采用单片机技术的无线供电系统设计

2013-05-28陶玉贵葛胜升

重庆工商大学学报（自然科学版） 2013年4期

高伟，陶玉贵，葛胜升

（芜湖职业技术学院电子信息系，安徽芜湖 241003）

现代电子科学技术的日新月异，如手机、掌上电脑、MP4等便携式电子设备越来越多地进入我们人类的生活中，成为人们不可缺少的工作和娱乐设备，这些设备都是采用电池供电，当电池电量用完之后，需要使用充电器，对其进行充电，这样一方面，频繁的插拔不但使用不便，而且很容易损坏;另一方面，越来越多的便携式设备投入使用，各自的充电器都不相同，互不通用，如果能够像USB接口那样，存在一种通用的供电方式，方便对各种电子设备供电，即可以方便人们的生活，又可以节约大量生产资源。因此，在此设计了一种可以近距离、无线供电方案，不需要任何实质上的连接，采用电磁感应技术，通过无线的方式，将电能传输给用电器。这种近距离无线供电技术拥有广泛的应用前景。将来只需要将手机、掌上电脑等便携式设备放到无线供电器的工作范围内，无需插拔连线就可以供电，这样可以给我们生活带来极大的便利。目前，对于无线供电技术的研究才刚刚起步。本文设计了一个简单的无线供电电路，利用单片机AT89C2051的特征设计电路，并编写一个简单的程序来实现无线供电，从而实现简易无线供电系统。

1 基本原理

早在许多年前就有无线供电技术这个概念，不少专家对此都有研究。目前，无线供电技术主要有以下3种方法。

（1）电磁耦合:变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，变压器就是利用这个原理传送能量的，如果把变压器的两个线圈分开，就是无线供电。但是用这种方法有一个很大的缺点，没有高磁导率的磁芯作为介质，磁力线会严重发散到空气中，传输时能量消耗很大，特别是两个线圈距离很远的时候，能量损耗非常大。因此不适合大功率，远距离的无线供电。

（2）光电耦合:就是把电能转换成光能，通过光将能量传送到用电器再转换成电能。这种技术比较直观，而且光电转换技术也比较成熟，但是缺点就是光在传输途中不能有障碍物，否则能量无法传送到用电器。

（3）电磁共振:其原理类似声波共振的原理，两种介质具有相同的共振频率，就可以用来传递能量。由于本文只需要设计一个近距离的无线供电系统，所以采用电磁耦合的方式来传送能量。

根据电磁感应原理，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。变压器就是根据这一原理制作而成的，它通过交变磁场把电量传送给用电器。如图1所示，为常见变压器的的结构，原边线圈和副边线圈由闭合铁心（由高磁导率材料构成）连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，这样磁漏很小，能量传输效率很高。

在此提出的无线供电原理与变压器类似，但结构和常见变压器不同，采用的是原边线圈和副边线圈分离的结构，之间没有任何实质上的连接，这样原边线圈和副边线圈存在空隙，磁漏较大，对能量传输的效率影响较大。为了提高能量的传输效率，降低辐射，就需要空隙尽量的小，在本系统设计中，副边线圈在原边线圈上方，原边和副边空隙＜2 cm。

图1 常见的变压器

图2 发射电路

2 系统构成与分析

2.1 整体电路设计

一个简单的近距离无线供电系统主要由两部分电路组成，发射电路和接受电路，分别如图2、图3所示。当需要供电时，只需要将接收线圈靠近发射线圈，通过电磁感应，发射端的能量就传输到接收端。

2.2 电路工作流程

由12 V电源对发射电路进行供电，单片机AT89C2051的8号引脚接跳线选择开关S1，开关接通即接地产生频率约167 KHz的信号，开关断开时产生频率为100 KHz的信号，信号通过11号引脚将信号传递给三极管8550（2073的驱动）和2073（其上接有散热片），再通过发射线圈发射信号。而接收线圈接收信号后，经过整流，可以点亮发光二极管D2（相当于负载）和D3（相当于工作指示灯），即实现无线供电。（其中发射线圈和接受线圈用铜线绕成圆形）