太阳能无线充电器设计

太阳能无线充电器设计
【摘要】本设计是以单片机为管理核心，采用交流市电和太阳能电池双电源进行供电，将电源进行处理，内部自行产生频率，智能检测有无接收部分，充满电后自行断电，液晶显示实时光照电压、内部蓄电池电压和电源类型。

接收部分和发射部分采用谐振原理，消除了除接收机以外的物件误触发发射机工作。

【关键词】无线充电;智能;太阳能;自动断电
1.设计方案
发射机采用双路供电方式，交流部分采用变压整流稳压，为系统提供正负直流电压，太阳能部分的设计思路是：采用太阳能充放电控制器对内置蓄电池进行充放电管理，电池的输出进入逆变环节，得到双电源输出，市电和蓄电池电压送入双路继电器，由单片机进行选择供电源，双路继电器接至核心板，核心板对电压进行对称调整，为功率三极管供电，核心板的频率产生部分生成可调的频率信号，用产生的信号去推动功率三极管，将信号进行功率放大，利用谐振产生高压，通过线圈发射出去;接受机也利用谐振，通过线圈将信号接收到，进行AC-DC处理，送入负载;在发射线圈上加一个检测线圈电压变化的电路，检测发射线圈所处的三种工作状态，送给单片机，单片机根据信号做出相应的控制;在接收机进入负载前的电路中串入一个电流检测电路，以此来判断负载电量是否充满;单片机根据光照电压，蓄电池电压，发射线圈的工作状态，做出相应的控制;外加液晶显示状态，显示实时的电池板电压，蓄电池电压，以及此时的供电源。

2.硬件设计
2.1 系统总体设计结构
本设计主要用于对常用电子产品进行充电，开机后系统进入自动模式，不用进行任何设置，只需将接收部分置于发射机上，便可进行工作，将接收机拿开后，自动进入待机模式，且扫描有无接收机。

系统结构框图如图1所示。

2.2 太阳能模块
此系统可以使用太阳能进行供电，由于太阳能电池板的驱动力弱，且为单极性电源，因此要对光照电压进行一些处理，方可为无线充电模块供电;此模块主要有太阳能蓄电池、充放电控制器、逆变器三个模块。

图1 系统框图
2.2.1 充放电控制器
此模块的主要功能是保护蓄电池的过冲和过放，使电池的输入和输出隔离;
只要光照亮充足，电池组件就可以为电池充电，当电池两端的电压达到饱和电压时，微控制器进行保护，切断组件电源输入，此模块的负载端是否输出由发射核心板控制，当电池电压过低时，发射核心板关断电池输出，打开电池输入，并且切换到交流市电供电。

2.2.2 逆变器
由于发射核心板需要双电源供电，所以必须对电池输出电压进行逆变，得到双电源;本系统的核心板发射电路所用的电压最高达正负30V，蓄电池输出的最大电压是12V，因此还要对电池电压进行升压，该逆变器也具备升压功能，将逆变器输出电压调节至正负30V，送至发射核心板。

2.3 发射机部分电路设计
2.3.1 电源选择电路
电源选择部分选用的是双刀双掷继电器，由于本设计属于电源类，功率较大，利用模拟开关选择有损耗，且有延迟，双刀双掷继电器可以迅速切换，而且完全隔离。

利用单片机弱电控制功率大电流电源，消除了模拟器件的发热和损耗电流。

2.3.2 双路电源开关
为了使电路的无用损耗进一步降低，利用两个继电器从电源部分切断与功率部分的联系，这样可以使另外一个不工作的电源停止工作。

结构虽然简单，但有效的控制了电源的相互冲突和损耗。

2.3.3 频率产生电路
频率产生部分利用了RC桥式振荡电路来产生发射所需要的信号，RC桥式振荡电路的振荡频率虽然有限，但是满足发射所需要的频率，结构简单，调试容易;由于发射对信号类型要求不严格，只要出现交流信号即可，简易的桥式振荡即可满足。

2.3.4 频率放大电路
由于发射频率较高，而且还要驱动大功率线圈，一般的集成功率放大元件无法满足，且在价格方面较高，在这里，选择的是利用功率三极管来进行功率放大（如图2所示），发射信号对频率的形状要求不严格，不用担心形成失真造成的影响;为了减小在线圈中的损耗，利用RC并联谐振，提高发射电压，降低线圈中的电流，且在接受部分中，谐振频率还可以进行匹配，不用担心其他东西造成的误触发和误接受。

此电路（如图2所示）中的电容C21的作用是进行隔离，三极管的发射极是负电压，如果直接接通，会形成直流通路，产生很大的电压，导致负电源芯片
发热严重，利用电容进行隔离，解决了此问题;电容C4的作用是消除高频信号，以免高频信号会对功率放大产生自激振荡。

图2 功率放大电路
2.3.5 物件检测电路
本设计具有智能化，可以自动检测有无接受机置于其上，由于发射和接收电路之间是进行过频率匹配的，可以进行谐振，当有接收机置于其上时，发射线圈上的频率幅值会发生变化，且发射频率会变的稳定，检测电路（如图3所示）检测发射线圈上的信号变化，便可知道有无物件置于其上。

图3 从机检测电路
根据线圈电平所发生的变化，可以得到三种关键电平，让三种电平去触发不同的触发器，得到三路输出的信号，单片机检测相应路上的电压，便可判断此时处于那种状态，三极管的作用是进行高电平识别。

比较器加正反馈的作用是可以迅速的进行临界电平锁定，消除在临界电平时，比较器输出不稳定的现象。

2.4 接收机部分电路设计
2.4.1 信号处理电路
由于接收到的信号为高频信号，一般的整流桥无法很好的处理，在此利用快速二极管搭的整流桥，由于在传输过程中，为了减小在线圈上的损耗，因此电压高，电流小，所以稳压电路要用恒功率传输形式，使用LM2596的标准ADJ电路模式即可。

利用LM2596进行恒功率降压传输，可以不用高频变压器，便可进行功率传输，电路结构简单，调试容易，使用简单。

2.4.2 电流检测电路
在LM2596ADJ和负载之间串入一个电流检测电路，此电路的作用是检测输出的电流，根据电流的状况来控制接收机工作与否;现在的电子产品都内置充电管理电路，当充满电后，便断开或进行脉冲充电，此电路便可以检测电流的变化，当出现变化时，断开线圈与接收机之间的连接，发射机的线圈信号呈现出充满电时的状态，检测电路（如图5所示）检测到后送给单片机，单片机便停止功率发射。

图4 电流检测
检测电路利用ACS712EL电流检测芯片（如图4所示）来检测流入负载的电流，此芯片将电流转换成相应的电压，由于此芯片检测的电流最大可达5A，检测充电电流所转换到的电压很小，所以后级还需要对电压信号进行处理，并转换成相应的开关信号，对前级进行控制。

图5 检测信号处理电路
图6 程序流程图
此电路（如图5所示）将得到的微弱小信号进行放大、平移，得到合适的电平，经最后一级的比较器输出高低电平，为了降低损耗，利用MOS管作为开关管，由于运放输出的高电平太低，利用三极管进行转换，来控制MOS管的开关。

2.5 显示部分电路设计
显示部分电路采用LCD12864液晶屏显示相关的信息，信息包括当前外部光照电压，内部蓄电池电压，此时的电源类型以及充电状态。

光照电压也可以间接地反映外面的温度，可以在室内了解室外的光照强度。

3.软件设计
本设计中的软件是实现该设备智能化的核心，使用51单片机进行控制，使系统可以根据实时状况进行相应的调整，并且进行显示相应的参数。

（如图6所示）
程序在时刻不停的检测系统发出的信号，及时的做出的相应的控制，并且显示相关信息，使系统得以实现自动化。

4.系统调试
此系统的调试是非常的重要，系统调试的结果决定系统的稳定性和系统效率，由于本设计属于非接触性电能传输，频率和电压直接影响接收机所接收到的功率大小，甚至接收机能否接收到发射出的功率。

4.1 发射系统调试
4.1.1 发射频率调节
发射频率是由RC桥式振荡电路产生的，改变其中的电阻，便可调节频率，在这里加上精密电位器进行调节，发射电路是RC并联谐振，先粗略的将频率调节至计算的谐振频率点，然后在发射线圈两端加上示波器，缓慢的调节电位器，调节至线圈上的电压峰值最大，此时的频率就是该RC并联的谐振频率。

4.1.2 发射电压调节
发射电压也决定着发射的功率，这里利用的是双电源，负电源处的电位器调至输出电压最大即可，然后再调节正电源处的点位器，方法和调节频率一样，寻找最大的发射电压点，这样保证发射线圈上的电压最大，在线圈上的阻抗一定时，保证了最大电流的发射。

4.2 接收系统调试
电流检测调节摘要：电流检测电路是接收接收机里面唯一一个控制电路，如果电流检测电路没有调试好，接收的功能之完成一半，当电充满时，无法关闭发射机，会损耗不必要的能源;接收机主要调节的是放大后的电平高低，如果调节不准，将会使触发电路无法触发，导致无法自动关闭系统。

5.总结
在制作过程中，有很多地方还是值得自己以后借鉴的，有一些电路是在网上找到的，然后根据自己的具体情况进行调整，实现了相应的功能，但是有的电路却不能，而且频率越高，信号越弱，也就越难控制好，经过了几个月的制作，总算弄好了。