基于MSP430單片機(jī)的無線充電器設(shè)計(jì)

　　引言

　　目前，手機(jī)、MP3和筆記本 電腦等便攜式電子設(shè)備進(jìn)行充電主要采用的是一端連 接交流電源，另一端連接便攜式電子設(shè)備充電電池的傳統(tǒng)充電方式。這種方式有很多不利 的地方，如頻繁的插拔很容易損壞接頭，也可能帶來觸電的危險(xiǎn)等。因此，非接觸式感應(yīng)充電器在上個(gè)世紀(jì)末期誕生。憑借其攜帶方便、成本低、無需布線等優(yōu)勢(shì)迅速受到各界關(guān)注。實(shí)現(xiàn)無線充電，能量傳輸效率高，便于攜帶成為充電系統(tǒng)的研究方向之一 。本設(shè)計(jì)就是一個(gè)由能量發(fā)送單元和能量接收單元兩大部分組成，利用電磁感應(yīng)原理 實(shí)現(xiàn)電能無線傳遞的充電器。

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 器件選擇

　　本無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是用線圈耦合方式傳遞能量，使接收單元接收到足夠的電能，以保證后續(xù)電路能量的供給。由于無線傳電電壓隨能量發(fā)送單元和接收單元耦合線圈的間距D在測試中需要改變，而充電時(shí)間相對(duì)固定，便于控制，所以充電方式上選擇固定電流充電的恒流充電方案。在器件選擇上選擇有多種省電模式，功耗特別省，抗干擾力特強(qiáng)的 MSP430系列超低功耗單片機(jī)MSP430F2274作為無線傳能充電器的監(jiān)測控制核心芯片，電壓和充電時(shí)間顯示采用低功耗OCM126864—9液晶屏，以提高充電電路的能量利用效率。

　　1.2 系統(tǒng)框圖

　　無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理，通過線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。如圖1所示，系統(tǒng)工作時(shí)輸人端將交流市 電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用24V直流電端直接為系統(tǒng)供電。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈靠近時(shí)，在接收線圈中產(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，具有最好的能量傳輸效果。通過 2個(gè)電感線圈耦合能量，次級(jí)線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為電池充電。

　　1.3 單元電路設(shè)計(jì)

　　1.3.1 電源切換

　　直流輸入采用單刀雙閘繼電器，交流上電常開閉合，常閉打開實(shí)現(xiàn)交流優(yōu)先，交流斷電繼電器斷電，常閉閉合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。在切換時(shí)，時(shí)間很短，C1可提供一定時(shí)間的電量，可以實(shí)現(xiàn)不斷電切換，不影響充電。見圖2所示 。

　　1.3.2發(fā)射及接收電路

　　發(fā)射電路由振蕩信號(hào)發(fā)生器和諧振功率放大器兩部分組成， 見圖3所示。采用NE555構(gòu)成振蕩頻率約為510KHZ信號(hào)發(fā)生器 ，為功放電路提供激勵(lì)信號(hào)；諧振功率放大器由Lc并聯(lián)諧振回路和開關(guān)管IRF840構(gòu)成。振蕩線圈按要求用直徑為0.8mm的漆包線密繞2O圈，直徑約為6.5cm，實(shí)測電感值約為142uH ，由， 當(dāng)諧振在510KHZ時(shí)，與其并聯(lián)的電容c5、c6 約為680P，可用470pF的固定電容并聯(lián)一個(gè)200PF的可調(diào)電容，可方便調(diào)節(jié)諧振頻率。

　　大功率管TRF840最大電流為8A、完全開啟時(shí)內(nèi)阻為0.85歐，管子發(fā)熱量大，所以需要加裝散熱片。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)線圈中的電壓和電流達(dá)最大值，從而產(chǎn)生最大的交變電磁場。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈靠近時(shí)，在接收線圈中產(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4所示的諧振回路。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)，具有最好的能量傳輸效果。

1.3.3 充電電路

　　如圖5所示，電能經(jīng)過線圈接收后，高頻交流電壓經(jīng)快速二極1N4148進(jìn)行全波整流，3300F的電容濾波，再用5.1v壓二極管穩(wěn)壓，輸出直流電為充電器提供較為穩(wěn)定的工作電壓。

　　因?yàn)?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20161101/327209_1_6.jpg" style="border: 0px; height: 18px; width: 100px;">， 為了準(zhǔn)確控制充電時(shí)間，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用恒流充電的方法，可以保證充電電流大致為一常數(shù)I，上述電容電壓與時(shí)間的關(guān)系可表示為：。 根據(jù)題設(shè)要求，充電時(shí)間應(yīng)滿足快充小于30s，慢充控制在100到140S ， 計(jì)算出快充、慢充所需 電流大小快I1慢I2： 分別為 ：

　　圖 5中二極管 D1、 D2的導(dǎo)通電壓基本不變 ，故可作為電壓基準(zhǔn) ， 約為 1.4 V。各電壓關(guān)系為：

　　可見在恒流充電電路中，充電電流僅由電阻R1、R2確定。計(jì)算中約定U=0.7充電電流Ic（ 三極管集電極電流）Ie，計(jì)算出快充、慢充所需電阻R1、R2分別為 ：

　　設(shè)計(jì)中采用可調(diào)電阻， 可調(diào)節(jié)充電電流的大小 。
1 .3. 4 整機(jī)電路原理圖

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì) 的主要任務(wù)是對(duì)充電過程的監(jiān)視及充電電路的控制。具體方法是：利用 MSP430單片機(jī) 自帶的A D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)檢測充電電池上的電壓，到規(guī)定電壓時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，斷充電電路?；贛SP430較高的速度、高精度的AD轉(zhuǎn)換器、功能豐富的定時(shí)器等資源特點(diǎn)， 我們?cè)贚CD上設(shè)計(jì)了充電進(jìn)度條的繪制、實(shí)時(shí)充電電壓顯示、充電時(shí)間顯示等內(nèi)容。其中進(jìn)度條的繪制需要定性反映實(shí)時(shí)電壓大小，我們采用的方法是根據(jù)電壓值計(jì)算出坐標(biāo)，并調(diào)用自己設(shè)計(jì)的畫直線函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制，效果逼真（ 見圖7、圖8 ） 。

　　3 功能的實(shí)現(xiàn)情況

　　本無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用220V /50HZ交流供電，24V直流供電，自動(dòng)切換交、直流供電電源； 具有快充、慢充功能，當(dāng)距離D> 2cm時(shí)， 快充時(shí)間<30s，當(dāng)距離D>2cm時(shí)，慢充時(shí)間 <120s。系統(tǒng)充滿后顯示，自動(dòng)關(guān)斷充電。如表1所示 。

　　4 結(jié) 語

　　充電效率是一個(gè)不得不考慮的問題。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以在發(fā)射接收電路的能量傳輸部分做適當(dāng)改進(jìn)，以獲得更高的效率和更遠(yuǎn)的距離；也可以設(shè)計(jì)充電設(shè)備檢測電路，在沒有能量接收電路時(shí)能量發(fā)送部分處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)能量接收電路靠近發(fā)送部分時(shí)，激活發(fā)射電路開始充電。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有無線充電、攜帶方便、成本低、無需布線等優(yōu)勢(shì)，有著廣泛的應(yīng)用前景。