基于无线充电技术的新时代应急手电筒设计

林潇鸿，吴钰鑫，陈剑波，姬乐钧，何胤康

（广东工业大学华立学院，广东 广州 511325）

0 引 言

随着科技的不断发展，手电筒的设计与使用方式在不断更新。如今场所中使用的手电筒均为有线充电式手电筒，手电筒上有一个或多个接口，充电口插拔次数较多易出现接口损坏和接触不良等问题，应用无线充电技术可以较好地摆脱充电线和充电接口的限制。传统的传输方式为有线方式，生活中大量电器供电必会导致多种电源线交叉，给人们生活带来极大不便。本项目将利用无线充电技术为手电筒提供电源，这种方式相比传统的充电技术，减少了普通干电池的使用量，更安全，更环保。无线充电技术的使用能够使电器的安全性能得到一定程度的提升，这种充电方式对于充电位置没有限制，市场发展前景广阔。

在无线充电的基础上，手电筒可以根据实地环境的光线对手电筒亮度进行智能调控，当遇到紧急情况时可以使用SOS频闪信号求助，发射出特殊的照射光线，必要时可开启SOS报警求救。相较于普通照明手电筒，本项目手电筒通过单片机主控芯片对强光LED和蜂鸣器进行控制，可为遇险人员提供有效的求救手段，帮助搜救人员快速定位，更好地帮助遇险人员脱离危险。

1 硬件设计

1.1 硬件结构设计

本项目提出以单片机主控模块为核心，对无线充电模块、智能调节模块和SOS求助模块进行综合控制设计，该硬件整体框架如图1所示。

图1 硬件框架

该应急手电筒由两节3.7 V的18650锂电池进行储能和供能，再由恒压供电模块降压并稳压至5 V后供主控芯片使用。主控芯片将控制LED灯光模块以3种不同的设计模式运行，同时在SOS救援模式下配合蜂鸣器闪烁。LED照明亮度可以连续变化，使手电筒的调光更加平滑。该手电筒为普通模式、智能调节模式及SOS求助模式设置了优先级，优先级从大到小依次为SOS求助模式、普通模式和智能调节模式。即使用SOS求助模式会覆盖其他模式运行；使用普通模式时将覆盖智能调节模式，由使用者进行手动调节；未选择其他模式时，手电筒将默认开启智能调节模式，利用光敏电阻调节模块主动介入调节手电筒亮度。

1.2 无线充电模块

无线充电模块采用感应式无线充电技术，原理：松耦合变压器通入交流电引发电磁感应效应。在该无线充电模块中，将直流电变为开关的脉冲信号，可实现初级与次级线圈的互感无线输能。两线圈在同一磁场区域中以同样的频率发生共振，可利用磁感应实现电能传输。无线输电技术在极近距离内效率很高，但传输效率会随传输距离的增加和接收端位置的变化而显著减小，一般用于厘米级的短距离传输。无线充电原理如图2所示。

图2 无线充电原理

发射端选用KTX-510无线供电芯片，该芯片的优点在于拥有先进的宽电压自适应设计工艺，发射端电路可以在规定工作电压范围内使用且无需变动任何外部电路元件。电路高度集成化，集功能调节、电压检测、频率锁定于一体，大大简化了无线充电发射端电路。H1接入发射线圈，发射线圈电感量为10 μH。发射端电路如图3所示。

图3 发射端电路

接收端选用XKT-R2芯片与周围电路搭配完成。H1端接入充电电容负载，H2端接入电感为5 μH的接收感应线圈。XKT-R2芯片通过输出电压进行判断，实现充电启停。为充电截止电压的可调电阻，通过调整的阻值可以改变自停电压。当XKT-R2芯片对电容充电时，LED1灯亮，否则熄灭。若后期因设计所需或线圈尺寸限制而需要更改电感的收发线圈时，可调整的电容量。接收端电路如图4所示。

图4 接收端电路

1.3 电源管理模块

2节18650锂电池串联最高工作电压为7.4 V，电池过充存在爆炸隐患，所以需要添加自停电路来保证电池组不会过充。主控芯片STC89C52的工作电压为3.3～5.5 V，为使其稳定工作，需要添加DC-DC降压电路。电源控制电路如图5所示。

图5 电源控制电路

该电路可为主控芯片提供5 V的恒压供电，保证其处于稳定的工作环境，同时为LED模块提供可靠的电流输出。该电路采用的芯片可接受4～42 V的电压输入，经降压后可维持5 V/2 A的恒压输出。

1.4 智能调节模块

智能调节模块由光敏电阻调节模块以及可手动调光的恒流调光模块构成。该模块在开启智能调节模式下可自主识别周围环境光线，自适应调节手电筒光照强度。当光照增强时，采样电压变大，两者成正比关系。恒流调光模块可在手动模式下手动调节亮度，各模块间通过选择开关切换。矩阵灯光控制图如图6所示。

图6 矩阵灯光控制图

PWM灯光控制器用于手动控制灯光强弱，旋转Q即可调整光强。考虑到发射光的特性随着平均驱动电流而偏移，因此在PWM模式下，最大亮度时LED输出有效电压为4.96 V，最小亮度时LED输出有效电压为3.55 V，低于该电压LED不亮。通过改变PWM调光电路输出PWM的占空比，进而控制LED的平均电流，从而灵活改变LED照明模块亮度。PWM调光精度高，控制亮度变化使其不会产生明显偏色，具备功耗低、发热低等优点。PWM电路控制图如图7所示。

图7 PWM电路控制图

1.5 SOS求助模块

SOS求助模块由蜂鸣器与SOS呼吸灯组成，该模块将蜂鸣器频率设置成实际需要的数值，同时利用PWM原理控制LED灯形成三短三长三短的闪动规律，利用编程使蜂鸣器与LED灯协同运作，从而发挥SOS求助模块的作用。

2 软件设计

本项目手电筒的软件设计流程如图8所示。该系统主要包括3种模式和1个状态显示模块。当主控系统运行后，各功能模块初始化，OLED模块不断读取手电筒的电量，并显示当前手电筒的运行模式。手电筒设置有3个按键，初始化后单片机通过不断获取键值来确定运行模式。

图8 软件流程设计

选择智能调节模式，光敏电阻调节模块通过对周围环境光强度进行持续性测量，将测量的光照系数反馈给单片机，控制RGB LED灯板的亮灭时间，实现黑暗环境下自动调节手电筒亮度的功能。用户可以在田野、室内及小巷道路等场所选择普通模式，手动调节手电筒的光照强度；当用户遇到危险时，可以快速选择SOS模式，便于援救者更好地实施救援。该模式根据国际莫尔斯电码救难信号控制RGB LED灯板闪烁，周期为3.75 s。

3 实验仿真

在保证抑制频率分裂现象和改善充电均匀度的情况下，应尽可能提高线圈的充电可移动距离，并且控制收发线圈的尺寸（不宜过大）。本项目对串联反向线圈结构式充电进行仿真。

本项目根据充电距离从10 mm到50 mm进行20次仿真，得到电源转换率对比图，如图9所示。从图中可以看到，改进后的无线圈最高转换效率达87%，在30 mm范围内可实现85%以上的转换效率。相比传统的普通线圈充电方式，该串联反向线圈结构式充电更加稳定，既提高了充电效率，也破除了手电筒在充电时的工作限制。在无线充电已逐渐成为主流充电方式的趋势下，我们希望通过无线充电技术来增强该手电筒在科技方面的优势，使其满足当代消费者的需求。转换效率对比见表1所列。

表1 转换效率对比

图9 电源转换率对比

4 结 语

本文通过构建无线充电模块、智能调节模块和SOS求助模块于一体的硬件结构，在软件控制的基础上，实现了手电筒对于黑暗环境的照明。采用智能调节模块对环境光强数据进行采集，从而对手电筒光线强度进行自适应调节。采用SOS求助模块对特定场景进行特殊处理。相比传统产品，采用本文的无线充电方式充电效率较高，稳定性较好，可以很好地为人们服务。