ，定時(shí)器的工作頻率為6Mhz，程序中設(shè)計(jì)為每隔50ms進(jìn)入定時(shí)中斷一次，在仿真實(shí)驗(yàn)中通過(guò)觀察軟件的運(yùn)行時(shí)間與液晶顯示屏的顯示時(shí)間是否一致，就可以判定系統(tǒng)定時(shí)器是否正常工作。液晶顯示屏顯示數(shù)值如圖5-5所示。圖5-5液晶屏顯示數(shù)值通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以觀察到，液晶顯示為6S，此時(shí)系統(tǒng)的仿真時(shí)間為6.9S<7S，因此，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地完成定時(shí)任務(wù)。4.顯示電路仿真驗(yàn)證通過(guò)仿真驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，顯示電路能夠精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，因此，該部分的電路和子程序設(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。顯示電路實(shí)時(shí)顯示參數(shù)值如圖5-6所示。圖5-6電路實(shí)時(shí)顯示參數(shù)值2.2發(fā)射端電路測(cè)試發(fā)射端測(cè)試的主要內(nèi)容為以下四個(gè)部分，分別顯示模塊測(cè)試、主電路模塊測(cè)試、功率調(diào)節(jié)模塊，電流電壓采集模塊測(cè)試。2.2.1顯示模塊測(cè)試本設(shè)計(jì)要求在LCD1602液晶顯示屏的對(duì)應(yīng)位置上準(zhǔn)確顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，如輸入電壓值、電流值、工作狀態(tài)等，同時(shí)驗(yàn)證顯示的內(nèi)容是否完整無(wú)誤。顯示模塊顯示圖如圖5-7所示。圖5-7顯示模塊顯示圖通過(guò)上圖可知，系統(tǒng)的顯示模塊能夠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)顯示的參數(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤。2.2.2主電路模塊測(cè)試本部分的測(cè)試內(nèi)容主要為單片機(jī)輸出PWM波的測(cè)試以及線圈兩端波形的測(cè)試。1.單片機(jī)輸出PWM波測(cè)試本設(shè)計(jì)使用STC12單片機(jī)的P3.5口（PWM1）來(lái)輸出特定頻率的PWM波。本測(cè)試使用示波器測(cè)試PWM能夠輸出設(shè)定頻率的PWM波，MOS管能否按照預(yù)期打開(kāi)工作。下圖為MOS柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，通過(guò)分析可知，單片機(jī)能夠準(zhǔn)確輸出占空比可調(diào)的PWM波。PWM波形圖如圖5-8所示。圖5-8PWM波形圖2.線圈波形測(cè)試線圈兩端并聯(lián)了諧振電容，該電容的容值大小為220nf，當(dāng)電路開(kāi)始工作后兩者處于諧振狀態(tài)，隨著MOS管的開(kāi)通與關(guān)斷，電感兩端的波形將不斷變化，當(dāng)MOS開(kāi)通時(shí)，電感充電，電容放電；當(dāng)MOS關(guān)端后，電感保持相同電流方向，給電容充電，在實(shí)際的測(cè)試中會(huì)發(fā)現(xiàn)，電感線圈兩端的波形并非完全對(duì)稱，其原因是諧振電容與電感值的大小并非與理論值完全一致，因此，波形不完全對(duì)稱在允許范圍內(nèi)。電感線圈兩端的信號(hào)波形測(cè)試圖如圖5-9所示。圖5-9電感線圈兩端的信號(hào)波形測(cè)試圖2.2.3功率調(diào)節(jié)電路測(cè)試本部分的測(cè)試內(nèi)容為調(diào)節(jié)電位器旋鈕，觀察液晶顯示屏的檔位是否跟隨變化，同時(shí)，隨著功率的增加，在輸入電壓不變的情況下，電路電流也將發(fā)生變化。實(shí)際操作圖如圖5-10所示。圖5-10實(shí)際