51单片机的无线供电模块设计

1引言

无线供电是一种方便、安全的供电装置，之间不需要任何物理连接，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。现在已经用于一些小的家电中，也许在不久的将来将用于室内供电和城市的供电，彻底代替电线，应用前景广泛。本文主要阐述近距离无线供电，具有低功耗、安全等特点，通过单片机检测[1]更好的增加了它的可靠性。

2系统方案设计

无线供电演示装置的设计制作。该电路由电源发射电路、接收电路、检测显示电路三部分组成[2]。

2.1方案论证与选择

方案1：震荡电路

发射电路用NE555产生可以调节频率的对称方波，接L298放大和恒流源模块产生电压12v、频率20MHz的方波信号作为发射部分。接收部分由大电感线圈与整流肖特基二极管构成。检测部分由STC89c51控制AD tcl2543采集电压电流信号[3]。

此方案电路结构简单元件较少，易于控制，成本低。

方案2： 斩波电路

发射电路利用IGBT对直流电源逆变，进行斩波控制，产生交流信号作为发射信号。接收部分同方案1，检测部分主要是AD芯片选用MAX197。

此方案机构简单，但是IGBT的开关频率难于控制，且IGBT价格不合适。

比较上述方案，震荡电路结构简单易于实现，检测部分AD芯片价格合适，整个电路容易实现，所以选择方案1。系统整体框图见图1。

图 1 系统整体框图

2.2整体电路设计

(1)发射电路

用NE555产生可以调节频率的对称方波，接L298放大和恒流源模块产生电压12v、频率20MHZ的方波信号作为震荡部分， 主要是产生高频。

(2)功率输出电路

由于输出驱动信号电压、电流、频率较大，需要一定输出功率驱动线圈，因此，最后需要功率输出电路。可以采用分立大功率晶体管搭建输出电路，也可以使用电机驱动桥式电路集成模块。选择时需要注意电路的频率响应应该大于20kHz，输出功率大于2W。

(3)电流控制

电流控制电路控制输出电流在 100mA左右稳定，不随着电源的变化而发生波动。恒流输出控制不需要特别的精确。一般要求不高的情况下，可以使用限流电阻控制电流的稳定。

图 2 震荡电路及发射部分电路

(4)电源

电源部分电路见图3。

图 3 电源电路部分电路

(5)接收电路

接收部分由大电感线圈、整流肖特基二极管构成。

图 4 接收部分电路

(6)检测电路及单片机选择

STC89C51和12的AD芯片TCL2543功能满足要求价格便宜。显示部分用1602显示检测的电压和电流。

图 5 控制检测显示部分电路

3硬件电路的制作及元件选取

3.1电源的选取

输入直流电压高于所充电池电压8伏即可。如图3中R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路，Q2、W2、R2构成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。随着被充电池电压的上升，充电电流将逐渐减小，待电池充满后R4上的压降将降低，从而使Q3截止，LED将熄灭。为保证电池能够充足，在指示灯熄灭后继续充(1—2)h。使用时给Q2、Q3装上合适的散热器。本电路的优点：制作简单，元器件易购，充电安全，显示直观，并且不会损坏电池。通过改变W1可以对多节串联锂电池充电，改变W2可以对充电电流进行大范围调节。缺点是无过电流放电控制电路。

3.2发射电路元件的选取

(1)震荡电路选取NE555、L298 构成，因为NE555最大能成生500MHE，经过L298的放大作用足以产生我们需要的功率。

F =1.44/(R1+RP1)C2 (1)

依照上式可以控制555芯片的频率。

(2)发射电路中的耦合线圈

发射线圈的制作：在直径40mm的圆环上绕20圈，(25~30)μH(电感量小时接收输出电流大，电感量大时接收输出电流稍小)。发射模块工作电流随接收负载电流的大小自动增减。

3.3接收电路元件的选取

(1) 接收线圈的制作

接收线圈选用发射线圈同样大小匝数绕制，在确定距离后调整线圈的匝数至接收电压稍高于负载为佳。接收线圈输出的是高频交流电压，可以直接给小灯泡供电，给其它电器供电，必须经过开关稳压模块输出直流5V工作电压。如果小电流工作，可适当增加接收线圈匝数来增加传送距离。

(2) 整流肖特基二极管构成接收回路的整流电路，接一个发光二极管当作接收回路的指示灯。

4系统软件设计流程

系统程序流程如图6所示。

图 6 系统流程图

用C语言编写程序，方便简洁易于修改，控制简单[4]。

5结语

本文设计了一个基于51单片机的无线供电模块，此模块具有传输效率高的特点，可作为小型短距离控制器的供点系统应用，制作简单，实用性强，在电子行业有广阔的应用前景。