无线供电

1.电磁谐振无线供电系统总体框图
2.要求
（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm 、输入直流电压U1=15V 时，接收端输出直流电流I2=0.5A ，输出直流电压U2≥8 V ，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。

（45分）
（2）输入直流电压U1=15V ，输入直流电流不大于1A ，接收端负载为2只串联LED 灯（白色、1W ）。

在保持LED 灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x 。

（45分）
（3）其他自主发挥（10分） （4）设计报告（20分） 3.说明
1)发射与接收线圈为空心线圈，线圈外径均20±2cm ；发射与接收线圈间介质为空气。

2)I2 = 应为连续电流。

3)测试时，除15V 直流电源外，不得使用其他电源。

在要求（1）效率测试时，负载采用可变电阻器；效率。

22
11
100%U I U I η=
⨯
2)制作时须考虑测试需要，合理设置测试点，以方便测量相关电压、电流。

3.线圈：
因为发射与接收线圈为空心线圈，线圈外径均20±2cm，线圈的绕法有三种方式：缩绕、多层平绕和单层同心圆绕。

经过比较单层同心圆绕的传输效率最高，因此选用单层同心圆绕。

，由LC串联谐振，得到电容值为单层同心圆绕，测出电感值约为100H
3300p，因此谐振频率约为80KHz。

为了获得最大电流，从而传输效率达到最大值，则发射电路与接收电路中的线圈感值，串联的电容应相等。

4.信号发生电路：
信号发生电路
说明： TL494是一个固定频率脉宽调制电路。

由内部线性锯齿波振荡器产生正向锯齿波，实现脉冲宽度调制。

它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。

芯片TL494内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节（见图1）。

输出电容的脉冲其实是通过电容上的正极性锯齿波电压与另外2个控制信号进行比较来实现。

功率输出管Q1和Q2受控于或非门。

当双稳触压器的时钟信号为低电平时才会被通过，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。

当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小（见图2，3）。

控制信号由集成电路外部输入，一路送至时间死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。

死区时间比较器具有120mV 的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波的周期4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。

当把死区
时间控制输入端接上固定的电压，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V 变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降为零。

2个误差放大器具有从—0.3V 到(vcc —2.0)的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉的到。

误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调智器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制电路。

L494是一个固定频率脉宽调制电路。

由内部线性锯齿波振荡器产生正向锯齿波，实现脉冲宽度调制。

TL494输出方式控制脚13与参考电压脚14相接，功率输出管Q1和Q2受控于或非门，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。

当
控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

5脚CT 产生的振荡频率为T T osc C R f 1
.1=
（RT 为6脚输出，CT 为5脚输出)。

5.驱动电路：
驱动电路主要由两个IR2110交替控制H 桥桥式驱动电路上管升压，下管原压（保持原来的电压不变），获得相邻时间间隔的脉冲（死区时间），从而产生正弦交变电压，进而利用电磁感应原理将电能转化成磁场能。

而最大限度的将电能转
化为磁场能，即线圈中电流最大，则使LC 串联谐振，谐振频率：LC f π21
0=
（L
为电感感值，C 为电容容值）。

6.接收端：接收端要求输入直流电流，而接收线圈与电容谐振后得到高频的交流电流，因此必须整流，得到直流电流。

又因为电流是高频的，器件做热功容易损耗电能，因此需要并入六个小电容滤波，减少损耗。

该无线电能传输装置的效率η：
%
100
1
1
2
2⨯
=
I
U
I
U
η
（U1为输入电压，U2为输出电
压，I1为输入电流，I2为输出电流）。

7.测试数据与结果
振荡频率为86.7K，保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2=14.4 V，无线电能传输装置的效率η=53.9%。

2、输入直流电压U1=15V，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。

在保持LED灯不灭的条件下，延长发射线圈与接收线圈间距离x，输入直流电流达到0.97A时，LED灯刚好不熄灭，得到最大距离x=31cm。

3、自主发挥，输入直流电压U1=15V时，保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm不变，通过测试不同负载的输入输出电流电压得到不同距离的输出效率。

由表2可知，当R=12Ω时，无线电能传输装置的效率最大η≈63.1%。

表2 X=10cm 时不同负载工作模式下输出效率的情况
2.数控稳压电源
1. 系统设计
设计并制作数控直流电流源。

输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。

其原理示意图如下所示。

图1.1 数控直流电流源原理示意图
1.1 设计要求
题目要求设计并制作数控直流电流源。

输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。

其要求如下:
1.1.1 基本要求
（1）输出电流范围：200mA～2000mA；
（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10 mA；
（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤10mA；
（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10 mA；
（5）纹波电流≤2mA；
（6）自制电源。

1.1.2 发挥部分
（1）输出电流范围为20mA～2000mA，步进1mA；
（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置(可同时或交替显示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+3个字；
（3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+1 mA；
（4）纹波电流≤0.2mA；
（5）其他。

1.2 总体设计方案
（1）恒定电流源模块方案
方案：采用开关电源的开关恒流源。

其组成方框图如图1.2所示。

图中C1、C2为滤波电容；K是开关器件；D是续流二极管；L是扼流圈；PWM是脉宽调制电路；KF是电流反馈电路；R0是电流取样电阻。

在原理图电路上，通过精选元器件和采用合理的结构设计，可以使电路的分布参数得到有效控制。

采用开关电源的开关恒流源主要特点是：振荡反馈电容小，阻抗大，反馈电流小。

图1.2 采用开关电源的开关恒流源组成框图
（2）控制器模块方案
方案：采用AT89S52作为控制模块核心。

单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过ISP方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

选择方案,利用AT89S52单片机将电流步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动恒流源电路实现电流输出。

输出电流经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过补偿算法调整电流的输出,以此提高输出的精度和稳定性。

在器件的，D/A转换器选用12位优质D/A转换芯片TLV5618，直接输出电压值，且其输出电压能达到参考电压的两倍，A/D转换器选用高精度16位模数转换芯片AD7705。

（3）方案：使用LCD显示。

LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

选择方案。

采用19264D汉字图形点阵液晶显示模块同时显示电流给定值和实测值。

（4）键盘模块方案
方案：采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目，而且可以做到直接输入电流值而不必步进。

题目要求可进行电流给定值的设置和步进调整，需要的按键比较多。

综合考虑两种方案及题目要求，采用方案。

（5）电源模块方案
系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要±12V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为2000mA，电源需为系统提供足够大的稳定电流。

综上所述，采用三端稳压集成7805、7812、7912分别得到+5V和±12V的稳定电压，再外对LM7812加功率管构成扩流电路,达到可以提供3A以上的电流。

利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。

1．2．2 系统组成
经过方案比较与论证，最终确定系统的组成框图如图所示。

图1.5 系统组成框图
2. 单元电路设计
2.1 恒定电流源电路设计 恒流源电路主要由运算放大器和大功率管等组成，如图2.1所示。

图中U1是LF356，这是一个JEFT 输入的高速宽带运算放大器，可以稳定工作±2V —±40V 之间。

具有输入阻抗高、带宽高(5MHz)、速度快(12V/us)、噪声低等优点。

U1A 、R 3、R 5组成电平转换电路，保证U1B 的同相端电位随直流电压V AC 的变化而同步变化，使得D/A 转换后的电压值与R 5上的电压值相等，即满足V AB =V IN ，以避免直流电压V AC 变化时电路的输出电流也随之变化。

U1B 、Q 2与Q 3构成电压跟随器，因此有V AB =V AC ，该电压跟随器和R 5等一起组成一个V/I 转换电路。

由此得到恒流源输出电流的大小为:
/(67)o IN I V S S =+
对于题目基本要求中的输出200mA —2000mA ，在实际电路测试中容易达到，但考虑到发挥部分的输出20mA —2000mA ，受限于元器件的来源，我们采用了分段控制电路，在软件上也加以辅助，从而用较常见的器件实现了题目发挥部分的输出20mA —2000mA 的要求，
图2.1 恒流源电路图
2.2 控制器电路设计
2.2.1 单片机最小系统设计
通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理运算，并显示其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出，并驱动显示器显示当前的电流值。

最小系统的核心为AT89S52，为了方便单片机引脚的使用,我们将单片机的引脚用接口引出,电路如图2.2所示.P0口和P2.0～P2.3是LCD接口；P3口作为A/D与D/A转换接口,其中P3.0～P3.2是D/A转换器的接口；P3.3～P3.7是A/D转换器的接口;P1口为键盘接口。

3
图2.2 由AT89S52为核心的单片机最小系统
2.2.2 A/D、D/A电路设计
2.3 键盘电路设计
在设计中，使用标准的4x4键盘，可以实现0～9数字输入，“+”、“-”、“设置”。

其电路图如图2.4所示。

CON8
图2.4 键盘电路图
2.4 显示器电路设计
本设计采用RT19264D STN型汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192
个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（12X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

可显示内容为192列×64行，还带多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡
眠模式等。

RT19264D与单片机接口：8位或4位并行/3位串行。

在本设计中，采用8位并行接法，RT19264D
与单片机P2口相连，用于显示设定值与当前测量值。

其接口如图2.5所示。

图2.5 RT19264D接口
2.5 稳压电源电路
在本设计中,运放需±12V供电，单片机和A/D、D/A需5V供电，采用三端稳压器7805、7812、7912构成一稳压电源，由于78及79系列稳压器最大输出电流只有1.5A，而题目要求输出电流范围是200mA～2000mA。

为了给系统提供更大的电流，需外加功率管进行扩流，电路如图2.6所示。

输入电压由环形变压器和全波整流滤波电路产生;图中Q5是过流保护取样电阻，当输出电流增大超过一定值时，Q5上压降增大，促使NPN1向截止方向转化；U3用于产生一直流电压VREF，为D/A转换器TLV5618提供参考电压；C18用于抑制电源纹波。

U4
3. 软件设计及实现
软件设计采用C语言,对89S52进行编程实现各种功能。

软件设计的关键是对A/D、D/A转换器的控制。

软件实现的功能是：
①确定电流步进调整
②电流给定值的设置
③测量输出电流值
④控制TLV5618工作
⑤控制AD7705工作
⑥对反馈回单片机的电流值进行补偿处理
⑦驱动液晶显示器显示电流设置值与测量值
3.1 软件设计流程图
图3.1 单片机程序流程图
3.2 软件功能、算法及源程序：
源程序用Keil C51编写，在XP系统下调试成功。

以下给出部分源程序：
7705初始化子程序：
/*************************************************************/
void MX7705_Init() //ad7705初始化
{
unsigned char i;
ADC_CLK=1; //防止接口迷失
ADC_DIN=1;
for(i=0;i<200;i++)//prevent interface from losting
{
ADC_CLK=0;_nop_();
ADC_CLK=1;_nop_();
}
WriteToReg_ADC(0x20); //write 0x20 to communication register to choose channel 0
//and clock register for the next one to write
WriteToReg_ADC(0x00); //写0x00到时钟寄存器，指定晶振频率为1MHz.
WriteToReg_ADC(0x10); //write 0x10 to communication register to choose channel 0
//and setup register for the next one to write
WriteToReg_ADC(0x44); //写0x44到设置寄存器，指定增益为1, buffer off, FSYNC=0, and
self-calibration
}
串行DA TLV5618DAC子程序
/////////////////////////////////////
//TLV5618DAC子程序,三线串行方式
void set_dac(unsigned int vcon)
{
char i;
int svcon;
svcon=vcon|0x8000;//vcon最高位置1，选择TLV5618的A通道
DAC_CS=0;///.................................................................................................5618的CS=0，允许片选
for(i=0;i<16;i++)
{
DAC_DIN=svcon&0x8000;//串行方式送16位数据
svcon<<=1;
DAC_CLK=0;
DAC_CLK=1;
}
DAC_CS=1;//禁止片选
return;
}
4×4键盘子程序
uchar key(){
uchar i;
keytruth=0;
for(i=0;i<200;i++)
{uchar key_return;
loop:P1=send;
get=P1;//get是接收回来的键值
get2=get;//保留get的值，不用也应该可以
test=get2|0xf0;//屏蔽高位，如果有按键的话低四位不全为一
if(test==0xff)//没有按键的话就移位，只限高四位
{
send=send<<1;
send=send|0x0f;//因为移位后低位出现0，所以将其屏蔽，令低四位全为一
if(t<3)//控制移位次数，当零移到最高位时作一次大循环，再装入初始值
{
t++;
goto loop;
}
else
{
t=0;
send=0xef;
//goto loop;
}
}
else//有按键的情况
{
key_return=cheak(get);
dy();dy();keytruth=1;
return key_return;
}
}
}
系统测试
4.2.1 输出电流范围测试
由于在程序设计上限制了电流输出范围是20～2000mA，当给定值在量程内时显示“设置成功”；当给定值超过量程时将显示“超出2000mA！！请重新设定”
4.2.2 步进调整测试
在量程范围内，通过“＋”、“－”按钮可实现1mA步进，通过显示器可观察到效果4.2.3 输出电流测试
随机设置给定值，记录设定值和实测值，测量结果见表4.2
4.2.3改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时的电流测试
围内，输出电流与负载无关。

4.2.4 要求达到参数
经过对系统的电流输出的测试，本设计基本应该达到以下要求：
（1）输出电流范围为20mA～2000mA，步进1mA；
（2）可同时显示电流的给定值和实测值，测量误差的绝对值≤测量值的0.1％+3个字；（3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的0.1％+1 mA。