基于嵌入式芯片的无线充电系统设计

如图9为电压、电流检测模块是数模转换器，CH0、CH1都在上面把变化的电压，电流信号转换成数字信号进行显示是8位ad模块。主要是程序处理，电路上不过多的解释

图3-6 电压电流检测模块

3.6.2 采样电路设计

74HC00与非门，功能有几点

一：驱动场管IRF530，因为单片机IO驱动力不足以直接驱动IRF530，所以加74HC00作为驱动放大。

二：关断时截止IRF530输出，因为单片机IO关断时，该特殊引脚输出高电平，加74HC00后，变为低电平，IRF530可靠地截止，保证不发生短路。

R1为采样电阻，由于次级线圈有负载时，初级线圈电流会增大，根据此原理，采集初级线圈的电流大小，即可判断出次级有无负载，采样电阻两端为滤波电解电容，由于电路中电流以脉动的形式输出，故加此电容进行积分滤波，即可得出电路中的平均电流

比较电路，该电路由运放LM358组成，通过采样电阻把电流转换为电压，与基准电压比较，即可得出当前有无负载

图3-7 采样电路设计原理图

3.6.3 发送电路模块设计

 XKT - 412  引脚作用：

引脚 1：通过  R_2 (47K)  连接电源，可能是偏置端或控制信号输入辅助端，用于稳定芯片内部电路工作点或接收初步控制信号。

引脚 2：连接  R_1 (6.8K) ，可能是频率调节端。通过调整该电阻值，可改变内部振荡电路的频率，进而影响发射信号的频率。

引脚 3：连接  C_1 (120P) ，可能是振荡电路的一部分，与引脚 2 配合，通过电容充放电特性参与确定振荡频率，确保发射信号频率稳定。

引脚 8：直接连接  5 - 12V  电源，是芯片的电源输入引脚，为内部电路提供工作电压。

 XKT - 333  引脚作用：

引脚 3：连接  L_1 (23m37uH) ，可能是功率输出端。该引脚将处理后的信号驱动至电感  L_1 ，通过电感产生交变磁场或信号发射，是能量或信号输出的关键引脚。

引脚 5：连接  C_2 (47uF/16V) ，可能是电源滤波端。  47uF  电容对电源进行滤波，去除高频噪声，确保芯片供电稳定，避免电源波动影响工作。

引脚 4：连接  C_3 (10nF) ，可能是高频滤波或信号耦合端。  10nF  电容用于滤除高频干扰，或在信号传输中起到耦合作用，保证信号质量。

图3-9 发送电路设计原理图

3.6.4 接受电路模块设计

整流电路，把高频的交流电整流为直流电，经过电容滤波稳压，成为较为平稳的直流电把经过整流桥堆整流后的直流电，稳压成稳定的5V直流电

图3-10 接受电路模块原理图

3.7 系统硬件原理图

在大学期间，有学习过AD这个软件，并且在多方面查询的情况下，最终选定使用AD这个软件来绘制硬件原理图。不仅是因为会更容易上手，同时它的各项功能也足以支持我完成本次手机无线充电系统的硬件原理图绘制。在借鉴了多种模块设计的原理图以及学习后，通过各模块的设计，协调个模块的引脚连接之后，系统的电路原理图如下。一张是手机无线充电电路的原理图，一张是发射、采样电路的原理图。

图3-11 手机无线充电电路原理图

4 系统软件设计

在整个手机无线充电控制系统的设计中，硬件电路只是提供了功能实现的基础，而整个系统能否实现功能还取决于软件能够驱动硬件运行。本设计中，软件主要逻辑由主程序完成，电压、电流的采集，LCD1602的电压电流的显示等。每一个模块都是单一的功能实现，这样写的好处是更方便检查错误进行更改。同时，通过无线传输模块将两个基板连接起来共同工作。

此次设计，使用软件开发系统Keil Vision4进行编程。C语言是设计时的源程序。选用这个软件不仅是因为Keil可以编译、宏汇编、连接、管理库、仿真、模拟，更是因为在大学期间进行过Keil的学习，会更加容易上手。

4.1 主程序的设计

在本次手机无线充电系统的软件设计中，最主要的一部分是主程序，主程序是主要用来对电压和电流的采集，然后在液晶显示器上显示出采集的电压和电流。系统主程序流程图如图15所示

图4-1 系统主程序流程图

4.2 显示子程序流程图

系统显示模块子程序设计思路是完成电压、电流的检测后，检测信息经单片机处理后通过LCD1602将最终信息显示。可以通过显示的电压、电流大小来判断线圈距离对充电效率的影响，显示模块程序流程图如图16所示

图4-2 LCD1620子程序流程图

5系统调试

5.1 设计实物

如下图所示，手机无线充电系统的整体设计由如下几部分组成，首先是交流转直流的适配器，220V市电转为12V的直流电，通过稳压模块L7805，其中5V给单片机供电，其他的给其余电路供电，能够看到的两个电容，都是滤波电容，一个电容是470uf是低通滤波，滤除低频不稳定的电压，一个电容是0.1uf是滤除高频不稳定的电压波形。最上面看到的是LCD1620液晶显示器，用来显示输出端的电压和电流值。显示器下面就是所用到的STC89C52单片机，用来控制检测输出端的电压、电流。在电路板的最右边是输出端口，通过USB输出端连接需要的负载，下面接了3个小电阻，电流的检测必须要串联才能检测，所以接了3个很小的小电阻做为采样电阻，采集电压点：CH0和CH1在液晶屏上显示采样得来的电压电流值。电路板能够看到所引出来的两个模块分别是手机无线充电系统的发射模块和接受模块。通过两个模块所连接的线圈进行电磁耦合产生能量，进行无线充电。

图5-1 手机无线充电系统实物图

5.2 系统功能测试

5.2.1 系统输出电压的检测

将手机无线充电系统进行通电后，能够看到LCD1602液晶显示器能够正常显示采样的电压和电流的数值，第一行为电压的采样显示，第二行为电流的采样显示。

现将发射线圈模块与接收线圈模块进行稍远距离的耦合，如图18所示，LCD1602显示器上可以看到采样的电压值为1.4V，现又通过小的塑料丝带将发射线圈和接受线圈进行捆绑，使两个线圈能够进行完全耦合，到达电压输出的最大值，可以通过图19所示，LCD1602显示器上可以看到采样的电压为5V。

图5-2 稍远距离的线圈耦合

图5-3 近距离的线圈耦合

再通过万用表对电压输出的准确度进行检查，将电路板翻面，用万用表找到输出端口USB的正负两端口，为了测量的方便和测量的准确度，我们直接测量输出端口的最大电压值，即将发射线圈和接受线圈进行完全耦合，通过塑料丝带将两个线圈进行捆绑，已近似达到完全耦合的效果。使用万用表，对输出端口正负极的测量，通过图20可以看到在线圈完全耦合的情况下万用表显示电压值为4.996V，近似可以看出为5V，由此可见，LCD1602显示器上显示的电压数值是正确的。

图5-4 万用表测输出电压

5.2.2 系统输出电流的检测

电压测试完之后，再对输出端口的电流进行测试，我们先用数据线通过USB接口接上手机，同电压检测试方法一样，我们先将发射端口的线圈与接收端口的线圈进行稍远距离的耦合，但是发现，LCD1602显示器上显示的电流较小，由于加上负载的原因，电流的显示变化相对于电压的变化幅度来说较为不明显，因此我们直接将发射端口的线圈和接收端口的线圈用塑料丝带进行捆绑或者用手将线圈进行贴合。通过这些对电流检测的方法，可以看到当线圈刚刚紧密耦合是LCD1602显示器上显示的电流数值为0，这是因为在刚通电源后，采样的过程中对电流的采样数据较少，显示不及时，且显示的不稳定也不准确，因此会出现检测的电流大小与线圈耦合的情况不符合基本原理。在电源通电再连接完手机后，稍等一段时间再将线圈进行贴合，此时可以看到较为稳定的检测电流，如图21所示。

图5-5 输出端口电流测试

5.2.3 系统的输出端口纹波电压测试。

示波器接上电压探头并配上纹波测试专用接地针头。将示波器探头所在的通道的配置设为交流耦合、20MHz带宽、关闭反相、采样记录长度设置为100k、垂直刻度设置为100mV或更小、水平刻度设置为200ms或更大、添加测量项“峰-峰”值、触发模式选择自动(让波形滚动)，探头正极点触在输出端口USB的电源端，接地针头点触输出端口USB的接地端开始测量，观察30秒钟(主芯片观察1min)，记录波形滚动过程中的最大峰峰值、即为纹波电压。注意事项：测试时探头应尽量垂直于待测端口，不宜倾斜。测试结果如图22所示，峰峰值为312mV。

图5-6 输出端口纹波电压测试

第六章涉及的社会、法律及健康、安全等问题

6.1 系统设计所涉及的相关标准规范

目前，在世界范围内无线电能传输技术的标准有三个，即Qi标准、Rezence标准、PMA标准^[4]。

Qi标准是世界上第一个无线电能传输技术标准化组织WPC联合会发布的，它利用了当前最主流的EMT技术，可以让智能设备在5W到15W之间进行无线能量传输，并提供电力驱动、厨房电器等设备在功率要求上达到了数十瓦甚至上千瓦的无线电力传输技术方案^[4]。

Qi是一种基于线圈间近场电磁感应，从基站到移动设备的非接触式电能传输技术。同时，Qi也是一个在全球范围内注册的商标，见图17。Qi与Rezence的主要技术对比见表1。.

表6-1 关于Qi与Rezence的主要技术对比

图6-1 Qi注册商标

Qi 协议有以下几个特点：

第一： Qi协议提供了一种无线充电方式，它是一种从基站（发送）到移动装置（接受端）的一种方式。基于线圈间的近场磁场感应（接收端）无接触功率传送的方法。

第二，它能提供 BPP和 EPP两种传输方式。

第三：工作频率为87-205 kHz。

第四：支持在基地台上安装两种设备的方式。

第五：该协议能够对装置的电力传送进行完全的控制。

第六：无线充电系统可以与手机充分整合，极大地提升了手机的便捷性。

速度。

第七：可以达到很低的待机功率消耗。

附录

系统设计的经济核算：

7 结论与展望

近年来，手机无线充电技术成为了一个热点，但目前仍处于起步阶段。在企业的发展初期，许多实际应用中存在着许多问题，例如，如何增加传送距离，在保证系统稳定性的情况下，提高传输效率。还有研究它的辐射问题，必须在安全的条件下，对它的可靠性进行研究。手机有线充电要比无线充电多几个接口，这会增加手机的漏电风险^[1]。在这个领域中，充电可以减少许多的危险。

目前，它的效率还不如有线充电，但它的新颖性和简洁性，还是吸引了不少厂家的目光，公司的投资。正是这种强大的动力促使了很多学者走上了手机的无线充电之路，并且推着手机无线充电技术向前走^[2]。目前所研制的移动无线充电设备，是以电磁感应为基础，以发送和接收为基础。终端组件的绕组用于电力输送。线圈尺寸，放置位置等都会影响到系统的能量传递。因此，如何改善线圈的精确位置，以及在充电过程中，如何改善手机的灵活性，都是未来必须要考虑到的内容，都是在今后的工作中需要进行更深入的研究。

目前，人们正在研究一种新的充电方式，例如，目前的手机都有蓝牙，可以考虑一下。是否可以通过蓝牙来控制手机的电量。总之，手机的无线充电前景很好。本论文所做的工作与目前手机充电的研究需求相吻合，对今后的进一步研究具有一定的参考价值。