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1、毕业设计(论文) 基于单片机控制的无线充电系统的研究与设计系 别 ：机械与电子工程系专业（班级）：2011级电子信息工程2班作者（学号）：指导教师： 完成日期： 2015年6月10日蚌埠学院教务处目 录中文摘要 1英文摘要21 引言31.1 课题背景31.2 课题研究的意义31.3 国内外无线充电技术的发展及现状41.4无线充电技术的分类41.5课题主要研究内容52 无线电力传输原理62.1 电磁感应原理62.2 基于近场磁感应无线电力传输原理62.3 基于电磁耦合共振的无线电力传输原理73 系统的硬件设计 93.1 系统框架93.2 硬件设计93.2.1 发射逆变电路设计103.2.2 补偿
2、电容设计14 3.2.3 线圈尺寸及线圈间距离设计143.2.4 接收整流滤波电路设计153.2.5 手机电池充电电路设计173.2.6 接收部分单片机及电压检测电路设计173.2.7 红外发射电路设计183.2.8 发射线圈部分单片机、红外解码电路以及继电器电路设计193.2.9 整体原理图设计204 原理图及设计215 无线充电器软件设计235.1 红外数据传输解码原理235.2 发射线圈部分软件设计245.3 接收线圈部分软件设计255.3.1 AD程序设计265.3.2 红外发送程序设计26总结27辞谢28参考文献29附录301 发射线圈原理图302 接收线圈原理图313 发射线圈部分
3、软件设计324 AD程序设计335 红外发送程序设计35插 图 清 单图2-1 近场磁感应无线电力传输系统原型7图2-2 基于电磁耦合共振的无线电力传输原理图7图3-1 系统框图9图3-2 设计规划图10图3-3 全桥逆变电路11图3-4 方波发生以及放大电路12图3-5 IR2110MOSFET驱动电路12图3-6 两个IR2110低端驱动波形13图3-7 两个IR2110自举高端驱动波形13图3-8 反相器406913图3-9 初级串联补偿电路14图3-10 次级串联补偿电路14图3-11 单面线圈14图3-12 全桥整流电路15图3-13 整流稳压电路16图3-14 线圈接收波形16图3
4、-15 整流后直流波形16图3-16 手机电池充电电路原理图17图3-17 8051410单片机管脚图18图3-18 8051410单片机调试电路原理图18图3-19 红外发射电路原理图18图3-20 1104最小系统19图3-21 红外解码电路原理图20图3-22 继电器电路原理图20图4-1 发射线圈部分22图4-2 发射线圈部分22图5-1 红外数据发送译码示意图23图5-2 某遥控器一按键解调后的红外解码23图5-3 发射线圈单片机主函数流程图24图5-4 发射线圈外部中断0流程图24图5-5 接收线圈部分软件流程图25基于单片机控制的无线充电系统的研究与设计摘要：由于人们对生活中使用
5、的电子产品的要求变得越来越高，那跟着它一起发展的 就是电子产品的充电器了，最开始出现的充电器是有线充电，其次是万能充，目前悄然兴起的是无线充电器。我本次研究和设计的课题是基于单片机控制的手机无线充电器系统，其实关于无线充电技术，在国外已经相当成熟了，但在国内任然处于摸索和创新的状态。要想实现无线充电，方法还是有很多，但是其对电能的利用率是我们所要考虑的。电磁感应方式、电磁耦合共振方式、电场耦合方式、微波谐振方式都可以实现这个 机制的供电性能。我这次采用的是基于单片机（STC单片机）下，基于近场电磁感应无线电力传输的设计方式。该无线充电过程是智能充电过程，通过接收端装配的红外发射的数据，经过发射
6、圈中的STC单片机到达继电器，来告诉发射端的继电器是否切断或者打开线圈电源。关键词：无线充电器；单片机；电磁感应；红外发射The Research And Design of WirelessCharging SystemBased on MCU ControlAbstract: Withtherequirement of electronic products increasing higher,along with itis the development of thecharger,At first,the charger is with wired,then is rise of th
7、e universal charger,but now wireless charger is rising quietly.Mytopic is the research and design of wirelessmobile phone charger based on single chip,in fact, wireless charging technologyin foreign countries has been very mature,but it is still in the exploratory state in china. In order to achieve
8、 wireless charging, there are still many methods, but the utilization rate of electricity is what we need to consider. The power supply performance of electromagnetic induction method, electromagnetic coupling resonance mode, electric field coupling, microwave resonant mode can realize this mechanis
9、m. I used this ,it based on single-chip microcomputer, the near-field electromagnetic induction design based on wireless power transmission.The wireless charging process is intelligent charging process, the receiver assembly of the infrared emission data, through the launch of STC MCU to relay coil,
10、 the transmitter to tell whether the relay coil power cut or open. Keywords:Wireless charger;MCU;electromagnetic induction;infrared emission 基于单片机控制的无线充电系统的研究与设计1 引 言1.1 课题背景由于人们对生活中使用的电子产品的要求变得越来越高，那跟着它一起发展的就是电子产品的充电器。对于手机充电的方式，在手机刚刚兴起的时候是通过有线传输的，但是这种充电方式还是不能满足人们的生活习惯，由此让人们对无线充电的方式跃跃欲试。目前来看，手机无线充电产
11、品还属于一个朝阳产品，虽然无线充电技术不属于一个新兴的技术，它只不过是建立在无线电力传输技术上一个新应用。在19世纪初，人类才刚刚拥有电力，但在最开始，关于电力怎么使用、怎么传输有两种不同的思路，一个是通过我们自己搭建电缆对电能进行不同距离的传输，另一个就是通过无线传输方式进行电能传送。在前人研究的理论和结果的情况下，我们可以想到的直接办法就是通过电磁感应的方式进行电能传送，让天空和土地中的电离层作为介质，电能通过该介质进行损耗较低的传送。科学家们对这个设想进行了大量的研究，但是由于各种原因还是终止的实验，导致后来这个猜想没有进行广泛的研究和发展。1.2 课题研究的意义手机无线充电技术之所以现
12、在能够悄然兴起，是因为人类对这方面的要求越来越高。有线充电的方式存在很多麻烦和隐患。首先，电线容易暴露在空气中，如果环境潮湿，导致短路，对手机和充电器都有很大的寿命影响，其次，有线充电需要电线传输才能进行，不同型号的手机产品其接口方式不一样，导致一根电源线不能多用、无电力环境下不能进行充电的弊端。无线充电的方式将会打破这些我们所要顾及的因素，在充电的过程中，能量传递的效率不受外界的影响，随时随地都可以进行。而且最主要的事如果采用无线充电的方式，我们只需要一个电能的发送端，就可以给多个不同型号的手机电池进行充电。当然我们可以自己去制定一个无线充电的充电规范和标准，通常，在同样的标准情况下，我们就
13、可以将所有符合和满足这项标准的可充电电池，用同一个无线充电装置来进行充电，这样就大大的减少了我们出行时需要带大量的充电设备1。手机对人类生活的影响太大，在很多情况下，有可能会出现在使用过程中，手机处于低电状态的时候，可是周围却没有可用的电源给手机充电。这时候，如果身上携带着一个无线充电装置，我们只要将自己的手机放在上面，无需连线，就可以进行电能传输了。当然，无线充电技术不仅仅可以使用在电子产品上，在现在的医学上也得到了很大发展和进步。由于各方面的原因，有一部分人的身体有一些缺陷，科学家们通过研究来研制一些电子设备，仿制人类身体上各种器官，来弥补身体的不足，给身体再次健康的机会。比如人造器官、人
14、造心脏等。这些电子设备需要放置在人体内部，而且需要不间断供电的设备。其中一个供电的方式就是通过利用变压器作为无接触的电能传输，这种方式得到广泛运用，因为对人体伤害小，对环境没有污染，传输效率高等优点。1.3 国内外无线充电技术的发展及现状尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）在19世纪末为无线电技术做出了杰出的贡献。比如感应电动机、多相交流传输及配电系统、高频变压器、赫兹振荡器等就是他发明的，这些发明尽管很早发现，但到现在依然在广泛的使用着，为我们的生活带来了很大的方便。但在当时，无线充电技术由于效率低原因导致其一直没有发展起来。2008年9月，北美电力研讨会发表的论文表示，他们已经可以将8
15、00W的电力采用无线的方式传输到距离他们实验室5m远的地方。这项实验引起的极大的轰动，说明无线电力传输技术又得到了一个新的突破。2009年，Palm推出点金石充电系统，用户只要把手机放在点金石上，在没有连接任何电源线的情况下，手机就会自动充电，并且其充电效率高，在电池充满的情况下，点金石自动为电池断电，由此使得电能能够得到最大的利用。点金石这项技术也属于无线充电技术中的一种。无线充电技术就是利用电磁共振原理，在充电器和我们手上的电子设备之间的空气中传输电能。充电器上的线圈和设备上电容器形成共振，从而实现电荷在不同物件之间进行转换，使得电能能够在无线情况下，能得到高效率的传输2。1.4无线充电技
16、术的分类无线充电技术主要分为电磁感应方式、电磁耦合共振方式、电场耦合方式、微波谐振方式；传统的电磁感应方式，我们可以看作是两个分离开的变压器，这个系统是由一个初级线圈、一个次级线圈、一个磁芯组成；当我们在初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中将会产生一个交变磁场，进而在次级线圈上感应处一个与交变磁场相同频率的交变电压，这样的话，电能就从初级线圈传输到次级线圈上了。电磁耦合共振方式是指将电能通过振荡器产生高频振荡电流，然后经过发射线圈对外发射磁场（该过程是将电能转换为我们所需要的磁场），在中程无线电力传输系统上得到了广泛的利用。电场耦合方式的工作方式与前两种有所不同，前两者的传递能量的媒介是通过
17、磁场，而电场耦合方式传递电能的媒介则是通过电场。3这种无线充电方式具有体积较小、传输过程中发热较低以及传输效率很高的优势。微波谐振方式的原理类似于我们日常生活中的wifi传输原理。由于其发射过程中是四散式的发射，不利于电能的集中处理，如果无线充电器采用这种方法，则电能的利用率将会大大减少。1.5课题主要研究内容现如今，我们需要考虑的对象就是怎样去提高手机无线传输过程中电能能够得到最大的利用，尽量减少电能的浪费。我们所要研究的影响电能传输的几点因素主要是线圈之间的距离、线圈的大小、谐振的补偿方式，通过做实验使得手机无线充电系统得到更好的改善，并且能够提高手机与充电器之间的距离，研究不同的因素对电
18、能利用率的影响。2 线电力传输原理2.1 电磁感应原理我们都知道，在电磁学中，如果穿过某一个闭合导体回路所围成面积的磁通量发生变化的时候，我们先不考虑这样的改变是因为什么样的原因，但是当磁通量发生改变时，回路中产生了变化的电流。这样的现象就是人们常说的磁感应现象。我所设计的无线充电器的理论基础就是这个。电磁感应现象的定律可以表达为：如果穿过一个闭合的导体回路所围成面积磁通量发生改变的时候，我们先不考虑这样的改变是因为什么样的原因，但回路中都会产生了电流的变化，也就是发生了感应电动势，而且该感应电动势是正比于此电路中磁通量对时间变化率的负值，即： （2-1）i的单位是伏特，的单位是韦伯，t的单位
19、是秒4。2.2 基于近场磁感应无线电力传输原理其实所说的近场磁感应式无线电力传输系统的主要原理还是电磁感应原理。生活中作用的变压器也是基于这个原理。电磁能在空气中是以场形式存在的，如果我们在初级线圈上施加一定的交变电压，那么线圈中将会产生一定的交变电流，进而在周围空间就会产生我们所需要的交变磁通。当设备中的次级线圈处于产生的磁场范围内时，在线圈中将会产生交变的电场，然后实现电源能量从设备中的初级线圈到同一设备中次级线圈的传递。为了提高电能的使用效率，传统变压器中的初级线圈、次级线圈是通过铁心联系在一起的，因为铁心采用的材料事高磁导，并且使用的是环形结构，磁路又是闭合，因此两者之间的互感很大，漏
20、感又很小，那么传输效率就会很高。如果我们将传统变压器中的初级线圈与次级线圈进行分离放置，换句话说就是初级线圈与次级线圈之间没有铁心连接，中间仅仅隔着空气，下面就是我们说的近场磁感应无线电力传输系统的原型，如图2-1:图2-1 近场磁感应无线电力传输系统原型2.3 基于电磁耦合共振的无线电力传输原理基于电磁耦合共振方式无线电力传输的基本思想是：如果两个物体之间具有相同谐振频率，那么在很短的距离内，两个物体之间就能实现耦合谐振，并且进行能量之间的高效率交换，不过，如果两个物体之间的频率不同，那它们之间的相互作用相对较弱。也就是说，着两个物体之间的能量交换率也会变得很低。系统原理结构的组成主要包括发
21、射端与接收端两个部分。发射端是由发射电路与源谐振线圈组成的，接收端是由接收谐振线圈与负载电路组成。他们的工作过程是发射电路当做激励源产生我们需要的中高频信号，驱动源端的谐振线圈发射该能量，源谐振线圈和接收端源谐振线圈将会产生磁耦合谐振对能量进行传输，接收端源的谐振线圈和负载电路相连接实现能量的传输。线圈都被设计为具有相同谐振频率，然后在磁场作用下，产生谐振。共振系统是由具有相同的本征频率物体组成的，能量只能在系统中物体间进行传递，但是和系统之外的物体基本上市没有能量之间的交换，在达到共振的时候，物体振动的幅度将会达到最大。4（图2-2为基于电磁耦合共振的无线电力传输原理图）图2-2 基于电磁耦
22、合共振的无线电力传输原理图其中，高频电源是由高频振荡电路与功率放大电路共同组成，高频振动电路的作用是产生和发射装置所需要谐振电流的频率相同的正弦信号，然后经过功率放大电路将该信号功率进行放大，再通过一个线圈将此能量感应到发射装置中，发射装置与接收装置是两个具有相同的结构的天线，当发射天线中感应得到交变电流时，则在其周围产生相同频率的交变磁场，从而在接收线圈中感应生成相同频率的电流，由于接收天线的本征频率和电流频率相同，从而发生自谐振，两线圈之间通过磁场建立耦合关系，能量由发射装置源源不断传递到接收装置，为了保证磁场可以尽可能穿过接收线圈，两线圈应同轴。3 系统的硬件设计3.1 系统框架此次设计
23、和研究的无线充电器主要包含两个部分，分别是发射部分和接收部分：图3-1 系统框架该发射部分的功能主要就是给接收部分提供电能，由于在接收部分内部装有红外发射装置，该装置的作用就是接收部分在接收电能时，用来断定是否需要运用发射部分的继电器来切断或者打开线圈的直流电源。当然，接收部分对于发射部分提供的电能是需要经过整流滤波装置进行整流稳压后再给我们的手机充电，若充电完成，则通过红外发射的数据来通知发射部分及时进行断电处理，进而起到保护电池和节能省电的作用。3.2 硬件设计硬件设计过程中，在我们设计这款无线充电器所需要的成本以及设计的性能要求下，我们主要采用一些市场上已经很成熟的芯片，在技术方面，也是
24、建立在一些前人研究成果的基础上进行改良和创新，并且在规定的时间内完场产品设计和组装。我们在设计的过程中需要考虑很多问题：(1) 发射部分的电源和信号是否完整。若不完整，将对整个系统的工作产生极大的影响；(2) 发射线圈和接收线圈是否兼容。若不兼容，则无线充电器的发射部分发射的电能则达不到传递，手机则无法进行充电过程；(3) 整个系统的散热性能是否良好。散热性若不好的话，温度过高，多手机和充电器内部的零件结果则会产生影响，无线充电器的使用周期将会大大缩减，所以在设计的时候，我们在这个无线充电器的外壳上添加了一些通气口；(4) 对电能的利用率高不高。这个如果没有考虑周全的话，该无线充电器的意义就会
25、减少。现如今，最主要的就是注意节能减排；(5)在设计原理图的时候，还要注意不同阻抗之间的匹配度，布线过程应提前想好怎么规范整改布线格局。我这次设计的无线充电器里面既有模拟电路部分，还有数字电路部分。硬件的设计过程中遵循的是先设计整体，然后再针对性的设计部分电路的思想，其规划如图3-2：图3-2 设计规划图由上面的规划图可以看出来整个系统的电流和信号的流向：(1) 电源经过逆变电路被逆变成我们所需要的高频交流电；(2) 经过补偿点燃补偿后，加载到发射部分的发射线圈上；(3) 随即就是接受线圈立即感应到电动势，再向我们设计系统的负载输出电流；(4) 电流再次经过补偿电容、全桥整流电路、型滤波电路，
26、然后就变成了可以对手机进行充电的直流电了；(5) 在充电过程中，STC单片机通过采集充电过程中的感应电压，来判断手机的充电状态信息，STC单片机得到的数据将会经过红外发射装置发射到发射部分中的红外装置中；(6) 该红外装置具有解码功能，将传来的信息解码后传递给发射装置中的STC单片机：(7) 发射部分的STC单片机会根据接受到的信息来断定手机充电过程是否完成，是否应该进行及时断电处理，进而起到保护电池和节能省电的作用5。3.2.1 发射逆变电路设计逆变电路是将直流转换为交流的，因为充电器是固定的，所以其频率不需要改变。我们只需设计一个固定频率的逆变器。根据以上要求功率需要6。本系统中发射频率设
27、计为514，过小的发射频率虽然比较容易实现，但是会使其补偿电容过大，所以514较为适中。传统的逆变电路有半桥逆变和全桥逆变。由于半桥逆变电路发射被接收部分接收全桥整流后电压会下降一半，不能直接供给电池充电部分，需要增加一个升压电路，增加了设计的复杂性，所以我们选择全桥逆变。全桥的工作原理：如下图所示，四个组成此全桥电路。当桥臂1和4导通时，2和3截至，电流由桥臂1经电路到桥臂4。当桥臂2和3导通时，桥臂1和4同时截至，电流经由桥臂2、到桥臂3。如此循环，将直流电逆变为交流电，供给电路发射。由于只需要6的功率我们可以选择来制作全桥逆变电路。根据需求我们选择6635开关管。6635漏极连续电流为5
28、.7A，上升时间6S，下降时间14S，关闭时间28S，最大耐压值为35V完全符合设计要求。6本次逆变电流较大，所以在设计时要着重注意散热问题。图3-3 全桥逆变电路逆变电路可以使用温补方波晶振产生方波来驱动，温补晶振的稳定性好，本系统选择514Khz的频率，而且温补晶振的电路简单。但是温补晶振输出的方波峰值只有5V，还需要进行放大之后才能输入到驱动电路中。放大电压一般使用运放，但是本系统的频率较高，需要摆率大的运放才能达到要求，这种运放价格一般比较贵。还有一种方案是使用开环放大电路，也就是比较器，比较器的放大速度较快，经过选择，本系统选择LM358作为放大芯片，方波发生以及放大电路如3-4图：
29、图3-4 方波发生以及放大电路如果仅仅用前端电路产生的方波驱动全桥的开关管，会出现以下问题：当高端桥臂导通时（1或2桥臂），由于负载的存在，极的电位将被抬升与相同，那么此时=0，导致高端桥臂不能持续导通，所以需要加入驱动电路。最终本系统选用了2110，驱动芯片选择的是IR2110S，其主要特点是：(1) 独立的低、高端输入通道；(2) 悬浮电源采用的是自举电路，高端工作电压最高可以达到500V；(3) 输出的电压源的电压范围是10到20V；(4) 工作频率可达500KHz；(5) 开通延迟时间为120ns,关断延迟时间为94ns；(6) 峰值电流为2A。 IR2110S内部功能主要由三个部分组
30、成：逻辑输入、电平平移和输出保护。如上所述2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制7，2110组成的驱动电路图如图3.5：图3-5 IR2110MOSFET驱动电路图3-6两个IR2110低端驱动波形图3-7 两个IR2110自举高端驱动波形驱动电路工作过程：晶振经过放大后产生的方波，输出后分成两路，一路送给第一个驱动芯片，作为逻辑电平输入，另一路经过反相器4069反相后，输入到第二个驱动芯片，作为逻辑电平输入。两路信号一正一反，使两个驱动芯片交替导通全桥的两路桥臂。完成直流到交流的逆变。4069是
31、逻辑器件，输入电压最高可达18。这样2110和反向器4069就构成了完整的全桥驱动电路，原理图如图3-6所示：图3-8 反向器40693.2.2 补偿电容设计本次设计的发射频率设计为514KHz，测得在两线圈相距0.5cm时电感为6.7uF，将这两个值代入公式中 ，计算出补偿电容值为4700pF。初级串联补偿和次级串联补偿电路图分别如图3-7、图3-8所示。 图3-9 初级串联补偿 图3-10 次级串联补偿电路3.2.3 线圈尺寸及线圈间距离设计无线充电器最关键的部分是线圈部分的设计，制作一个共振系统需要发射、接收两端的自振频率相同，这要求两端的线圈最好相同。制作线圈最常见的就是使用铜丝绕制，
32、但是手工绕制的铜线圈很难保证规格相同，所以决定使用线圈。上文估算出流过线圈的最大电流约为700mA，制作线圈的覆铜厚度是1盎司，则线圈线宽设计为20完全能够满足电流要求。制作好的线圈使用串联电容谐振法测得电感量约为6.7F。本文设计的充电器是给智能手机上的电池充电，根据手机尺寸的大小，决定将线圈设计为内径50，外径100，匝数为18，两线圈间的距离为5。按照以上参数，实际制作出来的线圈有5.8欧姆的电阻，要想减小电阻可以将线圈制为双层并联的，或者在线圈上面加锡。由于制作成本考虑，本系统使用的是单面线圈。图3-11 单面线圈3.2.4 接收整流滤波电路设计整流电路是将线圈上感应出来的高频交流电流
33、整流成直流，再经过滤波电路变成直流电流。常见的整流电路有全桥整流和半桥整流。半桥整流又叫半波整流，只有对正、负半周交流电压中的正半周进行整流，所谓的全桥整流就是正负半周都得进行整流（每半周有两个二极管导通）8。半桥整流出来的电流不易滤波，所以我们这里选用全桥整流。由于交流频率较高，且电压较低，选用肖特基二极管作为整流器件非合适，最终确定使用4个额定电流为1.5的SS14组成全桥整流电路，设计完全符合要求7。图3-12 全桥整流电路经过全桥整流电路整流出来的波形由一个个尖峰组成，称之为馒头波。这样的电流是不能直接供给充电电路使用。需要经过滤波电路滤成平滑的直流电流。滤波电容选取容量大的电解电容或
34、者漏电小的钽电容。钽电容属于电解电容的一种，跟普通的电解电容相比，采用金属钽作为介质，而且钽电容本身电感极小，贴片封装，体积小。充电器的接收部分装载在电池上，要求体积尽可能的小，所以在电路板中多使用钽电容作为滤波和去耦电容9。如下图所示，整流过后的电流经过钽电容2滤波。2、1、3组成型滤波电路，使得电源更稳。由于下面还有单片机电路，需要进行降压给单片机电路使用。稳压器选用-1117-3.3，这款稳压器是一款使用广泛、非常成熟的产品，且最大电流为800mA，完全满足设计要求。-1117-3.3输出的电压经过4、6滤波后再给后级电路使用。图3-13 整流稳压电路 下图图3.12为线圈接收到的波形图
35、，图3.13是整流滤波稳压电路的实际效果图，可以看出经过整流滤波电路后获得的电源脉动较小，符合充电电路对电源的要求。图3.14 线圈接收波形图3-15 整流后直流波形以上设计的无线供电部分，电压可以提升到24V，在输入24V，0.84时，次级输出21，0.5，计算得出整个电路的效率为52%，达到设计要求。在输入24，1.1时，次级输1出12.3，1，计算得出整个电路的效率为46%，之所以会电流越大效率降低是因为单个线圈上面的电阻为5.8欧姆，两个加起来就有11.6欧姆，消耗了大量的能量。但是整体供电设计部分是完全达到设计要求的。3.2.5 手机电池充电电路设计完整的充电电路原理图如图3.14所
36、示，2口接手机电池，第7管脚接单片机的口，充电时第一管脚输出低电平6一直被点亮，充电结束后第七管脚输出低电平，通知单片机充电已经结束，并且4熄灭， 7被点亮。 经过测试充电时间为3个小时，充满后电压为7.4V，达到设计要求。图3-16 手机电池充电电路原理图3.2.6 接收部分单片机及电压检测电路设计单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器随机存储器、只读存储器、多种/口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、/转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从
37、上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300的高速单片机10。充电器的单片机只需要控制简单的红外电路，所以一般的8位单片机的运算能力已经完全足够。但是本充电器是在一个强电磁干扰的环境下工作，所以单片机的选取注重抗干扰能力。接收部分的单片机是需要消耗经无线传输过来的电能的，这样就直接降低了充电器的充电效率，所以需要选择一款低功耗的单片机。根据以上要求，本文选取了摩托罗拉公司生产的飞思卡尔单片机8051410，8051410电源为3.3，在晶振为12的时候内核电流仅为4。805141 系列器件使用 的专利-51 微控制器核。-51 -51 指令集完全兼容，可以使用标准803/
38、805的汇编器和编译器进行软件开发。805141 器件还具有具有片内 2 线（2）接口调试电路，支持使用安装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式、全速的在系统调试。极大的方便的充电器软件的开发。最重要是8051410内部具有一个12位的，这极大的简化了电池电压检测电路的设计。当电池电快消耗完时，电池检测电路能够提醒设备进行充电。电池电压检测电路最主要的就是转换。两个电阻串联分压，如下图所示，然后采集到分压后的电压，这样就可以时刻监视电池的剩余电量了，当手机电池电压不足5时，单片机会提醒进行充电11。 8051410单片机的电源有上文设计的-1117-3.3芯片稳压后提供。为了降低功耗，并且在
39、不影响电路正常工作的前提下，选取较为低的内部晶振分频频率6.125KHz。最小系统原理图如左图所示。同时最小系统上面还设计了一个调试接口，方便调试所用，如下图所示。 图3-17 8051410单片机管脚图 图3-18 8051410单片机调试电路原理图3.2.7 红外发射电路设计红外发射电路是接收部分的电路。其硬件电路原理非常的简单就是一个灯，原理图如下图所示。只不过这个发出的是940波长的红外光。实现红外数据传输功能主要依靠单片机的控制来实现。图3-19 红外发射电路原理图 3.2.8 发射线圈部分单片机、红外解码电路以及继电器电路设计发射线圈部分需要控制一个红外解码电路，根据接收到的数据来
40、判断接通还是切断发射线圈电源，那么就必须需要一块单片机来实现功能，由于发射线圈部分的单片机要进行的运算远低于接收线圈部分的单片机，而且发射部分单片机直接由直流电源适配器供电，对功耗要求没有特别苛刻11。基于要求和成本考虑，本文选择了宏晶公司生产的5的1单片机1104，这款单片机引脚较少，最小系统易于实现，而且完全兼容传统51单片机。12该单片机的最小系统的原理图如图3-18所示。图3-20 1104最小系统红外传输系统分为发送和接收两部分，发射线圈上的是红外接收解码。设计要求是能够将红外发射电路上的数据解码出来，所以红外接收采用集成化的红外接收头1838。红外接收头内部包含光电二极管、放大电路
41、、限幅器、带通滤波器、积分电路和比较器等。光电二极管是可以吸收光辐射而产生光电流的光检测器。9光电二极管的信号经放大器放大，再经限幅器将幅度控制在一定水平，然后将信号送入带通滤波器，再经积分比较后，输出高低电平。本文选用的1838有三个引脚，外围电路极为简单，如图3.19所示，红外接收管只有三根线，单总线和一个电源，一个地线，设计电路较为简单。图3-21 红外解码电路原理图 1838在接收到已经调制为38的红外波形时，会输出低电平，在未接收到时输出为高电平。最后将高低电平输入到单片机中，经过软件识别就能读取出数据了。单片机根据这些数据来判别是否需要无线传输电能。单片机控制发射线圈上电源的通断是
42、靠继电器来实现的。继电器原理很简单，就是线圈通电产生磁场吸引衔铁，从而控制回路的通断。继电器的常开部分被串联在全桥逆变电路和12电源之间。在没有电池需要充电的情况下继电器处于常开状态，线圈中不进行能量发射。当红外管接收到需要充电的指令后则闭合常闭触点，发射线圈向接收线圈发射电能。当红外管接收到电池电能充满的指令后，继电器常开触点断开，发射线圈断电12。如图3.20，三极管1是继电器的驱动部分，因为继电器闭合线圈电流达到70，单片机的驱动能力不够，所以需要一个三极管来驱动，继电器部分的原理图如图3-20所示：3.2.9 整体原理图设计发射部分和接收部分的总的原理图见附录1和附录2。图3-22 继
43、电器电路原理图4 原理图及设计本系统的电路原理图和布局使用的软件是protel，原理图的布局非常重要，为了减小体积，所用器件尽量使用贴片封装，一些比如逆变电路中的三极管等功率器件选择插件封装，这样有利于散热。无线充电器无线电力传输的初次级变换电路，该电路产生高频交流电和强电磁场，初次级变换电路应该在设计阶段合理安排布局，以减少干扰。布局中，满足以下要求：连线尽量缩短距离，主要的信号线要取最短的路径；大电流区域应和小电流区域完全分开；模拟信号和数字信号布局分开；高频和低频信号隔离。在满足布局要求下，宣召标准化布局使得元器件均匀分布、重心平衡、版面美观。发热器件快打距离，以便于散热。检测元件远离发
44、热器件，以减少温漂影响、元器件的排列应便于调试和维修，小元器件周围不放置大元器件，接口附近留足空间，需调试部分加大间距。芯片去耦电容紧靠芯片电源管脚，并使之与该芯片的电源和地之间形成回路最短。布局确定后，可以进行布线。布线需遵循关键信号优先和密度有限的原则。关键信号线优先指电源、模拟小信号、高速数字信号等关键信号优先布线。密度优先指以连接关系最紧密的器件和连线密集的部分开始布线13。设计应遵循规则：（1）环路最小规则。信号线构成的环回路面积要尽可能小。环回路面积越小，对外的辐射越小，同时接收外界的干扰也越小。在双面板设计中，应将空余部分用参考地普通填充，并过孔等使得双面地连接。（2）串扰控制。
45、串扰是由于两条信号线之间的耦合、互感、互容而引起的噪声干扰。在布线中多由于不同信号线因较长的平行布线引起串扰。应加大平行间距，或者信号线间加隔离地，来克服串扰。（3）布线方向控制。双层布线过程，不同层的信号线应走成正交结构，尽量避免布线。以较少层间串扰。（4）布线宽度控制。隶属同一网络的走线，线宽的变化造成线路阻抗不均匀，而告诉传输时产生反射。所以走线时宽度应保持一致。但对于小封装集成芯片，引出线宽不能过大时，应尽量保持中间走线一致。（5）角度控制。走线时避免产生锐角和直角。以免产生尖端放电和不必要的辐射。遵循以上规范，展示发射线圈部分布线图如图4.1、图4.2所示。图4-1 发射线圈部分图4
46、-2 发射线圈部分5 无线充电器软件设计5.1 红外数据传输解码原理一般的红外遥控器发送数据时，是将二进制数据调制成一系列的脉冲信号红外发射管发射出红外载波为频率38KHz的方波，红外接收端在收到38KHz的载波信号时，会输出低电平，否则输出高电平，从而可以将“时断时续”的红外光信号解调成一定周期的连续方波信号，经过1838一体化红外接收头解调便可以恢复出原数据信号11。如图5.1所示。图5-1 红外数据发送译码示意图解调后的“0”和“1”波形及单片机编码图如图5.2所示。 图5-2 某遥控器一按键解调后的红外编码可以看出这段编码由9ms低电平4.5ms高电平的启始码，26位系统码，及8位数据码、8位数据反码、23ms高电平及结束码组成。根据这一原理，我们只需要用单片机在红外LED灯上发射一段事先定义好的波形，那么通过红外载波就能被HX1838一体化接收管接收并还原成原来的波形。然后单片机识别出这一波形对应的数据。这样红外数据传输的过程就完成了14。本系统设计的红外数据传输格式为16位系统码，8位数据码，还有8位数据反码。5.2 发射线圈部分软件设计 软件部分见附录3。发射线圈部分的软
