【電子電路設(shè)計與工藝設(shè)計：無線充電的智能臺燈設(shè)計9600字】

電子電路設(shè)計與工藝設(shè)計：無線充電的智能臺燈設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u7291引言 引言在19世紀初，法拉第總結(jié)出線圈會因為周圍磁場變化而產(chǎn)生電能這一結(jié)論。十九世紀末，特斯拉提出無線電傳輸?shù)牟孪?；香港城市大學(xué)教授很早以前就研究過無線充電，不過他終究還是需要貼合充電，沒有辦法真正離開充電器充電?？茖W(xué)家們一心鉆研無線供電技術(shù)，因此需要解決無線供電的傳輸效率問題，隨著經(jīng)濟水平的提高以及人們思想的覺悟，越來越多公司開始將資本投入無線供電技術(shù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)公司也開始更新推出自己的產(chǎn)品。如今所有電子設(shè)備充電方式都是通過數(shù)據(jù)線來實現(xiàn)電能的有效傳輸，既一端與交流電源連接,另一端與平板，手機，筆記本電腦等電子設(shè)備相連接進行充電。這種充電方式存在許多不安全隱患，如損壞充電接口造成漏電的危險。無線充電采用無線電源技術(shù)這種新的能量傳輸技術(shù)。這項技術(shù)可以消除線覽充電的限制，并將充電設(shè)備與電源分開，減少了不安全性，具有比傳統(tǒng)充電器更好的優(yōu)勢。在如今這個得科學(xué)技術(shù)者得天下的社會，無線充電技術(shù)的發(fā)展道路非常寬廣。2硬件方案設(shè)計2.1總體框架本設(shè)計由51單片機、發(fā)射及接收主回路還有穩(wěn)壓組成?？傮w設(shè)計結(jié)構(gòu)框架如圖3-1所示。圖3-1總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框架圖3.2發(fā)射端電路的選擇3.2.1主控單元硬件設(shè)計STC12C2052AD單片機是由宏晶科技設(shè)計所研究出來，它是一種市面上極其少見的8051單片機，它具有單元時鐘/機器周期（1T）。與此同時，該單片機還具有許多明顯的特征：超強加密，損耗十分低，成本超級低，而且其抗靜電能力強，抗干擾能力強，普通的8051單片機可以被該類單片機完全兼容。并且該類單片機的速度遠遠快過于普通的8051單片機，其速度約為普通型的8-12倍。由此可以看出STC12C2052AD單片機的速度之快。這種類型的單片機還擁有專門的集成復(fù)位電路。STC12C2052AD單片機的實物如圖3-2所示。圖3-2STC12C2052AD單片機實物3.2.2電路供電電源的選擇電路采用7805芯片，該芯片搭建穩(wěn)壓電源僅需極少的原件，該電路包含保護電路，其輸出的電壓值穩(wěn)定。因要考慮功率損耗問題，故我們首先考慮將輸入電壓設(shè)置為9-15v。該電路中，電流流過負載后相較于同一點點位變化為2.5v，完全符合要求即可以運用。7805應(yīng)用電路如圖3-3所示。圖3-37805應(yīng)用電路3.2.3LC振蕩電路設(shè)計無線充電也就是電磁波的發(fā)射與接收，為了有效地發(fā)射電磁波，可將普通的LC電路改成開放電路。原因一是為了將電場和磁場敞開，原因二提高LC電路的振蕩頻率，振蕩頻率提高有助于發(fā)送電磁波。電磁感應(yīng)式和磁共振式分別如圖3-4和3-5所示。圖3-4電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)即初級線圈發(fā)射交變磁場被次級線圈切割，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種現(xiàn)象類似于琴弦震動，震動波會傳遞給周邊的物體，但是距離遠了傳遞效果就會變得極差。圖3-5磁共振磁共振是在次級線圈上再并或串一個電容，初級線圈交流電頻率和次級線圈諧振頻率相同，就可產(chǎn)生共振。這種現(xiàn)象就像兩根一模一樣的弦，撥動一根，另一個很容易跟著振。為了使距離拉開后依然可以快速高效的傳輸電力，因此本設(shè)計有別于上述的電磁感應(yīng)原理。本設(shè)計采用LC振蕩電路，如圖3-6所示。圖3-6LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)3.2.4MOS控制電路Q1為N溝道場效應(yīng)管IRF540（110v/33A/40mΩ），啟動電壓小于5V，MOS可直接被單片機內(nèi)的PWM端口直接控制。將L2線圈做出調(diào)整，C20電容與該線圈并聯(lián)，即可使電路處在諧振的狀態(tài)。由于MOS工作時所散發(fā)出的熱量不多，因此我們不必加大散熱片的使用，這樣也有效的縮減了成本。接收端作用于發(fā)射端，因此當(dāng)接收端不在時，發(fā)射端的能量將無法發(fā)送，所以此時系統(tǒng)將處于低待機功耗的狀態(tài)。在放大電路中放置電阻R4來減小瞬間電流。此方法可以保護PWM端口免遭破壞。下拉電阻R6的作用是預(yù)防MOS管意外打開。功率放大電路和IRF540的柵極電壓與漏極電流的關(guān)系分別如圖3-7和3-8所示。圖3-7發(fā)射端功率放大電路圖3-8IRF540的柵極電壓與漏極電流的關(guān)系圖3.2.5設(shè)計單片機與按鍵接口的電路方案一：按鍵。按鍵的輸入值不夠多樣化，因此使用按鍵來控制電路的方法不夠靈活。方案二：電位器?？奢斎攵鄠€數(shù)值，且數(shù)值易于設(shè)計人員觀察。綜上所述，方案二更優(yōu)。按鍵電路如圖3-9所示。圖3-9按鍵電路3.2.6液晶顯示模塊本設(shè)計采用的是1602液晶顯示。當(dāng)有很小的電流流經(jīng)液晶時，大量的信息就可以被顯示，因此只需簡單電路即可。該液晶顯示屏上可以顯示輸入電壓Ui、輸出電壓Uo、電流I和工作狀態(tài)。LCD1602液晶顯示如圖所示。圖3-101602液晶顯示3.2.7電流檢測電路方案一：使用霍爾電流傳感器檢測電路。當(dāng)電流流過傳感器時，線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)電流變化時，磁場也跟著變化。因此通過檢測電壓值的變化就可知道電流值的大小。方案二：采用電阻分壓檢測電路。采用“串聯(lián)分壓”的原理，計算出電阻兩端的電壓值，從而獲得電流值。該方法淺顯易懂，容易操作。本設(shè)計采用電流檢測電路對輸出電壓和電流進行實時監(jiān)測，為了方便MCU數(shù)據(jù)收集，電路采用放大電路，將電壓放大并輸入到MCU的ADC端口。電流檢測電路如圖3-11所示。圖3-11電流檢測電路LM358模塊適用范圍很廣，不僅常運用在對電壓限度要求很低的單電源上，也可用于雙電源工作。LM358引腳圖及其功能如圖3-12所示。圖3-12LM358引腳圖及引腳功能圖安全前提下，設(shè)保護電流1A，5V電壓供電，電壓差為1.2V，故輸出最大電壓：(3-1)1A電流流過0.05Ω電阻所得電壓為：(3-2)因此運放電路中的放大倍數(shù)應(yīng)該小于：(3-3)假設(shè)R22=33K，R20=1K，放大倍數(shù)為：(3-4)滿足，故當(dāng)電流為2A時，輸出電壓為：(3-5)3.2.8電壓檢測電路輸入電壓9V>最高電壓5V，所以電壓采樣使用電阻比例：(3-6)假設(shè)R11=22K，R16=4.7K，放大倍數(shù)為：(3-7)滿足，故當(dāng)輸入電壓為9V時，電壓為：(3-8)電壓檢測電路如圖3-13所示。圖3-13電壓檢測電路3.3接收端電路的選擇3.3.1整流電路設(shè)計整流電路的作用就是把電路中的交流電轉(zhuǎn)換成直流電。整流濾波電路如圖3-14所示，L1為次級線圈，當(dāng)輸入電壓在正半周期，電流方向：L1-D2-負載-D12,當(dāng)輸入電壓在負半周期，電流方向：L1-D3-負載-D11。電路中的2個二極管同時導(dǎo)通，可用肖特基組成的整流橋進行全波整流。無線充電效率之所以不高是因為單個肖特基壓降為0.55V，因此電路中將產(chǎn)生1.1V的電壓降。圖3-14整流濾波電路肖特基二極管簡稱SBD，其特點是：反向恢復(fù)時間極短，正向?qū)妷航祪H約0.4V。3.3.2濾波電路設(shè)計交流單極脈沖信號是通過調(diào)節(jié)交流電來實現(xiàn)的，用來得到平緩的直流電壓信號，濾波電路可將直流電壓中的交流成分降到最低，便于得到平滑波形。有了濾波電路，負載電流和電壓波動變小，波形變平滑。濾波電容大小和負載電阻的大小與電容放電的速度成反比。本設(shè)計需要依照被整流電壓周期和負載電阻的大小來確定濾波電容荷壓比的數(shù)值。由于本設(shè)計中的開關(guān)頻率為23KHz，為確保電路能夠正常運行，需要用到2個大小為100μF的電容。3.3.3穩(wěn)壓電路設(shè)計穩(wěn)壓電路需要穩(wěn)壓二極管，簡稱穩(wěn)壓管。當(dāng)穩(wěn)壓二極管反向擊穿時，其兩端的電壓基本保持不變，這種特性被稱為穩(wěn)壓特性。該二極管應(yīng)用范圍廣泛如：穩(wěn)壓電源、限幅電路。為在高壓上使用穩(wěn)壓管，我們可以將多個穩(wěn)壓二極管并聯(lián)使用，由“并聯(lián)分壓”可知：每個穩(wěn)壓二極管將分得所需要的電壓。ZM4733A的電壓電流特性如圖3-15所示。圖3-15ZM4733A的電壓電流特性圖將7個1W的1N4733穩(wěn)壓器并聯(lián)。不充電時，二極管發(fā)熱消耗能量。充電時，接收端電壓降低，處于恒流工作狀態(tài)。充電速度的高低取決于當(dāng)時電流大小。當(dāng)濾波耐壓遠小于沒接負載時的接收電壓，7805失效。輸出電壓的大小與7805是否有效密切相關(guān)。當(dāng)輸出電壓在35V以內(nèi)時，7805基本不會失效。所以本設(shè)計將穩(wěn)壓二極管與負載并聯(lián)，這種方法可以提高電路的穩(wěn)定性。輸出端并聯(lián)穩(wěn)壓電路如圖3-16所示。圖3-16輸出端并聯(lián)穩(wěn)壓電路3系統(tǒng)軟件方案設(shè)計3.1軟件流程設(shè)計上文針對系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計作了具體闡述，本系統(tǒng)從軟件設(shè)計上一共分為以下幾個部分，分別為：無線充電驅(qū)動控制子程序、充電計時子程序設(shè)計、電壓電流閉環(huán)控制子程序、充電功率調(diào)節(jié)子程序以及人機交互子程序設(shè)計。其中，充電驅(qū)動控制子程序的作用在于輸出特定占空比的PWM波來控制MOS管的開關(guān)；充電計時子程序能夠檢測電路中發(fā)射模塊的功率突變來判斷接收線圈是否處于充電狀態(tài)；電壓電流檢測電路為系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供過流過壓保護。充電功率調(diào)節(jié)子程序的作用在于能夠通過外部旋鈕來調(diào)整輸出的功率檔位，即充電速度的快慢。同時為了提升系統(tǒng)的可操作性，本系統(tǒng)增加了人機交互模塊，將系統(tǒng)的工作狀態(tài)及參數(shù)通過液晶屏幕顯示。本設(shè)計的軟件工作流程圖如圖4-1所示，同時下文將按照程序流程對各子模塊設(shè)計作詳細闡述。圖4-1軟件工作流程圖4.2電壓電流檢測程序設(shè)計4.2.1濾波算法設(shè)計本系統(tǒng)中的電路工作頻率較高，使得電路中的電壓電流波動較大，同時，由于系統(tǒng)使用的8位ADC的采樣精度有限，因此，通過前期的預(yù)測試發(fā)現(xiàn)，單片機采集的電流電壓數(shù)據(jù)波動較大，測量的數(shù)據(jù)中通常含有多種難以測量的噪聲干擾，所以，在本系統(tǒng)的實際軟件設(shè)計中，使用各種濾波算法對ADC采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理，將數(shù)據(jù)平滑化，更加有利于單片機的輸出控制。本設(shè)計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。該算法對于隨機干擾噪聲有著較好的濾波效果，但由于多次取值測量，使得系統(tǒng)的實時性較差，通知增加了系統(tǒng)的計算量。本系統(tǒng)對實時性要求較低，同時STC12系列單片機具有高速運算能力，因此均值濾波能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。在本設(shè)計中，選取N值為200，濾波算法的程序設(shè)計流程圖如圖4-2所示。圖4-2濾波算法程序設(shè)計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);}4.2.2電壓電流檢測程序設(shè)計電壓電流檢測是各子程序模塊執(zhí)行的基礎(chǔ)，本設(shè)計通過使用單片機的ADC采集端口，將電路中的輸入電壓、輸出電流等進行采樣，通過采樣標(biāo)志位來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)計流程圖如圖4-3所示。圖4-3電壓電流檢測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);}4.2.3過壓過流保護程序設(shè)計上文對ADC采集流程、濾波算法作了詳細的闡述，通常，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作的前提是擁有完善的保護機制，當(dāng)電路中電流超出設(shè)定值時，系統(tǒng)應(yīng)能夠自動鎖定，限制住電流或電壓的過增，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ADC采集獲取經(jīng)過分壓或放大后的電壓與電流值，并除以相對應(yīng)的放大倍數(shù)以此得到電路中實時的電流電壓值，其中放大倍數(shù)的計算方式在上文中已詳細闡述。程序代碼如下所示：A=filter(1)/200;//讀取第一個通道的ADC數(shù)字并計算B=filter(0)/179;//計算輸入電壓C=filter(2)/170;//計算輸出電流i1=C;//記錄當(dāng)前狀態(tài)的電流值

CCAP1H=CCAP1L=255-A/5;//輸出對應(yīng)占空比的PWMif(C>100)//當(dāng)電流值超過1A時,進行保護{hz_IcdDis(0,9,"OCP");//顯示Overcurrent,過流保護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)射端開啟

}4.3充電功率調(diào)節(jié)程序設(shè)計本設(shè)計在硬件上增加了10K阻值的電位器，通過調(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ADC采集端口即可獲得該電壓值。本設(shè)計將5V電壓劃分為25個檔位，中間引腳的電壓越高即代表檔位越高，此時輸出PWM的占空比越大，充電功率越大，也就是說此時的充電速度越快，該部分的程序設(shè)計流程圖如圖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;//輸出對應(yīng)占空比的PWM4.4驅(qū)動控制程序設(shè)計驅(qū)動控制子程序的作用是通過配置單片機的PWM寄存器輸出特定占空比的PWM波，以此來控制電路中MOS管的開關(guān)，將電路中的直流電轉(zhuǎn)換成脈動電壓。本系統(tǒng)使用的STC12單片機配置簡單，完成PWM寄存器初始配置后，通過調(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），配置無中斷輸出CCAPM1=0X42;同時由于單片機的8位寄存器使得最大填充值為255，因此，當(dāng)電流達到設(shè)定最大值1A時，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，此時單片機關(guān)閉輸出，系統(tǒng)進入保護狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)的電流下降至1A以下時，系統(tǒng)將繼續(xù)工作。該模塊的程序設(shè)計流程圖如圖4-5所示。圖4-5驅(qū)動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)時鐘,0X02系統(tǒng)時鐘/2*/CL=0;/*,0X0A系統(tǒng)時鐘/4,0X0C系統(tǒng)時鐘/6*/CH=0;/*0X0E系統(tǒng)時鐘/8,0X00系統(tǒng)時鐘/12]/256=頻率*/CMOD=0X02;//0X02=21k,0a=21k,00=3k08=3kCCAP1H=CCAP1L=0XFF;CCAPM1=0X42;CR=1;/*PCA計數(shù)器停止計數(shù)*/}A=filter(1)/200;//讀取第一一個通道的ADC數(shù)字并計算CCAP1H=CCAP1L=255-A/5;//輸出對應(yīng)占空比的PWM4.5充電計時程序設(shè)計本設(shè)計中增加了充電計時功能，其基本原理是在電路剛上電的一段時間內(nèi)，電路屬于空載狀態(tài)，此時電路中的電流較小，但剛上電的電路電流波動較大，需要一段時間后電流才會穩(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)計中并未設(shè)定為固定值。為了應(yīng)對這一變化，本設(shè)計在多次調(diào)試后發(fā)現(xiàn)在上電3秒后電路的電流值會穩(wěn)定下來，程序通過ADC功能讀取穩(wěn)定的電流值并存儲起來，當(dāng)電流發(fā)生突變后即認為接收線圈已放上，此時為充電狀態(tài)；并同時打開定時器T0進行充電計時，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）時就認定充電結(jié)束，此時關(guān)閉計時器。單片機的外部晶振頻率為12MHZ，定時器的工作頻率配置為6MHZ，通過配置初值設(shè)定沒50ms進入一次定時中斷，因此，當(dāng)進入20次中斷后即認為系統(tǒng)計時1s，該模塊的設(shè)計流程圖如圖4-6所示。圖4-6充電計時程序流程圖程序代碼如下所示：/***************************

*函數(shù)名:time0_init

*函數(shù)功能:定時器初始化

*函數(shù)參數(shù):無

*函數(shù)返回值:無

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

voidtime0_init(void){TMOD=0x01;EA=1;ET0=1;TH0=(65536-50000)/256;//設(shè)置50ms定時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;}4.6液晶顯示程序設(shè)計為了便于系統(tǒng)的調(diào)試以及系統(tǒng)的可交互性，本設(shè)計將系統(tǒng)的工作參數(shù)實時顯示在液晶顯示屏LCD1602上，如輸入電壓、輸入電流、工作檔位、工作狀態(tài)以及充電時間等LCD1602程序設(shè)計的關(guān)鍵在于能夠嚴格遵守時序要求，同時應(yīng)注意寫命令與數(shù)據(jù)的先后順序。與以往的8051單片機不同的是，STC12的P1端口同時也是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)計中已詳細闡述，所以在與液晶顯示屏進行通信時，需將八位數(shù)據(jù)分兩次高四位與低四位進行傳輸，因此只需將單片機P1端口的高四位與液晶顯示屏（D4~D7）相連接，同時由于本設(shè)計無需進行讀操作，因此RW端口可以直接接地。本部分的程序設(shè)計流程圖如圖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(0x06)寫入新數(shù)據(jù)后光標(biāo)右移屏幕不移動write_1602(0,0x01);//顯示清0,數(shù)據(jù)指針清0}4系統(tǒng)仿真與調(diào)試5.1系統(tǒng)仿真驗證5.1.1仿真模型設(shè)計在上文中以對系統(tǒng)的硬件方案選擇、電路設(shè)計做詳細的闡述，同時完成了各子程序的編寫，但方案的可行性仍然需要進一步驗證，其意義在于既要實現(xiàn)對硬件方案的驗證，也能夠完成對軟件程序邏輯的驗證，因此，本設(shè)計使用Protues仿真軟件，并搭建仿真模型進行實驗驗證。由于本設(shè)計使用的是STC12單片機。而在protues中并不支持該款單片機，因此該仿真模型中選用與STC12功能相近的STC15單片機作為主控芯片，STC15單片機自帶ADC采集功能，但由于該軟件對STC單片機的支持并不十分完善，因此本設(shè)計選用ADC0808芯片采集電路中的電壓與電流。同時電路參數(shù)設(shè)置與原電路設(shè)計參數(shù)相同。本系統(tǒng)的仿真設(shè)計圖如圖5-1所示。圖5-1系統(tǒng)仿真設(shè)計圖5.1.2實驗驗證1.主電路仿真驗證本設(shè)計模型輸入電源設(shè)置為12V，諧振電容選取為220nf，線圈感值為23uh，在系統(tǒng)啟動運行后，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輸出的PWM波。圖5-2線圈兩端波形圖經(jīng)過仿真驗證，線圈兩端的信號頻率與理論計算值23Khz基本吻合，同時本設(shè)計也將在下文中通過實物調(diào)試來進一步實驗驗證。2.電壓電流檢測電路仿真驗證本設(shè)計由于使用了ADC0808芯片進行了電壓與電流的采集，因此需為該芯片提供工作時鐘脈沖，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，運行系統(tǒng)驗證電壓電流采樣的精確度。本文選擇輸入電壓進行驗證，由上文可知，本設(shè)計輸入電壓定位12V，電阻分壓比為2:1，因此單片機的采樣電壓為4v與仿真模型的3.99V基本吻合，由液晶顯示可知計算后的電壓值為12.2V，這是由于在計算的過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.計時模塊驗證本系統(tǒng)使用的晶振為12MHZ，定時器的工作頻率為6Mhz，程序中設(shè)計為每隔50ms進入定時中斷一次，在仿真實驗中通過觀察軟件的運行時間與液晶顯示屏的顯示時間是否一致，就可以判定系統(tǒng)定時器是否正常工作。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)值通過實驗可以觀察到，液晶顯示為6S，此時系統(tǒng)的仿真時間為6.9S<7S，因此，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地完成定時任務(wù)。4.顯示電路仿真驗證通過仿真驗證可以發(fā)現(xiàn)，顯示電路能夠精準(zhǔn)的實現(xiàn)參數(shù)的實時顯示，因此，該部分的電路和子程序設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。顯示電路實時顯示參數(shù)值如圖5-6所示。圖5-6電路實時顯示參數(shù)值5.2發(fā)射端電路測試5.2.1顯示模塊測試本設(shè)計要求在LCD1602液晶顯示屏的對應(yīng)位置上準(zhǔn)確顯示系統(tǒng)的各項參數(shù)，如輸入電壓值、電流值、工作狀態(tài)等，同時驗證顯示的內(nèi)容是否完整無誤。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上圖可知，系統(tǒng)的顯示模塊能夠穩(wěn)定運行，同時顯示的參數(shù)準(zhǔn)確無誤。5.2.2主電路模塊測試本部分的測試內(nèi)容主要為單片機輸出PWM波的測試以及線圈兩端波形的測試。1.單片機輸出PWM波測試本設(shè)計使用STC12單片機的P3.5口（PWM1）來輸出特定頻率的PWM波。本測試使用示波器測試PWM能夠輸出設(shè)定頻率的PWM波，MOS管能否按照預(yù)期打開工作。下圖為MOS柵極的驅(qū)動信號波形，通過分析可知，單片機能夠準(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)電路開始工作后兩者處于諧振狀態(tài)，隨著MOS管的開通與關(guān)斷，電感兩端的波形將不斷變化，當(dāng)MOS開通時，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，在實際的測試中會發(fā)現(xiàn)，電感線圈兩端的波形并非完全對稱，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，波形不完全對稱在允許范圍內(nèi)。電感線圈兩端的信號波形測試圖如圖5-9所示。圖5-9電感線圈兩端的信號波形測試圖5.2.3功率調(diào)節(jié)電路測試本部分的測試內(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，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。實際操作圖如圖5-10所示。圖5-10實際操作圖通過測試可知，當(dāng)順時針旋轉(zhuǎn)電位器的旋鈕是，檔位將逐漸變大，反之逐漸減小，當(dāng)檔位變化到25后將不再變化，此時輸出電流將達到最大值并穩(wěn)定不變。5.2.4電壓電流檢測電路測試本部分的測試內(nèi)容應(yīng)包括對輸入電壓，輸出電流等的測量，但為了增加測試的便捷性，與上文中的仿真驗證環(huán)節(jié)相對應(yīng)，此外，系統(tǒng)的輸出電流檢測原理與輸入電壓的檢測原理基本一致，因此本文只測試輸入電壓來驗證ADC采集的可靠性，測試圖如圖5-11所示。圖5-11測試圖通過測試可知，當(dāng)電壓在9V~12V的范圍內(nèi)波動時，單片機的測量誤差始終在0.2的范圍內(nèi)波動，由本系統(tǒng)選取的采集方案可知，該誤差范圍在系統(tǒng)設(shè)計的允許范圍內(nèi)，該測量精度達到了系統(tǒng)的設(shè)計要求。5.3接收端電路測試接收端的測試共分為兩項內(nèi)容，分別為接收端波形測試，接收端輸出電壓測試。5.3.1接收線圈波形測試接收端的線圈測試步驟與發(fā)射端線圈的測試步驟基本一致，由于收線圈的感值為23uh，諧振電容大小為220nf，因此在理論上，兩者的波形也應(yīng)相同，實際測試波形圖如圖5-12所示。圖5-12實際測試波形圖通過分析上圖可知，接收端線圈兩端的波形并非十分理想，但由于電容與電感的充放電過程不對等導(dǎo)致了波形的非對稱性，該波形的誤差并不會對充電效果帶來太大的干擾，因此，通過測試可知，接收端的器件參數(shù)選取無誤，電路設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)要求。5.3.2接收端輸出電壓測試接收端的輸出電壓是否穩(wěn)定將決定系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，由于在線圈充放電過程時，輸出端兩端的電壓會出現(xiàn)激增現(xiàn)象，因此，為了保證在空載情況下，系統(tǒng)仍然能夠輸出穩(wěn)定的5V電壓值，本設(shè)計在輸出端口并聯(lián)了多個穩(wěn)壓管，提升輸出的穩(wěn)定和安全性。輸出電壓測試如圖5-13所示。圖5-13輸出電壓測試通過測試可知，系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定在5.2V以下，并且隨著線圈間隔在一定范圍內(nèi)變化，系統(tǒng)的輸出端口能夠輸出穩(wěn)定的工作電壓。5總結(jié)隨著無線充電技術(shù)的不斷發(fā)展，無線充電裝置應(yīng)用的越來越廣泛。本設(shè)計的基于單片機的無線充電系統(tǒng)，以STC12C2052AD作為系統(tǒng)的主控制器，基于電磁感應(yīng)式無線充電原理實現(xiàn)電能的無線傳輸，在此基礎(chǔ)上增加了功率調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)PWM頻率的自調(diào)節(jié)；通過電流電壓的實時檢測實現(xiàn)充電負載識別與充電計時。同時通過仿真實驗與實物調(diào)試驗證了系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性。本文的工作內(nèi)容可總結(jié)如下：1.系統(tǒng)調(diào)研：本文對目前無線充電技術(shù)的作出總結(jié)，并詳細闡述了各種無線充電技術(shù)的基本原理，分析了多種無線充電技術(shù)的優(yōu)缺點，并對其在市場的應(yīng)用范圍作詳細的闡述。2.硬件方案設(shè)計：硬件方案設(shè)計包含器件選型與方案比較、硬件電路設(shè)計等內(nèi)容。首先針對本系統(tǒng)的基本要求設(shè)計硬件框架，明確基本的設(shè)計方案后確定器件選型，包括主控制器、驅(qū)動芯片等的選擇。其次，在硬件電路設(shè)計上主要分為兩部分，即控制電路設(shè)計和驅(qū)動電路設(shè)計，完成了無線主電路控制設(shè)計、電壓電路反饋控制設(shè)計、接收端整流濾波電路設(shè)計、頻率自調(diào)節(jié)電路設(shè)計以及顯示電路設(shè)計等，穩(wěn)定的硬件設(shè)計是系統(tǒng)長時高效運行的基礎(chǔ)。3.軟件方案設(shè)計：軟件方案設(shè)計的主要內(nèi)容包括軟件架構(gòu)設(shè)計、編譯平臺選擇、各子模塊程序設(shè)計等。其中，子模塊設(shè)計包含了無線充電驅(qū)動程序設(shè)計、電流電壓采集程序設(shè)計、過流過壓保護程序設(shè)計以及液晶顯示程序設(shè)計等。4.系統(tǒng)仿真驗證：為了對硬件電路的可行性進行驗證，本本設(shè)計選擇在protues仿真軟件中搭建仿真模型，在同等參數(shù)下，驗證電路設(shè)計與程序邏輯設(shè)計的合理性，在實驗驗證中可知，系統(tǒng)方案可行有效，滿足設(shè)計的基本要求。5.系統(tǒng)實物調(diào)試：實物調(diào)試可分為兩部分，即模塊功能測試與系統(tǒng)綜合測試。模塊測試內(nèi)容包括對電路中的個子模塊，如顯示模塊、驅(qū)動模塊、參數(shù)檢測模塊、接收端模塊等進行硬件測試與程序調(diào)試，在此基礎(chǔ)上，通過手機充電測試完成整個系統(tǒng)的綜合功能測試。通過實驗驗證與調(diào)試可知，本系統(tǒng)的基本要求已全部實現(xiàn)，方案切實可行，但又有一些需要優(yōu)化的部分，通過減小熱量的損耗來增加系統(tǒng)的傳輸效率，同時在諧振電容與線圈的匹配上應(yīng)進一步進行理論分析與優(yōu)化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。參考文獻[1]蔡小偉,黃桂萍,陳陽,林華豐.基于Qi標(biāo)準(zhǔn)的無