2014年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽設(shè)計(jì)報(bào)告

1、2014年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽無線電能傳輸裝置（F題）設(shè)計(jì)報(bào)告摘要本設(shè)計(jì)以TI公司生產(chǎn)的超低功耗MCU MSP43處理器為核心設(shè)計(jì)并制作一 個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置。 該裝置主要由驅(qū)動電路、發(fā)射線圈、接收線 圈、電能變換四部分組成。該無線電能傳輸裝置能夠在一定距離條件下無線傳輸 電能。一定條件下的傳輸效率與發(fā)射線圈與接收線圈的距離為評判設(shè)計(jì)完成指 標(biāo)。當(dāng)前主要的無線能量傳輸方式中，磁耦合諧振式無線供電技術(shù)這種新型的供 電方式不但可以使無線供電的距離提升到米級范疇 ，突破了無線能量傳輸距離這 個瓶頸，同時還會分離開用電設(shè)備與供電設(shè)備之間的物理連接，這樣在提高用電設(shè)備的美觀，實(shí)用性的同時

2、，還可以改善用電設(shè)備的安全性。本設(shè)計(jì)通過運(yùn)用關(guān)鍵詞：無線電能傳輸、磁耦合諧振、MSP430傳輸效率、傳輸距離目錄、引言3設(shè)計(jì)要求3、系統(tǒng)方案論證與選擇 4波形選擇PWM波產(chǎn)生電路|三、理論分析與參數(shù)計(jì)算 無線傳輸系統(tǒng)工作原理 參數(shù)計(jì)算四、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體硬件電路框圖 系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖 五、測試六、結(jié)論及設(shè)計(jì)感想七、附錄總體電路圖程序代碼八、參考文獻(xiàn) 、引言設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示驅(qū)動電路發(fā)射線圈接收線圈電能變換圖1電能無線傳輸裝置結(jié)構(gòu)框圖（1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離 x =10cm輸入直流電壓U=15V時， 接收端輸出直流電流I

3、2=O.5A，輸出直流電壓U28 V,盡可能提高該無線電能傳 輸裝置的效率n。（2） 輸入直流電壓U=15V,輸入直流電流不大于1A,接收端負(fù)載為2只串 聯(lián)LED燈（白色、1V）在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長發(fā)射線圈與接 收線圈間距離xo二、|系統(tǒng)方案論證與選擇系統(tǒng)總體框圖U波形選擇方案一：LC高頻振蕩電路產(chǎn)生正弦波PWM波產(chǎn)生電路方案一：采用NE555構(gòu)成頻率可調(diào)的多諧振蕩器驅(qū)動555計(jì)時IC芯片是一款使用時間十分久遠(yuǎn)，使用范圍十分廣泛，設(shè)計(jì)方 案十分成熟的計(jì)時IC芯片。而NE555是555計(jì)時IC芯片大家族中的一個型 號。與其它的計(jì)時IC 芯片相比，NE555有其獨(dú)特的優(yōu)勢。比如，

4、NE555不僅可 以作為定時器使用，還可以作為施密特觸發(fā)器使用，并且還不需另外的元器件。此外，當(dāng)NE555用來輸出PWM波時其外圍電路十分簡單，其本身的工作也十分 穩(wěn)定。NE555可穩(wěn)定輸出1MHz以下的方波，并且占空比可調(diào)，電路調(diào)試容易， 成本較低。NE555的缺點(diǎn)是不帶電路保護(hù)功能，PWM波輸出需另接驅(qū)動電路，且 不具備任何擴(kuò)展功能。方案二：采用單片機(jī)產(chǎn)生功率 MOS管開關(guān)驅(qū)動信號?，F(xiàn)在市面上單片機(jī)的種類很多，常用的有MSC-51單片機(jī)，MSC-96單片機(jī)， MSP430系列單片機(jī)等等。每種單片機(jī)都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。 例如，MSC-51 單片機(jī)是一種具有8位CPU的單片機(jī)，它的運(yùn)算速

5、度相比較與其他單片機(jī)來說 要慢一些，但是勝在價(jià)格低廉，對于一些對單片機(jī)運(yùn)算速度要求不是很高的應(yīng)用 場合，MSC-51單片機(jī)是具有一定優(yōu)勢的。而MSC-96單片機(jī)則可以看作是MSC-51單片機(jī)的升級版，它的 CPU從8位升級到了 16位。而MSP430系列 單片機(jī)同樣具備16位的CPU,但它的主打特性是低功耗，相比于其他系列的單 片機(jī)來說，MSP430單片機(jī)自身的功耗很低，并且具備靈活的工作模式和低功耗 模式轉(zhuǎn)化機(jī)制，這樣可以大大的節(jié)能省電可以通過控制 MSP430內(nèi)部定時器輸出 占空比可調(diào)的PWM波。此方案優(yōu)點(diǎn)是輸出方波穩(wěn)定可調(diào)，能夠通過軟件設(shè)計(jì)自 帶電路保護(hù)功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)；但缺點(diǎn)是需要調(diào)試

6、軟件，PWM波輸出同樣需另接 驅(qū)動電路，且成本較高。綜合比較選擇方案二三、理論分析與參數(shù)計(jì)算無線傳輸系統(tǒng)工作原理導(dǎo)線繞制的線圈可視為電感與電容相連構(gòu)成諧振體，諧振體包含的能量在電場與磁場之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，產(chǎn)生以線圈為中心以空氣為傳輸媒質(zhì)的時變磁場； 載流線圈28之間通過彼此的磁場相互聯(lián)系的物理現(xiàn)象稱為磁耦合。 該技術(shù)通過磁場的近場29耦合，使接收線圈和發(fā)射線圈產(chǎn)生共振，來實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。與該諧振體相隔一定距離的具有相同諧振頻率的諧振體感應(yīng)磁場，所感應(yīng)的磁場能同樣在電場與磁場之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，同時兩個諧振體之間不斷地有磁場能交換，因此產(chǎn)生以兩個線圈為中心以空氣

7、為媒質(zhì)的時變磁場。兩諧振體內(nèi)電場能與磁場能振蕩交換的同時諧振體之間也存在著以相同頻率振蕩 的能量交換，即兩諧振體組成耦合諧振系統(tǒng)。參數(shù)計(jì)算f 2 1 lc28RL N R 0ln( ) 1.75aN線圈匝數(shù)；0 4 10 （ H/m）真空磁導(dǎo)率;R線圈半徑（m）;a 線圈導(dǎo)線半徑（m）;四、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體硬件電路框圖該裝置由電源驅(qū)動電路、發(fā)射線圈、增強(qiáng)器35、接收線圈和負(fù)載構(gòu)成，本裝置的開關(guān)電路36-38主要是為了產(chǎn)生高頻電壓方波信號驅(qū)動發(fā)射電路諧振，電路圖如圖|-6所示，該電路由驅(qū)動芯片IR2110和開關(guān)管RF840連接而成系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖五、測試帶負(fù)載時電壓與傳輸距離的關(guān)系次數(shù)123456傳輸距離（mm電壓（v）保持LED燈亮?xí)r發(fā)射線圈與接收線圈的距離次數(shù)距離（mrjh六、結(jié)論及設(shè)計(jì)感想無線電能傳輸系統(tǒng)經(jīng)測試效率較高達(dá)到，其在條件二的要求下傳輸距 離達(dá)到。完成題目各項(xiàng)要求。無線電能傳輸技術(shù)在將來具有極廣闊的應(yīng)用空間。但是它仍然有許多路要 走，還有許多問題亟待解決。不如說傳輸效率