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目前市場(chǎng)上的電子產(chǎn)品層出不窮，各種電子產(chǎn)品的充電器也多種多樣，這樣既浪費資源，又不利于環(huán)保，更重要的是這些充電器不具備通用性，不方便用戶(hù)的使用。日常生活中，經(jīng)常會(huì )遇到手機、電腦等電量不足，急需充電的情況，而且不可能隨時(shí)攜帶充電器，導致手機充電很麻煩。有了無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)就可以在很大程度上減少這種麻煩。因此，設計基于MSP430F149的藍牙無(wú)線(xiàn)充電系統，擺脫以往電線(xiàn)的束縛，解決電子產(chǎn)品充電接口不兼容的問(wèn)題。該設計具有攜帶方便、成本低、無(wú)需布線(xiàn)等優(yōu)勢，適用于各手持移動(dòng)設備以及小型用電器，不但環(huán)保并且方便了廣大的用戶(hù)。 1 整體方案設計 方案的主要任務(wù)是利用MCU MSP430F149 控制藍牙模塊，實(shí)現藍牙手機與藍牙模塊的匹配，或者藍牙模塊之間的匹配。通過(guò)發(fā)射電路的單片機控制AD9851產(chǎn)生PWM 波，控制IR2110 產(chǎn)生100 kHz的方波作為激勵信號，驅動(dòng)功率放大電路放大功率，并且其激勵信號頻率與線(xiàn)圈設定好的固有頻率接近時(shí)便產(chǎn)生諧振，能量便可以由發(fā)送端向接收端傳送，接收到的能量經(jīng)過(guò)整流穩壓電路實(shí)現恒壓輸出。當匹配成功后，通過(guò)接收電路的單片機控制TP4056充電管理模塊實(shí)現為鋰電池充電，電能充滿(mǎn)后給出提示且自動(dòng)停止充電。并通過(guò)電壓電流檢測模塊，實(shí)時(shí)檢測充電時(shí)的電壓與電流。整個(gè)充電過(guò)程可以通過(guò)按鍵進(jìn)行控制，實(shí)現藍牙配對連接、斷開(kāi)和藍牙關(guān)閉功能，并具有液晶顯示功能。 2 硬件電路設計 2.1 硬件總體設計 整個(gè)系統主要由藍牙發(fā)射與接收模塊、磁耦合諧振模塊、電壓電流檢測模塊、顯示與按鍵控制模塊、充電管理模塊、單片機控制電路和系統供電組成。藍牙發(fā)射與接收模塊采用BC04MM 藍牙模塊；磁耦合諧振模塊由AD9851產(chǎn)生PWM 波電路、IR2110驅動(dòng)電路、線(xiàn)圈發(fā)射及接收電路和整流穩壓電路組成；充電管理模塊采用TP4056產(chǎn)生4.2 V/500 mA 的恒定電流/恒定電壓輸出；無(wú)線(xiàn)發(fā)送部分和無(wú)線(xiàn)接收部分的單片機控制電路主要完成藍牙模塊的控制、電壓電流的采集和實(shí)現按鍵模塊的控制功能等。藍牙無(wú)線(xiàn)充電系統設計框圖如圖1所示。 圖1 藍牙無(wú)線(xiàn)充電系統設計框圖 2.2 藍牙發(fā)射與接收模塊 BC04MM藍牙模塊支持UART，USB，SPI等接口，并支持SPP藍牙串口協(xié)議，可以方便與PC機的藍牙設備相連，也可以實(shí)現兩個(gè)模塊之間的數據互通。而且由于體積小、功耗低，可以集成到其他設備中或隨身攜帶。 2.3 磁耦合諧振模塊 磁耦合諧振技術(shù)是一種以電磁場(chǎng)為媒介，利用兩個(gè)或多個(gè)具有相同諧振頻率、高品質(zhì)因素的電磁諧振系統。該模塊是無(wú)線(xiàn)充電系統的關(guān)鍵，可分為發(fā)射電路和接收電路。其中發(fā)射電路由驅動(dòng)電路和功率放大電路構成。通過(guò)單片機控制AD9851產(chǎn)生PWM信號，控制IR2110 工作，產(chǎn)生100 kHz的方波作為激勵信號，驅動(dòng)諧振功率放大電路。 諧振功率放大電路由IRF540 開(kāi)關(guān)管和LC 并聯(lián)諧振電路構成。其中振蕩線(xiàn)圈選用直徑為3.8 cm，電感值為30 μH的線(xiàn)圈，發(fā)射電路如圖2所示。 圖2 驅動(dòng)電路和功率放大電路 磁耦合諧振模塊中的接收電路由LC 串聯(lián)電路、整流電路和穩壓電路構成。LC串聯(lián)電路中的接收線(xiàn)圈型號與發(fā)射線(xiàn)圈相同，當激勵信號頻率和線(xiàn)圈設定好的固有頻率接近時(shí)便會(huì )發(fā)生諧振，能量便可以由發(fā)送端向接收端傳送。整流電路選用肖特基管SS34構成全波整流電路，將交流信號轉化成直流信號。穩壓電路由LM2596及其外圍電路構成，因經(jīng)過(guò)全波整流后輸出電壓過(guò)高并且帶負載時(shí)不穩定，所以需要通過(guò)LM2596降壓實(shí)現8 V的恒壓輸出，為后級電路提供穩定的電源。 2.4 充電管理模塊 該模塊采用充電管理芯片TP4056，該芯片是一款完整的單節鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線(xiàn)性充電器，具有充電提示和自動(dòng)停止充電功能。將該芯片的使能端與單片機上的P5.3腳連接，通過(guò)單片機控制該芯片工作，在PROG 腳接一個(gè)1.5 kΩ的電阻接地設定BAT腳的輸出電流。通過(guò)實(shí)際電路測試，BAT腳可實(shí)現4.2 V/500 mA輸出。 2.5 單片機控制電路 單片機控制電路主要實(shí)現如下功能： （1）通過(guò)MCU UART接口發(fā)送數據和控制命令控制藍牙模塊，實(shí)現藍牙模塊之間的匹配；通過(guò)發(fā)送部分單片機控制AD9851產(chǎn)生PWM波；通過(guò)接收部分單片機的P5.3口控制TP4056使能端；通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收部分單片機的內部ADC12模塊采集充電電流和電壓。 （2）控制和顯示電路配置在P1，P2，P5 端口，無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分單片機主要完成讀取按鍵相應的操作，控制系統實(shí)現配對、連接、斷開(kāi)和藍牙關(guān)閉功能，并通過(guò)LCD1602實(shí)時(shí)顯示。 3 軟件設計 系統的軟件部分主要包括無(wú)線(xiàn)發(fā)送部分軟件設計和無(wú)線(xiàn)接收部分軟件設計。 無(wú)線(xiàn)發(fā)送部分軟件設計主要完成：系統初始化、檢測按鍵、控制藍牙模塊收發(fā)數據、控制AD9851工作等，如圖3所示。 無(wú)線(xiàn)接收部分軟件設計主要完成：系統初始化，控制藍牙收發(fā)數據，實(shí)時(shí)檢測電壓電流數據，控制TP4056工作和LCD1602顯示，如圖4所示。 圖3 無(wú)線(xiàn)發(fā)送部分流程圖 圖4 無(wú)線(xiàn)接收部分流程圖 4 磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)充電系統傳輸特性的研究 對于磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸電路，傳輸功率與效率受以下參數的影響：驅動(dòng)源電壓，傳輸距離，以及線(xiàn)圈直徑、匝數和線(xiàn)徑等參數。下面對做好的電路進(jìn)行測試，研究傳輸效率與這些影響因素的關(guān)系。 4.1 驅動(dòng)信號頻率與傳輸效率的關(guān)系 該研究中線(xiàn)圈距離為6 mm，兩線(xiàn)圈電感值為16 μH，直徑均55 mm，線(xiàn)圈固有頻率為126 kHz。測試過(guò)程以5 kHz為單位，從80 kHz開(kāi)始增大驅動(dòng)頻率，通過(guò)測量數據計算得出傳輸效率，得到如圖5所示的關(guān)系曲線(xiàn)。從關(guān)系曲線(xiàn)中可以看出當驅動(dòng)信號頻率為125 kHz時(shí)，傳輸效率最高，此時(shí)與線(xiàn)圈固有頻率接近。以上數據證明了磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)充電電路諧振頻率與固有頻率之間的關(guān)系，即兩者近似相等時(shí)電路能量傳輸能力最強。 圖5 驅動(dòng)信號頻率與傳輸效率關(guān)系曲線(xiàn) 4.2 兩線(xiàn)圈距離與傳輸效率的關(guān)系 測試過(guò)程中改變兩線(xiàn)圈的距離，其他參數保持不變，測量出數據計算傳輸效率，得到如圖6所示的關(guān)系曲線(xiàn)。在距離D 近的時(shí)候傳輸效率高，當D≤11 mm時(shí)效率大于50%，隨著(zhù)距離增大，傳輸效率下降，與理論相吻合。 圖6 兩線(xiàn)圈距離與傳輸效率的關(guān)系 4.3 接收端固有頻率不變，電感值變化（發(fā)射端不變）與傳輸效率的關(guān)系 改變接收端的電感值和電容值，但固有頻率保持不變?yōu)?25 kHz，其他參數也都保持不變，測量輸出電壓和電流，計算出傳輸效率，得到如圖7所示的關(guān)系曲線(xiàn)，圖中還有一組數據為線(xiàn)圈中心加了鐵氧體之后。 圖7 電感值變化與傳輸效率的關(guān)系 由關(guān)系曲線(xiàn)可以看出，隨著(zhù)電感值的增大，傳輸效率增加，所以增加電感值也是增大效率的一種方法，但是電感值不可以無(wú)限制的增加，增大到一定的程度輸入功率將不能帶動(dòng)負載。在線(xiàn)圈中加了鐵氧體后效率增大，但并不明顯，在實(shí)際運用中可以根據實(shí)際要求選擇是否添加磁性物質(zhì)。 4.4 接收端電感值不變，線(xiàn)圈直徑變化與傳輸效率關(guān)系 線(xiàn)圈直徑是影響電感參數的一個(gè)重要因素，測試中改變線(xiàn)圈直徑，但保持固有頻率不變進(jìn)行測試，測試結果如表1所示，從數據中可以看出直徑增大，傳輸效率提高，但線(xiàn)圈直徑太大，磁感線(xiàn)會(huì )相互抵消，效率會(huì )下降。 5 結語(yǔ) 對于MSP430F149 單片機和磁耦合諧振模塊設計的藍牙無(wú)線(xiàn)充電系統進(jìn)行功能驗證，當D=6 mm，傳輸效率達到57%，可實(shí)現對1 200 mA●h 的鋰電池充電。并且該設計具有如下特點(diǎn)： （1）以電磁諧振技術(shù)取代傳統充電線(xiàn)傳輸電能，使充電更加的方便快捷； （2）利用藍牙技術(shù)，實(shí)現一對多或是多對多匹配連接； （3）具有充電狀態(tài)提示、充電可控和電池充滿(mǎn)后自動(dòng)斷電的功能。 |
