基于单片机的无线充电器设计.docx
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基于单片机的无线充电器设计.docx
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基于单片机的无线充电器设计
学生姓名:
学生学号:
院(系):
电气信息工程学院
年级专业:
电子信息工程
指导教师:
助理指导教师:
二〇一五年五月
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日
期:
指导教师签名:
日
期:
使用授权说明
本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年
月
日
导师签名:
日期:
年
月
日
1.设计(论文)的内容包括:
注意事项
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、
程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装
订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优 □良 □中 □及格 □不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优 □良 □中 □及格 □不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优 □良 □中 □及格 □不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优 □良 □中 □及格 □不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优 □良 □中 □及格 □不及格二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优 □良 □中 □及格 □不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优 □良 □中 □及格 □不及格三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优 □良 □中 □及格 □不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优 □良 □中 □及格 □不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优 □良 □中 □及格 □不及格
建议成绩:
□优 □良 □中 □及格 □不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名) 单位:
(盖章)年 月 日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优 □良 □中 □及格 □不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优 □良 □中 □及格 □不及格二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优 □良 □中 □及格 □不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优 □良 □中 □及格 □不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优 □良 □中 □及格 □不及格
建议成绩:
□优 □良 □中 □及格 □不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名) 单位:
(盖章)年 月 日
摘要
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优 □良 □中 □及格 □不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优 □良 □中 □及格 □不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优 □良 □中 □及格 □不及格二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优 □良 □中 □及格 □不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优 □良 □中 □及格 □不及格三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优 □良 □中 □及格 □不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优 □良 □中 □及格 □不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优 □良 □中 □及格 □不及格
评定成绩:
□优 □良 □中 □及格 □不及格教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年 月 日
教学系意见:
年 月 日
系主任:
(签名)
摘 要
随着用电设备对供电质量、可靠性、方便性、安全性、特殊场合、特殊地理环境等要求的不断提高,接触式的电能传输方式对于满足实际需要越来越显得捉襟见肘了。
与此同时,无线电能传输系统,摆脱了线路的限制,实现电器和电源的完全分离,具有无线传输电能、设备体积小、传输效率高、便于携带和集成等优点。
本课题设计介绍了一种运用新型的能量传输利用电磁波感应原理和有关的交流感应技术,采用STC12C5A60S2低功耗单片机作为无线传能充电器的监测控制核心,实现电流控制和电压控制功能,电能充满后给出充满提示且自动停止充电。
基于STC12C5A60S2单片机控制发射端和接收端产生的相应交流信号来进行充电的智能无线充电器。
利用设计通过对系统的硬件部分和软件部分的设计实现无线能量传输,在距离发射线圈的指定范围内对小型用电器如手机、MP3等直接充电。
硬件部分包括高效直流稳压模块、驱动模块、显示模块、控制模块等的设计;软件部分主要根据系统的设计思想设计出了主程序和子程序流程图,并通过C语言实现相应的编程要求。
通过理论分析和仿真证明,建立谐振耦合无线电能传输系统模型以及谐振耦合无线电能传输系统模型,通过计算得出了系统中电路参数与输出功率的关系。
设计并制作谐振耦合无线电能装置,使用LCD1602设计显示,实时充电电压显示。
关键词无线电能传输,谐振耦合,无线充电器,LCD1602,STC12C5A60S2单片机
ABSTRACT
ABSTRACT
Thispaperintroducedtheuseofapowertransmissiontechnology,wirelesspowersupplytechnologymodel,usingtheprincipleofelectromagneticinductionandtheinductiontechnology,intelligentwirelesschargerforchargingtheACsignalbasedontheSTC12C5A60S2single-chipmicrocomputertocontrolthetransmittingendandtheenvironmentandotherrequirementscontinuetoincrease,thepowertransmissionmodeofcontacttomeettheactualneedsbecomemoreandmoredifficult.Atthesametime,wirelesspowertransmissionsystem,getridofthelimitline,completelyseparateelectricalandpower,withthewirelesstransmissionofelectricalenergy,theequipmenthastheadvantagesofsmallvolume,hightransmissionefficiency,easytocarryandintegration.Intherapiddevelopmentofscienceandtechnologyin21Century,theprospectsforthedevelopmentofintelligentwirelesscharger.
Thedesignthroughthedesignofthehardwarepartandthesoftwarepartofthesystemtoachievethewirelessenergytransmission,withinthespecifiedrangeofthetransmittingcoilinsmallappliancessuchasmobilephone,MP3andotherdirectcharge.ThehardwarepartincludesefficientDCpowermodule,drivemodule,displaymodule,controlmoduleandsoon;thesoftwarepartismainlybasedonthedesignthoughtofthesystemdesignofthemainprogramandthesubprogramflowchart,andthroughtheClanguagetoachievethecorrespondingprogrammingrequirements.relationshipbetweenthecircuitparametersandtheoutputpowerofthesystem.Thedesignandfabricationofresonantcouplingwirelessdevice,usingtheLCD1602designdrawprogressbarshowscharging,chargingvoltage,chargingtimedisplay.
Keywords radiotransmission,resonantcoupling,wirelesscharger,LCD1602STC12C5A60S2
III
目录
目 录
3
摘要 II
ABSTRACT III
1绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状、水平 1
1.3本课题的发展趋势 2
2系统总体设计方案 4
2.1系统总体设计方案简述 4
2.1.1系统的基本功能 4
2.1.2主要技术参数 4
2.2系统设计方案选择 5
2.3方案分析 7
2.4系统的理论分析 8
3系统的硬件设计 10
3.1单片机的选择与其控制 10
3.1.1单片机概述 10
3.1.2单片机STC12C5A60S2的介绍 10
3.1.3单片机最小系统的介绍 11
3.1.4单片机控制模块设计 13
3.2无线发射电路模块设计 14
3.2.1NE555芯片简介 14
3.2.2MOS管的选择与性能分析 15
3.2.3振荡电路的设计 16
3.2.4功率放大电路的设计 17
3.3电源稳压控制模块设计 18
3.3.1稳压器LM2940简介 18
3.3.2KA7500B芯片简介 19
3.3.3稳压控制电路设计 19
3.4按键指示电路模块设计 20
3.5显示电路设计及实现 21
3.6DC/DC转换电路设计 23
3.6.1DC/DC变换器简介 23
3.6.2运算放大器LM358简介 24
3.6.3电压/电流采样模块设计 24
3.7系统总体电路设计 26
4系统的软件设计 28
4.1整体设计思想 28
4.2系统的主要程序框图 29
4.3主要程序模块 29
4.3.1电路启动初始化 29
4.3.2按键采集程序 30
4.3.3LCD1602显示子程序 31
4.3.4数据采集及模数转换程序 31
4.3.5充电子程序的设计 32
5系统仿真设计与调试 34
5.1.仿真软件Multisim的简介 34
5.2电路的仿真 34
5.2.1方波信号的产生 34
5.2.2实际电路的测试 36
5.3测试结果及分析 36
5.3.1测试结构 36
5.3.2实际电路的测试数据 36
6系统PCB设计 38
6.1PCB设计软件简介 38
6.2PCB板设计方法 38
7组装与调试 40
7.1系统组装 40
7.2硬件调试 40
7.3软件调试 40
7.4硬件软件联合调试 40
7.5调试结果 40
结论 41
参考文献 42
附录A:
无线充电控制系统源程序代码 43
附录B:
整体电路图和PCB板图 53
附录C:
设计实物图 1
致谢 错误!
未定义书签。
1
绪论
1 绪论
1.1课题背景
随着科学的发展与社会的进步,人们的需求变化正在日益发生着深刻的改变,对科学技术含量的要求越来越严格。
无线电能传输技术作为一种新型的传能方式,主要包含谐振耦合无线电能传输,它具有传输效率高、适合中等传输距离等特点,以磁场和谐振耦合理论为基础,能在不接触情况下,将电能高效的传输到负载,克服了传统的电能传输方式的许多不足和缺点。
与普通的感应电能传输技术相比,具有传输距离相对较远,与电磁波辐射传输技术相比具有更好的传输效率。
近几年来,国内外许多研究机构和公司关于无线充电的技术相继对微距及短距离的无线供电产品进行讨论和研究。
无线电技术几乎普及到全球的每一个角落,融入于通信系统,从当初的简单的无线电广播和电报,发展到科学技术发达的今天的技术含量高的卫星和微波通信等,使人们的生产和生活方式极大地发生了改变。
然而,无线通信传送的都是微弱的信息,无线传输的距离越远,设备耗能越高,接收的也不是功率较大的能量。
即使目前一些知名公司已经推出一些无线充电设备,但有一些地方还不很完善,还需进一步改进。
对于实施大功率的无线传输来说,比较困难了。
无线充电技术在小功率的范围内还是可以显示出它的优越性的。
首先,它满足了现代人们快节奏生活需要方便的要求,许多使用极为方便的便携式的移动产品,都要不定期地连接进行充电,也因此留下了各种插口和连接电缆,防水性能的密封工艺也从而不易实现。
其次,由于人类对电能的消耗越来越大,带来了的诸多的环境污染等困挠,而无线非接触式充电技术顺应了现代社会的需求,提供了解决问题的有效途径,进一步加强肯定了建设可持续发展社会。
在社会不断发展的今天,无线充电器设计基于一项新型的技术,应用涉及领域广泛,本课题设计增加了充电智能保护,稳定性好,电路简洁,实用性高,更加全面的丰富了充电器的实用性,方便了人们的生活,具有良好的发展前景。
1.2国内外研究现状、水平
无线供电技术传输电力已与早期20世纪早期在电磁感应现象发现后国外就掀起了设计风潮。
绕线式变压器的“E”字形状型铁心绕上铜线后,通电后发现可以感应起电,但传输效果不会很理想,感应强度减弱甚至是消失。
这是由于在市电频率50Hz下,电磁波的无线传递会随着距离增加而出现能量的快速衰退。
这是由于电磁感应技术用以传递能量的变化磁场,随着传输的距离的增加,消耗
3
的磁能就越多,而在用电负载中所获得能量也越少。
但无论是采取电磁还是磁电的方式进行的远距离的无线传输,根据磁能传输原理,能量都会产生流失和损耗,而且随着转换次数的增加,损耗也会越来越大,而与此次同时带来的其他不利因素也会增加用电设备的提前衰老,如电流过大等,都会对生产生活的使用带来了许多不便。
随着电子产业的蓬勃发展,相继研发出了产生利用谐振耦合进行交流振荡并利用单片微机控制和利用LCD控制的无线供电系统,该系统主要由两部分组成,第一部分是驱动发射电路,第二部分是电能变换接收电路,以及产生了电压电流独立显示系统、充电智能能控制系统等。
在当前的无线充电技术,能够在微短距离范围内的近磁场对电子设备进行无线充电。
国内的无线供电设备设计相对于起步较晚,市场上也出现了许多无线充电产品,但都是在用电功率比较小的领域,比如,电动剃须刀、电动玩具等,可瓶颈仍然没有实质性的突破。
各厂家都在激烈的竞争着,在硬件和软件上各显神通,对于不同产品的升级,实现了无线充电技术在产品层面的功能,满足了消费者的需求。
能量的传送要求能够达到负载的的用电功率,以及传输效率的问题,有别于信号的传输,后者要求其传输过程中无失真,无损坏,保持内容的完整性和真实性。
虽然能量的无线传送的想法早已有之,但因为一直无法突破效率这个问题,使它一直不能进入实用领域。
但是,为了充分发挥无线充电的方便性,实施大功率的无线传输,就比较困难,还需要进一步的钻研与完善,随着新材料新方法的研究也一定有所突破。
利用高新技术采用比较简单易操作的设备实现较远距离下的无线电能传输,形成商业化的趋势应用,当今的移动电子设备世界将能迎来新的一次变革。
1.3本课题的发展趋势
无线供电技术在问世以来,经过几十多年的发展,已成为了美、德国等工业发达国家的重要产业之一,世界总销售额不断上升,生产厂家不断涌现,品种在不断的更新,产量产值大幅度上升而价格则不断下降。
无线供电技术在传输过程中的损耗只有传统供电技术的能量损失的百万分之一,对于能源短缺的今天,具有非常重要的研究意义。
它的原理在于耦合谐振,当振荡磁场的频率发送方和接收方产生的固有频率相同时,接收方会产生共振,从而实现能量的转移,是一种非常有效的传能方式。
根据共振的特性,在这样一个共振系统内发生能量转移,而其他对象不会影响谐振系统。
通过电磁感应来进行无线供电是非常成熟的技术,但会受到很多限制。
最主要的问题是,低频磁场会随着距离的增加而快速衰减。
如果要增加供电距离,只能加大磁场的强度。
但同时,磁场强度的大小一方面会影响电能的消耗,另一方面可能会导致产生磁干扰信号。
我们都不想自己的硬盘
里面的数据被强磁场一笔勾销吧。
随着科学技术不断的发展和研究领域,新型超材料可提高无线电力传输效率。
为了填补电力传输过程装置和接收装置之间的空隙,减小在传输过程中的微波或激光造成的干扰,这种超导新材料被制成一种小而薄的透镜放置在电源和用电设备之间从而提高了传输效率。
随着现代科技的发展,微型单片机已普遍应用于控制系统的各种环境。
控制系统由中央控制装置、终端控制设备和振荡装置等组成。
根据设计指定的参数,编写程序存储于单片机中,单片机根据程序,结合终端控制发送系统指令。
中央控制装置模块通过检测振荡装置模块输送来的信息,根据相应的指令程序输出控制信号,接收电路接收该信息执行指令任务,实现电能的无线传输。
无线电力传输的优势在于不受其他外界因素的太多干扰在任何地方都可以实现能量传输,当然这是无线电力传输发展到一定阶段所能呈现的现象;其次能去除电池、充电线等冗杂额物品,为设备的微型化提供了有利条件,有利于缓解各种用电设备的能量的大量的消耗带来的能源短缺问题。
当科技水平达到一定程度时,一种新型的无线充电系统将会应运而生,实现对多种充电设备进行无线充电。
当人们可以在任何距离内都广泛实现无线供电的时,能量的应用也将会变得唾手可得。
无需再抱怨没有合适的充电器,不用再为电子设备准备厚重的电池以尽量延长它们的待机时间。
我们可以把手持设备做得更小更薄,甚至可以容易地植入体内。
2
系统总体设计方案
2 系统总体设计方案
2.1系统总体设计方案简述
该无线传输供电系统是由高效直流稳压模块、驱动模块、显示模块、控制模块等组成。
通过对交流信号的振荡、分析、处理,然后输出信号来使执行部件进行动作,实现无线能量传输,在距离发射线圈的指定范围内对小型用电器如手机、MP3等直接充电。
软件部分主要根据系统的设计思想设计出了主程序和子程序流程图,并通过C语言实现相应的编程要求。
通过理论分析和仿真证明,建立谐振耦合无线电能传输系统模型以及谐振耦合无线电能传输系统模型
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- 基于 单片机 无线 充电器 设计