基于单片机无线充电器设计

基于单片机无线充电器设计
摘要
21世纪新科技信息化，科技技术猛速发展，无线充电技术应用发展疾速，许多新兴的无线充电产品逐渐浮现出人们眼球。

可是,我们要怎样驱动这些产品呢,我们试用过很多方法做过很多研究,发现它们都有一个共同点,是什么呢,就是这些产品需要用电来驱使,但是用到电的话，我们充电的时候必然使用到带数据线的充电器，如果家里面家用电器很多，随处可见的都是线，数据线的增加，不仅使产品成本提高，尤其是在旅行出游，外出工作时，及其麻烦。

因此，无线充电器技术猛速发展必将会取代传统充电技术，无线技术在未来必将成为推动社会发展的一个重要因素。

所以，本毕业设计设计一个，利用单片机技术制造比较简陋的无线充电器,来实现这次设计无线充电目的。

关键词：单片机；无线充电；电磁感应；电磁耦合；线圈；
Abstract
21st Century new technology informationization, technology rapid development, wireless charging technology application development rapidly, many emerging wireless charging products gradually emerged people eyeball. However, how we want to drive these products, we tried many ways to do a lot of research, found that they have a common denominator, what is, is that these products need to be powered by electricity, but the use of electricity, we must be charging the use of the cable with data line charger, if home appliances are many, everywhere is line, the increase of data lines, not only to improve the cost of products, especially in travel, out of work, and trouble. Therefore, the rapid development of wireless charger technology will replace the traditional charging technology, wireless technology in the future will become an important factor in promoting social development. Therefore, the graduation design and design one, using single-chip microcomputer technology to make a relatively humble wireless charger, to achieve this design of wireless charging purposes.
Key words：Singlechip；wireless charging；electromagnetic induction；electromagnetic coupling ；coil；
目录
1.绪论 4
1.1国外的发展概况 4
1.2国内的发展概况 5
2.无线充电系统的硬件设计 6
2.1设计要求 6
2.2电磁感应概述 6
2.2.1 电磁感应原理 6
2.3 影响无线充电性能的各种因素6
2.3.1线圈选择 6
2.3.2系统电路的损耗7
2.3.3 线圈位置的摆放7
2.4发射部分电路设计7
2.5接收部分电路设计8
2.6主要芯片资料10
2.6.1.XKT-408芯片：10
2.6.2 NE555资料11
2.6.3PWM硬件电路设计：12
2.6.4时钟电路：A T89C52外部的时钟电路。

12
3无线充电系统的软件设计13
3.1软件介绍13
3.2程序设计14
3.3系统程序流程图14
4. 无充电器设计方案16
4.1无线充电器设计选择方案16
4.1.1 基本的计算公式17
4.2谐振电路方案选择18
4.3高频信号发生电路比较与选择19
4.4无线充电原理分析及公式运用19
5测试结果及分析23
结束语24
致谢25
参考文献27
1.绪论
21世纪是科技信息化时代，科技技术飞速发展，人们的需求也不断地发生变化,落后的科
技产品再也不能满足我们需求,人们科技含量的要求也会变得更加苛刻了，很多科技产品需要不断地更新来满足我们的要求。

关于无线充电器技术在国内外已经研究和讨论过很多年，一些科学家不断地探索，不断地努力，努力研究出很多科技新产品.
无线充电技术已经普遍得到广大民众的认可，但是在应用方面的推广还不到位得到位，只涉及到一些小的领域，并没有受到技术设计人员所普遍应用，因为存在某些我们不能想到的限制原因，还需要科研人员坚持不懈探索和研究。

社会生活质量快速提高，对技术含量要求也越来越高，无线充电在将来的某一天，必定会成为未来社会科技发展的一股新主流。

无线充电技术的优越性在小功率上特别突出，比如小型直流用电设备，无线对讲机，微型计算机，小型便携式家用电器等。

但要实现大功率无线传输，恐怖做到这个程度稍微有点困难了。

无线充电技术经过不断地研究和讨论，它不久应用与无线充电方面，有的已经发展到无限通信领域上了。

无线技术应用的普及，随着WiFi、3G、微波等无线传输技术发展迅速，无线传输技术已经被各行各业所接受，被广大用户看好。

因为无线传输其便于携带、灵活性强、效率高等特性，让人们更加方便、快捷的使用。

并且与传统有线相比有着巨大的优势，无线充电不用外接的充电口，不易影响产品性能，有利于增长产品使用寿命；无线充电器在材料上也有着极其大的有点，它不用更多的线进行充电，达到了省材料和低成本的效果；也可以改变现在很多充电口不兼容等缺点，为出行带来便利；同时在信息技术中，无线技术也相当重要，它应用到网络传输方面，所以对于无线传输技术发展现状和发展趋势的研究就显得十分有必要,需要科技人员的努力了，无线技术在未来必将成为推动社会发展的一个重要因素1.1国外的发展概况
无线充电技术广泛产业化应用,是经过三大企业联盟集合全球数据统计分析,分别研究了这三大企业联盟规模状况，还有三大联盟的成员国家和区域分布,以此反映全球以三大企业联盟为核心的无线充电行业的的发展现状。

经研究结果表明,中国成员涉及的企业众多,可是在无线充电技术上不够完善,我们应该从终端产品代工向上游核心技术研发生产转移,努力扩大无线技术发展领域，使得无线充电技术大众化。

无线充电技术必定会慢慢渗透到我们日常生活中，尤其是应用到这些充电设备方面，比如智能手机，无线对讲机等等，无线充电技术在很多方面不够完善，也不是很成熟，现在还不是很适合使用，所以在21世纪时代还没有受到普遍使用，但是在未来社会发展中无线充电技术这股新主流，一定取代传统有线充电。

无线充电技术在美国，德国，法国，英国等发达国家取得突破性的进展，有些已经应用到飞机，电动汽车，还有医疗设备领域上了，比我过领先了一大步。

1.2国内的发展概况
我国，无线充电技术还没受到普遍使用，也没有像某些发达国家取得了突破性进展，延续到现在都没有国外研究极其深入，但是有很多无线充电科技产品不断开发和研究在国内已成为事实。

因为存在这一些因素制约，比如说，充电效率，距离等问题的限制，所以，我国目前只能把无线充电功能应用到某种相对于功率极小，日常生活所备的电器上面，我们平时放松所用的MP3,照明的手电筒。

没有达到国外终极水平，能够把它应用到终端设备上，像他们能够应用到无人飞机，但是，相信我们国家是有着无尽的能量，我们国家在无线充电技术这领域上会不断的突破，并且取得巨大的成就。

2.无线充电系统的硬件设计
2.1设计要求
对于我们所要求制作实现的无线充电器应实现以下几项要求
（1）无线充电器能保持稳定的大于10MA的电流输出
（2）无线充电器与外接充电设备的最大传输距离应当大于5cm
（3）电源效率应当大于百分之10左右
通过以上功能要求，能够帮助我们更快且有目标的完成实物的设计并且完成制作。

2.2电磁感应概述
本毕业设计涉及到电磁感应知识，所以要不断查阅和学习，充分把相对应部分知识掌握了，理解电磁感应需要用到的模块，加深记忆，积累知识。

2.2.1 电磁感应原理
在变化磁通磁通变化莫测，这时我们放进一个能导电的物体，在磁通中必然有个电动势，如果我们用线把导体变成一个回路，在回路中将会产生感应电流。

电磁感应用说得简单一点是电生磁，磁生电。

我们可以用楞次定律判定感应电流的方向。

2.3 影响无线充电性能的各种因素
所说的影响无线充电器性能，无非就是我们说产品节能如何，质量如何，耐不耐用，但影响充电性能不仅仅是这几种，还有各方面的因素。

尤其以下方面需要注意。

2.3.1线圈选择
线圈的材质、构成、大小等因素，与无线充电性能有着必然的关系，都会影响传输效率。

从材质来说，多数线圈都是用铜做的，本次毕业也选用铜导线，因为这种线圈导电性好，成本低。

从结构来说，线圈有平面线圈，片状，还有一种薄膜状；它们有单层，多层，现在线圈大部分是多层的，因为多层导电面积大，导电性好，效率高。

本次毕业设计线圈的选择主要考虑其成本，实物大小来选取。

所以我采用的是铜材质的线圈，线圈以半径大约8.3cm呈圆形环绕，不断缠绕，绕圈匝数11圈左右。

2.3.2系统电路的损耗
为了能使无线传输效率达到最好传输效果，两端线圈要把它摆放到合适的距离，这样电路才能得到比较好的传输效果，使整个系统消耗功率减到最小，最值得我们关注的问题，有三点因素，发射电路，接收电路对充电的影响，耦合线圈也在范围内。

如果要降低发射电路传输损耗，目前有两种方案，一种是不断改善发射电路的设计，也可以选择低消耗的器件来优化电路，达到目的。

另一种方法是适当提高电压，不能过大，因为
有些元器件在高压下长时间工作容易损坏，增加发射线圈和接收线圈两端的电压，对系统电路传输效率大大提高。

接收电路部分，需要的是不断改善接收电路的设计，也可以选择低消耗的器件来优化电路，达到目的。

还有的方案，把线圈两端的交流电变成直流电。

因为整流桥的二极管在工作时会产生不必要的电能消耗，就需要经过DC-DC变换和AC-DC转换了，整流后还需要对电容滤波。

还可以适当的降低两端的电位差，适量的慢慢提高电压数值，使得无线充电性能的传输最大化效果。

2.3.3 线圈位置的摆放
线圈互感大小与线圈的摆放位置有着密切的联系，位置的不同对充电性能的影响也不同。

水平摆放，垂直摆放和倾斜一定角度，在这就说以上三个摆放位置。

如果线圈在垂直面上，发送和接收两端尽量靠近一点，因为两者之间传输距离过大的话，感应就会减弱，接收不到信号，影响系统传输效率。

把线圈放在水平面上，发送和接收两端必须保持在同一轴上，偏离越远，线圈的感应就会变得越差。

最好的摆放位置属于水平放置，倾斜摆放的话，最适合的角度不要超过5度。

2.4发射部分电路设计
发射电路主要由：NE555+MOS管驱动+发射线圈+12V直流电源+稳压模块,LM2596降压模块、驱动芯片IRF540、等主振电路采用有滤波作用有源晶振，作为次发射电路振荡器。

有源晶振在功能上有着滤波作用，它经过低通滤波器除掉某些杂波，去除不必要的方波后就能够得到所需的稳定的方波了。

其电路如下
图1无线电能发射电路
2.5接收部分电路设计
制作接收模块：接收线圈+半波整流+51单片机+LM7805+输出电路+显示屏+系统安全电路整个电路分别由三个部分组成，一是接收线圈，接收发射端发出的信号；二是整流电路，这部分电路用由电解电容并联可得，对整个电路整流，从而得到稳定电流；还有的是稳压电容，它的作用稳定电压，避免元器件烧坏使得无线充电性能大大的提高。

其电路如图2。

图2 无线电能接收电路
LM2596降压模块对电源电压实行简单的降压，得到稳定电压，对电路的NE555芯片输送电压，然后经过驱动芯片，最后接收端线圈收到电信号，给系统提供最稳定，合适的电压。

NE555是一种能产生震荡波的芯片，绝大多数多谐振荡器电路都由它组成，起到了极其重要的作用，因为NE555可以为整个电路提供相应震荡波形，不仅功能多种多样，下面是NE555芯片每个引脚功能描述：
Pin 1接地端口，一般连通电路，接地，加强安全防护。

Pin 2触发端口，触发NE555芯片周期，电路正常工作。

触发信号电压。

Pin 3输出端口，接通输出端，NE555工作时的引脚位，它会产生一个高电位，周期停止了，产生一个低电位。

当NE555在高电位时，可以得出输出电流，取值范围在320 mA左右。

Pin 4复位重置端口，在接到一个低逻辑电位时，使定时器重新开始运作，作用就是可以把输出变成了低电位。

Pin 5 控制端口，对频率实行调整改变，计时器工作开始后，经过振荡，把电路稳定后，提供适合频率
Pin 6重置锁定端口，和Pin4引脚大同小异，不过这个接脚电压有着条件限制，必须调节
电压，才能正常体现以上作用。

Pin 7 ，有着对电路放电作用，控制着电流的输出，起来关键作用，在一定的条件下，实现高低阻抗转换。

Pin 8正电源电压端。

向电路提供一个电压，但是有取值范围限制，+3.5V~12V之间即可。

2.6主要芯片资料
2.6.1.XKT-408芯片：
XKT-408芯片具有准确性高,性能好,工作时相对稳定，不过集成方法困难，制造过程比较繁琐，近几年在无线充电领域上随处可见，在某些领域上也被使用，像军事方面，安全防护技术方面，都可以体现出它具有极高的安全性。

XKT-408芯片可以影响电路电能的传输和发送，它功能就是把电能传输到负载，开始供电，根据无线充电技术应用,接收模块在运作时，XKT-408监控整个电路的工作，标志着电能是否能传输到负载。

如果适当用一些器件辅助XKT-408，无线充电目的就会轻易达到。

芯片特点：在一定的电压下，开始运作并且可以锁定某些数值，它不仅能自动检测，还可以相当于一个控制器，自动调节系统功率数值，还具有传输速率快，节省时间，效率高并且易集成，不需过多元件作辅助，大大节省成本，经过不断改进，慢慢渗透现实生活中。

(2)脚位图及描述
部分引脚序列功能作用
01 FIN 对电路频率检测
02 AIN 测量电压，实现检测
03 IN 对整个回路检测
04 VDD 接通电路电源正极
05 OUT1 接通输出端，导通电路
06 OUT2 抗高压，接通回路
07 AO 对回路实现雕节
08 GND 实现安全功能，接地
表1 脚位图
(3)芯片工作参数
名称参数工作环境最低取值标准
取值最高
取值常用单位
ADD 电压
取值28℃ 4 11 17 V
IA 芯片消耗功率14℃ 2 2 13 W
M 电路电流输出7℃2 3 300 mA
表2芯片工作参数
(4)芯片在工作中最高取值范围：
工作环境：一般作用在-48℃到+132℃
存储极限温度：适宜在低温情况下工作，范围在-65℃到+150℃
芯片的极限工参电压：+12V
电路输出电流：950mA
2.6.2 NE555资料
表3引脚功能表
引脚顺序功能描述
01 VCC 控制作用，电源端
02 Control V oltage 对电路控制，电压端
03 Reset 控制着电路输出
04 Output 对电路复位
05 Trigger 触发作用
06 Discharge 导通电路，放电作用
07 Threshold 实现控制功能
08 GND 实现安全功能，接地
图3 NE555电路内部方框图
A1比较器控制着电平的高低，当触发器收到A1的高电平是，通过RS触发器给3管脚输入一个电平，就可以得出管脚3最后的电平。

给2脚一个高电平，不能实现该管脚功能，高电平只对6管脚有用。

当给2脚一个低电平，触发器收到信号后，输出高电平，所以3管脚与触发器电平相同。

不管是什么电平，只要4管脚是高电平，RS接收到信号后，实行复位功能，最后得到一个低电平，也就是说3管脚也是低电平。

要把电路导通，放电功能实现，就只需给7脚一个高电平。

2.6.3PWM硬件电路设计：
图4电源电路。

2.6.4时钟电路：A T89C52外部的时钟电路。

图5外部时钟接法
图6时钟复位电路
3无线充电系统的软件设计
基于单片机无线充电的设计，就需要用到Keil uvision5和C++以及DXP软件，来编写和编译程序。

3.1软件介绍
Keil uvision5工作中如下图
图7 Keil uvision5工作中
Keil uvision5是由美国研发出编程软件，它兼容了51系列单片机某些优点，在功能上，灵动性，结构性等方面能够体现出很大的优势，它储存容量大，范围广，是一款已集成的强大仿真调试软件，用它来编写程序是一个相对正确的选择。

3.2程序设计
通过用for,if语句用C语言进行简单的编译，当开关按下时，发送模块稳压管进行降压，向NE555等芯片输送适当的电压，然后接受模块A T78C52单片机受到相应的信号，实现相应功能，最后经过二极管整流后得到稳定的直流电流，从而为负载供电。

3.3系统程序流程图
图8无线发送系统流程图
图9无线接收系统流程图
4. 无充电器设计方案
总体分成两大部分，有发送模块和接收模块组成，发射电路通过发射线圈和接收线圈间磁耦合谐振进行电能的传输。

发射电路经过LC自激振荡将能量传递给接收电路。

4.1无线充电器设计选择方案
一：利用两端线圈相互感应，结合电磁感应原理，对负载传输电能，达到无线充电目的。

电磁感应是磁与电之间相互转换产生的现象，是现在科学的重大发现。

电磁学中以电磁感应为基础，对它加以利用，生活中变电站向居民供电所应的设备，就是与无线充电有着相似共同点，它们工作原理实现的目的都是负载供电。

由于该方案成本高，传输效率低等缺点，不适合本设计要求，会影响本设计进度，不应该选择这方案。

二：磁耦合谐振式无线充电器运作方式，可以采用有着成本低，传输效率高等优点的谐振磁耦合技术，它的传输原理比较简单，构造也不是很复杂，制造也相当容易，所以这次毕业设计选择这个方案，具有可靠性，实在性。

为了能够进行无线充电，各个过程能顺利实现自身功能，最后把电能成功传到负载，利用相关材料，与本设计相结合起来分，设计一个符合要求，制作了一个磁耦合谐振式无线充电器，如图10所示。

图10电能充电器结构框图
用上图，大概得出无线充电简略传输过程，当接通电源，U1开始传输，我们把它称作输入电源，当电能传送到驱动电路时，驱动电路接到电信号，开始运作，这时候它会有振荡信号，最后由发射线圈传输给接收端。

接收线圈接收到电信号后，接收电路部分开始工作，整个系统经过电能转换，最后把电传到负载设备，实现无线充电。

4.1.1 基本的计算公式
为了实现无线功能的传输我们需要运用如下公式。

（1）E=nΔΦ/Δt，法拉第电磁感应定律的公式。

（2）E=BLV sin A是切割磁感线运动公式。

运用公式前，要提前判断好方向。

图11用楞次定律判断感应电流方向
（3）Em=n BSω 利用这个公式，可以计算出电动势Em最大值。

（4）E=B(L)ω/2 电磁感应延伸公式，结合角速度，计算E的值
PWM硬件电路设计：此电路电源作用就是变压，整流，对负载提供稳定有安全的电压。

图12 电源电路图示
时钟电路：
A T89C52外部的时钟电路。

图13外部时钟接法
图14时钟复位电路
4.2谐振电路方案选择
本设计使用并联式谐振电路其基本电路如图13所示，该电路选择信号能力与Q值有关，如果Q值越高代表着选择信号能力就越强。

线圈和电容选择是非常重要，因为会直接影响到电路的的“磁耦合”，为了达到目的，一定要选定好适合系统电路的线圈和电容。

考虑到电子器件的性能，系统的工作频率越高对器件的要求也越高，为了平衡这一关系，同时达到系统的频率要求，本系统在实际设计中并联谐振电容，以降低谐振线圈的谐振频率。

为使线圈谐振频率在0.8-2MHz左右，采用在线圈两端并联电容。

电容量、电容损耗、工作电压、绝缘电阻、频率特性和温度系数是电容器选择时需要考虑的特性参数。

由于本设计中所选电容需要工作在较高频率，因此电容高频工作时的特性需要考虑。

在高频工作时，电容损耗增加工作稳定性变差，因此电解电容和纸质电容不适合高频电路。

综合考虑瓷片电容具有较好的高频性能，其是一种用陶瓷材料作介质，在陶瓷表面涂覆一层金属薄膜，再经高温烧结后作为电极而成的电容器。

瓷片电容有着意想不到的优点，它传输效率高，体积小，它的抗高压能力可以使它在高频电路工作。

由于瓷片电容器非常适用于高频电路，本设计选用瓷片电容器作为谐振耦合无线电能传输系统的谐振电容。

图15并联谐振电路
4.3高频信号发生电路比较与选择
第一：信号发生器部分具有数模转换，除去杂波，滤波功能，最后能够得出纯净的波形。

它利用单片机与DAC0832相结合，为整个电路实现波形。

在低频信号作业中显得十分稳定、性能极高，而且操作起来难度不大，关键是体积小不占地方，消耗低等优点。

同时它产生的方波频率过大，输出频率与其它设备相比略低等缺点。

第二：先进的FPGA已经成为社会科技发展的一股新主流。

FPCA的优越性不仅在小功率上特别突出，FPGA具有灵动性，能够对波形灵活控制。

它的编程逻辑能力更是得到广大科研人员的认可，在火箭发射，军事武器等领域都有采用到PFGA。

第三：用NE555芯片做成一个电路简单，低成本信号发生器，这种信号发生器能够产生方波，能高频信号，调试简单，节省时间，测量频率也相当容易，不需过多步骤，功能转换通过硬件电路调试就能实现。

根据由上功能描述，与本设计综合考虑，选择第三方案产生高频信号。

4.4无线充电原理分析及公式运用
基于磁场耦合谐振的无线充电传输装置由高频驱动电路、发射回路和接收回路构成，其中发射回路包括驱动线圈和发射谐振线圈，接收回路包括接收谐振线圈及负载线圈电路。

发射线圈和接收线圈均为两个固有谐振频率相同的LC电路，当驱动信号频率与线圈固有谐振频率相同时，发射、接收线圈发生谐振，在磁场的作用下两线圈之间产生很强的耦合，实现电能的无线传输。

示意图如图16所示。

图16
上图，发射线圈S与驱动线圈A耦合，接收线圈D与负载线圈B耦合，A与S、D与B 之间的距离、很小，它们之间主要是近距离感应耦合。

系统正常工作时，驱动线圈A周围产生一个高频交变磁场，发射线圈S利用电磁感应从驱动线圈A获得能量，接收线圈D 和发射线圈S具有相同的频率而发生谐振，两线圈之间形成一条能量传输通道，实现电能的无线传输。

接收线圈D中开始存储能量，利用感应耦合把能量转移到负载线圈B中，供负载使用，从而实现了电能在一定的距离内连续不断的传输。

还可以从线圈的两端接入一个相同频率的电容，调节发射线圈S和接收线圈D的谐振频率。

为使无线传输系统简单化，上述传输系统的发射回路可以简化为只包括发射谐振线圈，接收回路可以简化为只包括接收谐振线圈，如下图17所示就是本设计的简化模型。

图17磁耦合谐振式无线电能传输系统简化示意图
谐振频率公式：
（1）
可知，如果忽略线圈自身的分布电容，根据上式计算，不能准确的得到线圈谐振频率数据，所以要采取实验中传统方法，测量多组数据，通过相对麻烦的计算，求出平均值，得出准确频率数据。

虽然实验中采取了比较麻烦实际测量的方法，但是准确性高。

负载部分可以用发光二极管作为辅助，把发射端线圈与信号发生器两者相互串联起来。

，在发射、接收线圈的距离不变，不断调节信号发生器的频率，发光二极管达到最亮时，就是信号发生器的频率，这时候也是线圈的谐振频率。

由于磁耦合谐振无线电能传输系统的最佳频率段为0.5-30MHz，显然频率也不能无线的增大，且频率越高对器件的要求越高，而市面上的器件往往不易满足大频率的要求。

对于确定的磁耦合谐振式无线电能传输系统，当系统的频率变化时，传输效率也发生变化。

当系统的驱动信号频率与线圈的谐振频率相同即时，传输效率最大；当系统的驱动信号频率偏离线圈的谐振频率时，传输效率逐渐下降。

两线圈间的耦合系数k表征的是两个线圈间的能量传输速度，主要是由两线圈间的距离来。