采用MCU控制的藍牙無線充電系統(tǒng)設計-技術方案

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目前市場上的電子產品層出不窮，各種電子產品的充電器也多種多樣，這樣既浪費資源，又不利于環(huán)保，更重要的是這些充電器不具備通用性，不方便用戶的使用。日常生活中，經常會遇到手機、電腦等電量不足，急需充電的情況，而且不可能隨時攜帶充電器，導致手機充電很麻煩。有了無線充電技術就可以在很大程度上減少這種麻煩。因此，設計基于MSP430F149的藍牙無線充電系統(tǒng)，擺脫以往電線的束縛，解決電子產品充電接口不兼容的問題。該設計具有攜帶方便、成本低、無需布線等優(yōu)勢，適用于各手持移動設備以及小型用電器，不但環(huán)保并且方便了廣大的用戶。

1整體方案設計

方案的主要任務是利用MCUMSP430F149控制藍牙模塊，實現藍牙手機與藍牙模塊的匹配，或者藍牙模塊之間的匹配。通過發(fā)射電路的單片機控制AD9851產生PWM波，控制IR2110產生100kHz的方波作為激勵信號，驅動功率放大電路放大功率，并且其激勵信號頻率與線圈設定好的固有頻率接近時便產生諧振，能量便可以由發(fā)送端向接收端傳送，接收到的能量經過整流穩(wěn)壓電路實現恒壓輸出。當匹配成功后，通過接收電路的單片機控制TP4056充電管理模塊實現為鋰電池充電，電能充滿后給出提示且自動停止充電。并通過電壓電流檢測模塊，實時檢測充電時的電壓與電流。整個充電過程可以通過按鍵進行控制，實現藍牙配對連接、斷開和藍牙關閉功能，并具有液晶顯示功能。

2硬件電路設計

2.1硬件總體設計

整個系統(tǒng)主要由藍牙發(fā)射與接收模塊、磁耦合諧振模塊、電壓電流檢測模塊、顯示與按鍵控制模塊、充電管理模塊、單片機控制電路和系統(tǒng)供電組成。藍牙發(fā)射與接收模塊采用BC04MM藍牙模塊；磁耦合諧振模塊由AD9851產生PWM波電路、IR2110驅動電路、線圈發(fā)射及接收電路和整流穩(wěn)壓電路組成；充電管理模塊采用TP4056產生4.2V/500mA的恒定電流/恒定電壓輸出；無線發(fā)送部分和無線接收部分的單片機控制電路主要完成藍牙模塊的控制、電壓電流的采集和實現按鍵模塊的控制功能等。藍牙無線充電系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1藍牙無線充電系統(tǒng)設計框圖

2.2藍牙發(fā)射與接收模塊

BC04MM藍牙模塊支持UART，USB，SPI等接口，并支持SPP藍牙串口協議，可以方便與PC機的藍牙設備相連，也可以實現兩個模塊之間的數據互通。而且由于體積小、功耗低，可以集成到其他設備中或隨身攜帶。

2.3磁耦合諧振模塊

磁耦合諧振技術是一種以電磁場為媒介，利用兩個或多個具有相同諧振頻率、高品質因素的電磁諧振系統(tǒng)。該模塊是無線充電系統(tǒng)的關鍵，可分為發(fā)射電路和接收電路。其中發(fā)射電路由驅動電路和功率放大電路構成。通過單片機控制AD9851產生PWM信號，控制IR2110工作，產生100kHz的方波作為激勵信號，驅動諧振功率放大電路。

諧振功率放大電路由IRF540開關管和LC并聯諧振電路構成。其中振蕩線圈選用直徑為3.8cm，電感值為30μH的線圈，發(fā)射電路如圖2所示。

圖2驅動電路和功率放大電路

磁耦合諧振模塊中的接收電路由LC串聯電路、整流電路和穩(wěn)壓電路構成。LC串聯電路中的接收線圈型號與發(fā)射線圈相同，當激勵信號頻率和線圈設定好的固有頻率接近時便會發(fā)生諧振，能量便可以由發(fā)送端向接收端傳送。整流電路選用肖特基管SS34構成全波整流電路，將交流信號轉化成直流信號。穩(wěn)壓電路由LM2596及其外圍電路構成，因經過全波整流后輸出電壓過高并且?guī)ж撦d時不穩(wěn)定，所以需要通過LM2596降壓實現8V的恒壓輸出，為后級電路提供穩(wěn)定的電源。

2.4充電管理模塊

該模塊采用充電管理芯片TP4056，該芯片是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，具有充電提示和自動停止充電功能。將該芯片的使能端與單片機上的P5.3腳連接，通過單片機控制該芯片工作，在PROG腳接一個1.5kΩ的電阻接地設定BAT腳的輸出電流。通過實際電路測試，BAT腳可實現4.2V/500mA輸出。

2.5單片機控制電路

單片機控制電路主要實現如下功能：

（1）通過MCUUART接口發(fā)送數據和控制命令控制藍牙模塊，實現藍牙模塊之間的匹配；通過發(fā)送部分單片機控制AD9851產生PWM波；通過接收部分單片機的P5.3口控制TP4056使能端；通過無線接收部分單片機的內部ADC12模塊采集充電電流和電壓。

（2）控制和顯示電路配置在P1，P2，P5端口，無線發(fā)射部分單片機主要完成讀取按鍵相應的操作，控制系統(tǒng)實現配對、連接、斷開和藍牙關閉功能，并通過LCD1602實時顯示。

3軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分主要包括無線發(fā)送部分軟件設計和無線接收部分軟件設計。

無線發(fā)送部分軟件設計主要完成：系統(tǒng)初始化、檢測按鍵、控制藍牙模塊收發(fā)數據、控制AD9851工作等，如圖3所示。

無線接收部分軟件設計主要完成：系統(tǒng)初始化，控制藍牙收發(fā)數據，實時檢測電壓電流數據，控制TP4056工作和LCD1602顯示，如圖4所示。

圖