非接觸供電的LED照明系統(tǒng)

1、非接觸供電的LED照明系統(tǒng)（ E 題）摘要：本非接觸供電的LED照明系統(tǒng)是基于PWM的可調(diào)光LED驅(qū)動電路，可提供LED需要的電壓和電流。以PIC系列單片機（PIC16F777A及PIC16F73）為控制核心，信號采用調(diào)幅方式，LED照明模塊利用變壓器原理實現(xiàn)與能量發(fā)送模塊無線通信（反向散射調(diào)制），完成LED照明模塊對發(fā)射模塊的光強反饋，達(dá)到自動省電功能。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用單片機編碼技術(shù)，實現(xiàn)光強反饋的可靠反饋，功耗低，效率高。一、系統(tǒng)方案1、硬件方案選擇 方案一、信號調(diào)制采用調(diào)頻方式進(jìn)行。此方式發(fā)射采用電容三點式振蕩，發(fā)射頻率選擇比較高的頻率，如85MHz等。接收部分使用SONY的CAX16

2、91接收芯片，中頻采用10.7MHz，市場上可以購買到現(xiàn)成的元件，這樣就可比較快的實現(xiàn)功能，但此方案LED照明模塊發(fā)射電路的電流比較大，難以實現(xiàn)無源的發(fā)射。所以不選此方案。方案二、信號調(diào)制采用調(diào)幅方式進(jìn)行。根據(jù)變壓器原理，耦合得到的電壓經(jīng)整流得到直流電壓，這樣才有可能實現(xiàn)無源的LED照明模塊。發(fā)射電路在能量發(fā)送模塊上,由外接電源提供，可以產(chǎn)生比較大的發(fā)射功率。LED照明模塊可以通過反向散射調(diào)制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，為提高供電效率，能量發(fā)送模塊采用半幅調(diào)制。LED照明模塊通過發(fā)送來改寫相應(yīng)發(fā)射電路的EEPROM（本系統(tǒng)用FLASH程序存儲器）數(shù)據(jù)。編碼和解碼都是由單片機的軟件實現(xiàn)。所以本系統(tǒng)采用此方

3、案。2、軟件方案選擇方案一、程序采用軟件模擬PWM，使用定時器0中斷產(chǎn)生脈沖，設(shè)定PWM_T為占空比控制變量控制占空比，用P1口輸出PWM波形作為調(diào)制信號。外接AD模塊進(jìn)行電壓采集與編程，在LCD1602上顯示功耗。反饋方式也有單片機發(fā)出脈沖波形由反向散射調(diào)制傳回發(fā)射模塊，由單片機進(jìn)行解碼，調(diào)整軟件模擬PWM占空比。方案二、采用常規(guī)的數(shù)字調(diào)制。將PIC16F877輸出的PWM波形作為數(shù)字基帶信號，將此基帶信號直接對載波進(jìn)行調(diào)制，即FSK 調(diào)制，由接收端整流輸出有效值不同的電壓。光敏電阻接收到光強信號后，由PIC16F873A采集其電壓值，發(fā)出編碼信號輸出。 功率顯示模塊由PIC直接采集，計算后

4、輸出至LCD1602進(jìn)行顯示。由于PIC有內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊，與PWM輸出口，故選擇方案二。3、整個系統(tǒng)的描述本系統(tǒng)的總體框圖如圖圖 本系統(tǒng)方案可以分為能量發(fā)送模塊，LED照明模塊兩部分。當(dāng)LED照明模塊進(jìn)入發(fā)射模塊耦合線圈區(qū)時，LED照明模塊以耦合方式獲得能量。能量發(fā)送模塊長時間供電，通過整個過程信號的傳輸都采用半調(diào)幅方式。LED照明模塊線圈過來的電磁通過能量發(fā)送模塊線圈得到耦合電壓，為LED照明模塊供電，發(fā)送信號時經(jīng)過線圈反向散射調(diào)制來實現(xiàn)PWM波形的傳輸。二、理論分析與計算1、耦合線圈匹配理論本裝置以電磁波為載體。通過相互耦合，LED照明模塊的電源從線圈收到的微弱信號中取得，要求在不影響信

5、號正常接收的前提下電磁波傳遞能量的效率盡可能高。合的線圈（天線）進(jìn)行通信。下面分析兩個相互耦合的線圈間的關(guān)系。圖 如圖所示，發(fā)射機用理想電壓源Us和輸出阻抗Z1等效，L1是發(fā)射天線的電感，L2是接收天線的電感，Z2是L2的負(fù)載。M是L1、L2間互感，根據(jù)電磁學(xué)原理和基爾霍夫電壓定律。有可以得出：當(dāng)時負(fù)載Z2得到的功率最大。此時天線匹配最好。 2、 丙類諧振功率放大器(90°) 當(dāng)諧振功率放大器作為線性功率放大器，為了使輸出信號振幅vcm反映輸入信號振幅vbm的變化，放大器必須在vbm變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。當(dāng)諧振功率放大器用作振幅限幅器時，放大器必須在vbm變化的范圍內(nèi)工作在過壓狀

6、態(tài)。固定VBB、增大vbm和固定vbm、增大VBB的情況類似，它們都使基極輸入電壓vBEmax隨之增大，對應(yīng)的集電極脈沖電流ic的幅度和寬度均增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓區(qū)。三、電路與程序設(shè)計1、 能量發(fā)送模塊電路本設(shè)計的發(fā)射頻率為6MHz，直接利用PIC16F877A單片機晶體振蕩器產(chǎn)生，高頻三極管9018用作射極跟隨器，信號經(jīng)調(diào)制后，由高頻三極管放大，再經(jīng)高頻三極管C1971進(jìn)行功率放大，并從17圈的線圈發(fā)射出去。線圈輸入信號經(jīng)電容耦合，檢波二極管2AP9檢出LED照明模塊的反向散射調(diào)制信號，再由LM358放大和整形后供單片機識別、解碼。電路詳見附錄。1）、ASK調(diào)制 調(diào)制級的核心

7、是用作開關(guān)的檢波管（如圖）。當(dāng)ASK控制信號為高電平時，二極管關(guān)斷，信號流經(jīng)C20、C21、C6，并在C21中衰減一部分。當(dāng)ASK控制信號為低電平時，二極管導(dǎo)通，C21相當(dāng)于被短路，信號幾乎無衰減的通過。從而對載波進(jìn)行振幅鍵控。調(diào)制輸出端的負(fù)載是下級放大器的輸入阻抗RL，約為500歐，C20、C6容抗很小。設(shè)載波幅度為UC。調(diào)制輸入為高電平時，負(fù)載上得到的電壓為：圖3。1。1調(diào)制輸入為低電平時：其中，故調(diào)制度為：可見，C21選擇合適的值就可以得到合適的調(diào)制度。特別地，當(dāng)C21=0pF時，調(diào)制度k=100% 2）、高頻功放本電路工作頻率為6MHz，相對于9018，C3355，D667的干截止頻率

8、，可以不考慮器件的高頻特性。從原理圖不難求出由9018構(gòu)成的射極跟隨器，用作阻抗匹配，使單片機的震蕩器不因負(fù)載過重而停振。其輸入阻抗實驗表明，這個負(fù)載可以被PIC16F877A的震蕩器驅(qū)動。由于C1971用作丙類放大器，故其輸入電阻不易確定。為于便于分析，可以把R視為以 C3355為核心的放大器的輸出端內(nèi)阻，C1971作為其外部負(fù)載。則放大器的電壓放大倍數(shù)放大器輸出電阻為300。諧振回路比較簡單，不在此計算。末級功率放大器工作于丙類狀態(tài)，基極饋電采用自給發(fā)射極偏置電路。在工作時可以產(chǎn)生發(fā)射結(jié)負(fù)偏壓。根據(jù)丙類放大器理論和工程實踐經(jīng)驗，導(dǎo)通角選擇60度到70度，由于C3355輸出幅度不可預(yù)知，這一

9、點必須通過實驗調(diào)整。3）、LED接收模塊電路具體電路見附錄。該部分電路由檢波器和整形電路兩個單元構(gòu)成 。本設(shè)計采用二極管包絡(luò)檢波，D1用于改善檢波效果。本裝置傳送數(shù)據(jù)選用20KHz和100Hz的方波信號，而載波頻率為6MHz，要求檢波器能濾除6MHz的信號，檢出20KHz的信號，因此RC并聯(lián)路應(yīng)滿足：即的在滿足條件的前提下，RC回路的時間常數(shù)應(yīng)盡可能小。故取圖示參數(shù)。運放LM358的單元A用作有源帶通濾波器。該濾波器的傳遞函數(shù)為：本設(shè)計微控制器的硬件及其接口部分較簡單，不攢述。2、LED照明模塊電路此電路是通過線圈過來的能量用橋式整流電路整出直流電壓作為整機的電源。當(dāng)LED照明模塊接近能量發(fā)送

10、模塊時，開始對LED照明模塊的儲能電容充電，使電壓快速上升。能量發(fā)送模塊不斷發(fā)送高頻載波,保證LED照明模塊可以長期得到能量維持工作。當(dāng)單片機PIC16F73檢測到光敏電阻上電壓升高時，LED照明模塊開始向能量發(fā)射模塊發(fā)編碼，編碼方式已在軟件方案二簡述過。當(dāng)有發(fā)碼時,能量發(fā)射模塊就接收LED照明模塊發(fā)出的數(shù)據(jù),減小PWM輸出波形的占空比。應(yīng)答器的解碼電路通過提取敕流輸出電壓的包絡(luò)進(jìn)行放大，此放大只用一個三極管。電路見附錄。1）、ASK解調(diào)以9014為核心。R3、D6為9014提供穩(wěn)定的偏壓，并可補償9013結(jié)電勢的溫漂。R10用作限流。并可減小從R2、C5進(jìn)來的信號的損耗。9014導(dǎo)通時最大集

11、電極電流.設(shè)應(yīng)答器ASK有效信號的幅度是0.5V（此條件易滿足），那么所以R2取470K。ASK調(diào)制電路與解調(diào)電路相似，不攢述。拔碼開關(guān)利用PIC16F73內(nèi)部上拉電阻，為降低功耗，檢測開關(guān)狀態(tài)時才使能上拉電阻。4、 測試方案與測試結(jié)果測試儀器：萬用表，TDS1001示波器，QJ-3003S電源，函數(shù)信號發(fā)射器，射頻信號發(fā)生器。硬件測試方法：有源發(fā)射機與無源接收機通過線圈耦合，線圈距離從0逐漸向上增加到40mm左右，看接收機中的led是否發(fā)亮，并檢測接收機的感應(yīng)的電壓是否能達(dá)到3伏以上。調(diào)節(jié)發(fā)射機的放大功率，再測試亮度是否能通過按鍵控制，如果亮度過亮，接收機是否能回傳信息給發(fā)射機，讓發(fā)射機能進(jìn)

12、入省電狀態(tài)。軟件測試方法：給系統(tǒng)上電，用示波器觀測從PIC16F877的RC2口是否輸出為預(yù)置的占空比方波。是否可用按鍵調(diào)節(jié)PWM波形占空比的變化。測試結(jié)果：發(fā)射模塊的調(diào)制信號可以通過按鍵調(diào)節(jié)其占空比的增減，增減達(dá)到5級。但由于發(fā)射功率不夠，即放大倍數(shù)不夠，末級發(fā)射信號的峰峰值才3V。耦合到接收機信號太弱，無法產(chǎn)生足夠的電壓點亮LED。附錄一發(fā)射模塊原理圖：接收模塊原理圖：、附錄二：程序流程圖接收模塊初始化光敏電壓采集（ADC）LED平均電流超過15MA編碼發(fā)送附錄三(發(fā)射端主要源程序）：main()unsigned long result=0x00; int i; uchar temp6;i

13、nit();while(1)for(i = 0;i < 6;i+) tempi = 0x00; result=0x00; for(i=6;i>0;i-) ADinit(); ADGO=1; while(ADGO); result=result+ADRESH; result=(result/6); result=(5-(result/100)*300)+result)-(result/100)*5; result=(result*4.88125); temp0 = (uchar)(result /1000) % 10) + 0x30; temp1 = '.' temp2 = (uchar)(result / 100) % 10) + 0x30; temp3 = (uchar)(result / 10) % 10) + 0x30; temp4 = (uchar)(result % 10) + 0x30; write_data(temp,5);delay(2);keyboard();void OutputPWM(uch