著者のホームページ：千羽鶴のプログラミング
著者について: Java、フロントエンド、Python は長年にわたって開発されており、シニア エンジニア、プロジェクト マネージャー、アーキテクトとして働いてきました。
主な内容：Javaプロジェクト開発、Pythonプロジェクト開発、大学データ・AIプロジェクト開発、MCUプロジェクト設計、インタビュー技術整理、最新技術共有
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商品番号：BS-DPJ-001
序文：
ワイヤレス電力伝送技術は新しいエネルギー伝送技術です.その主な機能は共鳴結合ワイヤレス電力伝送です.高い伝送効率を持ち,中程度の伝送距離に適しています.磁界と共鳴結合の原理に基づいて,効率的に電力を伝送できますしたがって、従来の動力伝達モードの多くの欠点が解決されます。この論文はシングルチップマイコンを核として、ワイヤレス充電コイルの電磁誘導原理を利用して携帯電話を充電します。まず、国内外の関連資料を参考に、ワイヤレス充電装置全体の全体設計を検討し、各モジュールの機能を決定し、ハードウェア回路を設計・構築します。これをもとに、シングルチップマイコンの制御ソフトウェアを記述し、各部の制御を完了し、実際の溶接や試験を完了し、シングルチップマイコンを核としたワイヤレス充電装置のシステム設計を行います。コアが完成しました。
1. プロジェクトの紹介
消費電力が低い場合でも、ワイヤレス充電テクノロジーは依然として利点を発揮できます。まず第一に、これは現代人の生活に適応するためであり、多くの携帯電話は利便性を追求するため、時々携帯電話を充電する必要があり、そのためソケットや配線が存在し、防水性が困難になります。 。第二に、電力の継続的な成長に伴い、人々が環境に与える影響も増大しています。ワイヤレス非接触充電技術は、持続可能な開発の基礎を築く非常に優れたソリューションです。時代の発展に伴い、ワイヤレス充電器の設計は真新しい技術であり、その応用範囲は非常に広く、本稿で開発したMCUを核としたワイヤレス充電器は、安定した性能、シンプルな回路、実用性を備えています。大幅に改良され、人々の日常生活に大きな利便性をもたらしました。
第二に、プログラム設計
2.1ワイヤレス充電システムの原理の紹介
ワイヤレス充電技術がどれほど異なっていても、その背後にある理論はいわゆる「電磁誘導」です。つまり、変化する電界によって変化する磁界が生成され、その後変化する磁界によって電界が生成されます。フィールド、それによって発電します。帯電したワイヤによって生成される磁場は電流の方向に対して垂直であり、一般に弱いですが、ワイヤがループまたは螺旋状に巻かれると、磁場は同じ方向に加算され、より強い磁場が形成されます。実際、ワイヤレス充電の原理は、私たちが毎日使用している変圧器と非常によく似ており、一方のコイルに流れる電流によってもう一方のコイルを駆動します。ただし、変圧器が鉄心を介して磁場を伝達する方法とは異なり、ワイヤレス充電デバイスの誘導コイルは、空気を媒体として使用して磁場を伝導し、誘導電流を生成するように特別に調整されています。同時に、2つのコイルの共振周波数を確保するためには、たとえ出力コイルの電流が非常に低く、大きな誘導電流が発生しても、2つのコイルの共振周波数が同じになるようにする必要があります。ある程度までは生成できます。技術原理とソリューションの観点から見ると、既存のワイヤレス充電技術には電磁誘導、磁気共鳴、電波の 3 種類があります。これらの技術は、短距離、短距離、長距離の伝送に使用できます。
ワイヤレス充電モードが異なれば特性も異なります。具体的な比較を表 2-1 に示します。
表 2-1 さまざまなワイヤレス充電方式の特徴
| カテゴリー |
電磁誘導 |
電磁共鳴 |
電波 |
| 原理 |
電流がワイヤを通過して磁場を形成し、周囲のコイルに誘導電圧、つまり電流を発生させます。 |
送信端のエネルギーは同じ共振周波数で受信端と接触しているため、電気エネルギーは共振を通じて伝達されます。 |
周囲の電磁波を電流に変えて二次回路に伝える |
| 送信電力 |
数W～数百KW |
番号 KW |
100mW以上 |
| 伝送距離 |
1cm未満 |
3～4m |
10を超える メートル |
| 特徴 |
短距離充電、高い変換効率 |
中出力、変換効率 |
遠隔充電、いつでもどこでも自動充電 |
2.1.1電磁誘導の原理
現在、最も一般的に使用されている充電方法は電磁誘導です。ファラデーの電磁誘導の作用により、電流がコイルを通過すると磁場が形成されます。発生した磁場は電圧、電流は電流、電流はエネルギーです。一次巻線と二次巻線は電流を誘導して、送信端から受信端にエネルギーを伝送します。コイルに電流が流れると磁界が発生します。この磁場の近くでは、通電されていないコイルに電流が発生します。「電磁誘導」という物理現象により、左側の発電コイルから右側の受電コイルへエネルギーを伝えることができます。
このようにしてエネルギー変換を完了するWPCは、現在は主に5W以下の低消費電力用途を対象としているが、同時に高出力製品向けの規格策定にも力を入れている。このデバイスは 1 つの平面内で複数の電子デバイスを充電でき、充電された製品の送信端と受信端の間の距離は比較的近いです。このソリューションはすでに多くの導入事例がありますが、主導する大手メーカーがまだ不足しており、多くのメーカーが導入を目前に控えており、近い将来大きな需要が見込まれます。
図2-2 電磁誘導ワイヤレス充電の実装原理
2.1.2磁気共鳴の原理
MRI 法は、2007 年に MIT の物理学者マリン ソルジャシックによって開発されました。NMR 法は音波の共鳴と同じ原理で機能します。それぞれの音叉は同じ周波数で振動し、一方が音を出すと他も共鳴します。同様に、磁場内では、同じ振動周波数のコイルに片側から電力を供給できます。共振により伝送距離を伸ばすことも可能です。電磁誘導の最大電力範囲は 1 ～ 10 cm ですが、磁気誘導モードでは、コイルが十分に大きい場合、数メートル離れた場所でも電力を供給できます。また、NMR法は電磁誘導法と異なり、コイルの位置を厳密に合わせる必要がありません。
共振型ワイヤレス充電は、スマートデバイスの共振コイルと同じ周波数を持ち、共振により充電できるため、スマートフォンが充電パッドに触れていなくても充電できます。
図 2-3 磁気共鳴ワイヤレス充電の実装原理
2.1.3電波の原理
電波もより成熟したテクノロジーであり、その基本原理は初期の鉱物無線の原理と似ています。同社は、壁からの反射波を拾い、負荷が変化しても一定の DC 電圧を維持する小型で高効率の受信回路を開発しました。壁のコンセントに設置された送信機と「モスキート」受信機があれば、電波を直流に変換してさまざまな電子機器のバッテリーを充電できます。この方式の主な欠点は、送信電力が小さすぎることです。
2.2全体計画の分析
2.2.1原理モデル分析
今回応用した電磁誘導の原理は、ワイヤレス給電システムの理論解析・計算を行う際に発振回路を含める必要がないため、送信と受信の2つに分けることができる。
図 2-4 このシステムのワイヤレス充電原理
2.2.2システム設計要件
この方式は主に、整流とフィルタリング、降圧回路、電力増幅回路、コイルを使用してエネルギーを 220 V AC 主電源に伝送します。最終出力電力は 5 V、最大出力電流は 500 mA 以下です。出力周波数は87~205kHz、出力電圧変動は10%以下です。
2.2.3システム原理の分析
ワイヤレス充電ベース (送信巻線) は、主に発振回路、降圧回路、パワーアンプ回路、EMT 送信コイルで構成されており、220V 主電源はパワーアンプ回路によって制御され、主電源を適切な電力に変換します。交流電力値、交流電流は整流、フィルタリングされて周波数が高くなって送信コイルに伝送され、送信コイル内では交流電流が流れることにより送信コイル内に交流磁界が形成されます。交流磁場により受信コイルは電磁誘導を発生し、電流が発生します。受信側では、感知されたAC電力が充電回路を通じてDCに変換され、出力側の負荷を通じてワイヤレス充電が実現されます。図 2-5 にワイヤレス電力伝送システムの基本原理を示します。
図 2-5 ワイヤレス給電システムの概略図
2.3スキーム設計
ソリューションには、MCU 最小システム + ADC0832 + ワイヤレス充電コイル + USB 出力 + LCD + 電源が含まれます。
1) ワイヤレス携帯電話の充電: ワイヤレス充電コイルの電磁誘導の原理を利用して携帯電話を充電します。
2) LCD 表示機能: 現在の電圧と電流をリアルタイムで表示します。
3) ADC0832ADC0832 アナログコンバータは、携帯電話の充電時に充電電圧と電流を収集するために使用され、MCU によるデータ処理の後、電圧と電流が LCD 画面に表示されます。
3、ハードウェア設計
3.1メイン制御モジュールの設計
STC89C52 シングルチップ マイクロコンピュータが 5 V で動作するときに最も基本的な動作性能を確実に発揮できるようにするために、プルアップ抵抗回路、リセット回路、水晶発振回路など、STC89C52 の一部のコンポーネントを使用して、最小のシングルチップマイコンシステム。
図 3-1 マイコンの最小システムブロック図
CPU は主に図 3-2 に示されています. 左下隅に水晶発振器があります. 水晶発振器とコンデンサは一緒に使用されます. コンデンサの値は 3 ～ 50 pf の間で許容されますが、30 pf が最も安定します。左上の回路がリセットされ、MCU のピン 9 がハイレベルになります。ボタンのピン 9 を押して 5 V にリセットします。これは手動リセットです。抵抗とコンデンサは自動的にリセットされ、A になります。差動回路では、瞬時にコンデンサが短絡し、9 ピンの 5 V に等しくなります。ここでは、静電容量と抵抗の関係に時間パラメーターを使用します。抵抗と静電容量の積がリセットの瞬間であり、抵抗の値が遅延の持続時間を決定します。
図 3-2 メイン制御 CPU モジュール
3.2パワーモジュールの設計
図 3-3 からわかるように、電源モジュールの主な機能は電力を供給することであり、MCU およびその他のモジュール用と 12 V の 2 つの部分で構成されています。 L7805 を介して 5 V に変換されます。MCU の 5 V には 5 V の電圧が必要です。このうち、c4とc5はフィルタコンデンサで、c4は470ufで低周波の不安定な電圧のフィルタリングに使用され、c5は高周波の不安定な電圧のフィルタリングに使用されます。電流を制限し、インジケータの焼損を防ぐために、電源インジケータの両端に抵抗が接続されています。
図 3-3 パワーモジュール回路の概略図
3.3 LC発振回路の設計
このエネルギー転送デバイスの RF 出力は、転送コイル (インダクター) とコンデンサーを通過し、継続的に共振タンクを形成します。エネルギー受信機の出力を高めるために、並列共振回路が使用されます。
周波数選択回路の共振周波数が励磁信号の周波数と同じ場合、共振により共振が起こり、電流と電圧が最大値に達し、最大の交流電磁界が発生します。受信端巻線が送信コイルに近づくと受信コイルに誘導電圧が発生し、受信コイル回路の共振周波数が送信周波数と一致すると共振現象が現れ、出力電圧が変化します。最大値に達します。このように、送信コイルループと受信コイルループの両方が共振状態にあるとき、エネルギー伝送効率は最適になります。コイルはより高いエネルギー伝達とより長い伝送距離を備えています。
図 3-4 LC 発振回路モジュールの概略図
3.4液晶表示モジュール
LCD ディスプレイ モジュールの主な機能は、収集された電圧と電流をディスプレイ画面に表示することです。
LCD 1602 LCD ディスプレイは 16 ピンの LCD 1602 を使用しており、1 番目、5 番目、16 ピンは接地され、2 番目と 15 ピンは電源、7 番目から 14 番目のピンはデータバス D0 ～ D7 ピンです。 .0~P0.7 ピンはハイレベルとローレベルを通じて制御コマンドを出力します; 4 番目の RS ピンは入力ポートとして使用され、レジスタ [11] は P2.6 ピンを通じて選択されます; 6 番目のピンにはスタート信号が接続されますMCUのP2.7まで。LCD モジュールの回路構成を図 3-5 に示します。
図 3-5 LCD モジュールの回路図
3.5ワイヤレス充電コイルの選択
ワイヤレス充電コイルに電力が供給されると、渦巻き状の磁場が形成され、一定時間内に磁場の数と電流がそれに応じて増加し、磁場の強度も増加する傾向にあります。電流の増加。コイルに使用されるワイヤは通常、利用可能なスペースを増やすために絶縁されています。無線コイルの計算方法によると、次のようになります。
45/断面積=ボルトあたりの巻数/ボルト倍×220=一次巻数/ボルト巻数×18=二次巻数の選択。
このモジュールは Ketai 412 ワイヤレス給電回路を採用しており、回路はシンプルで、負荷容量が大きく、モジュールの主なパラメータは次のとおりです。
入力電圧: 5-12V;
発射モジュール: 10mm*21mm;
送信コイル: 4.4 uH インダクタンス、外径 27.5 mm。
スタビライザーを受け入れる: 10mm*24mm;
受信コイル: 4.4 uH インダクタンス、外径 27.5 mm;
6mm 5V200mA受信機出力
5mm 5V500mA受信機出力
4mm 5V800mA受信機出力
受信出力は3mmで5V1Aです。
2mmで5V1.5Aの受信出力
3.6無線送信検出モジュールの設計
無線送信モジュールは12V電源に接続されており、内部でLC回路により発振することで方形波パルスが正弦波に共振し、電磁エネルギーとして外部に出力され、電力を供給します。受信回路に電力を供給します。受信側と送信側の磁界をカットして5Vの電圧を発生させ、これを2つのサンプリング抵抗で分圧し、電圧変化を液晶画面に表示し、携帯電話などの負荷を接続します。 USBインターフェース経由で。以下に小さな抵抗が3つあり、電流検出は直列に接続する必要があるので、3つの小さな抵抗をサンプリング抵抗として使用し、それぞれCH0とCH1をLCDに表示します。
図 3-6 無線送信および検出モジュール
3.6.1電圧および電流検出モジュール
図3-7に示すように、電圧および電流検出モジュールはデジタル - アナログ コンバータであり、CH0とCH1の両方が変化した電圧および電流信号を表示用のデジタル信号に変換します。これは、多くの説明を必要としない単純なプログラムです。
図 3-7 電圧および電流検出モジュール
3.6.2サンプリング回路設計
74HC00 NAND ゲートにはいくつかの機能があります
1. フィールドトランジスタ IRF530 を駆動するには、IO 駆動電力が足りないため、駆動アンプとして 74HC00 を使用します。
2: シャットダウン時、IRF530 の出力は遮断されます。これは、IO が切り離されているとき、この特別なピンの出力が High であるためです。74HC00 に IO を追加すると、Low になり、IRF530 は確実にオフになります。短絡がないことを確認します。
R1はサンプリング抵抗で、二次巻線に負荷がかかると一次巻線の電流が増加しますので、一次巻線の電流を測定することで二次巻線に負荷がかかっているかどうかを判断できます。
オペアンプ LM358 を含む比較回路。サンプリング抵抗を使用して電流を電圧に変換し、基準電圧と比較して、現在負荷があるかどうかを取得します。
図 3-8 サンプリング回路設計の概略図
3.6.3送信回路モジュールの設計
図 3-9 送信回路設計の概略図
3.6.4受信回路モジュールの設計
整流回路は高周波交流電流を直流電流に変換し、コンデンサフィルタリングで電圧を安定させて整流ブリッジで整流した直流電流を5Vに安定させます。
図 3-10 受信回路モジュールの概略図
4. コード設計とシステム表示
メインプログラムの設計
#include"LCD1602.h" //添加LCD1602头文件
//#include "eepom52.h"//
#include"adc0832.h"//添加ADC0832头文件
sbit LED = P1^3; //蜂鸣器驱动端口==P1^2
/************************************************
** 函数名称 ： void main(void)
** 函数功能 ： 主函数
** 输 入 ： 无
** 输 出 ： 无
** 说 明 ：
************************************************/
void main(void)
{
uint adc_val=0;
uchar disp1[16]={" OUT-V: . v "};//显示数组
uchar disp2[16]={" OUT-A: . ma "};//显示数组
LCD_Init();//lcd初始化
//byte_read(0x2000);//读取报警数据
while(1)
{
WriteChar(1,0,16,disp1); //在第二行显示
WriteChar(2,0,16,disp2); //在第二行显示
adc_val=adc0832(1)*100/256;//读取电压值
disp1[9]=adc_val/10+0x30;
disp1[11]=adc_val%10+0x30;
adc_val=adc0832(0)*750/256;//读取电流值
adc_val*=10;
disp2[8]=adc_val/1000+0x30;
disp2[9]=adc_val/100%10+0x30;
disp2[10]=adc_val/10%10+0x30;
disp2[12]=adc_val%10+0x30;
if(adc_val>100)LED=0;
else LED=1;
}
}
#ifndef __LCD1602_H__
#define __LCD1602_H__
#include"delay.h" //添加延时函数头文件
#define LCD_PINDATA P0 //数据端口定义
sbit RS = P1^4; //RS
sbit RW = P1^5; //RW
sbit E = P1^6; //E
/************************************************
** 函数名称 ： WriteCOMDATA(uchar LCD_DATA,uchar N)
** 函数功能 ： LCD1602写指令、数据函数
** 输 入 ： LCD_DATA:指令或者数据
N：指令方式还是数据方式
N=0时，LCD_DATA为指令，N=1时，LCD_DATA为数据
** 输 出 ： 无
** 说 明 ：
************************************************/
void WriteCOMDATA(uchar LCD_DATA,uchar N)
{
Delay(10);
E=1;
RW=0;
RS=N;
LCD_PINDATA=LCD_DATA;
E=0;
}
/************************************************
** 函数名称 ： void LCD_init(void)
** 函数功能 ： LCD1602初始化操作
** 输 入 ： 无
** 输 出 ： 无
** 说 明 ：
************************************************/
void LCD_Init(void)
{
WriteCOMDATA(0x01,0);
Delay(500);
WriteCOMDATA(0x38,0);
Delay(10);
WriteCOMDATA(0x06,0);
Delay(10);
WriteCOMDATA(0x0c,0);
Delay(10);
}
/************************************************
** 函数名称 ：void WriteChar(uchar Row,uchar Col,uchar Num,uchar *pBuffer)
** 函数功能 ：在任意位置写指定个字符
** 输 入 ：Row : 要写的字符所在的行，只能为1或2；
Col : 要写的字符所在的列，只能为0---15
Num : 要写字符的个数
pbuffer : 要写字符的首地址
** 输 出 ：无
** 说 明 ：
************************************************/
void WriteChar(uchar Row,uchar Col,uchar Num,uchar *pBuffer)
{
uchar i;
if(Row==1)Row=0x80+Col;
else Row=0xC0+Col;
WriteCOMDATA(Row,0);
for(i=Num;i!=0;i--)
{
WriteCOMDATA(*pBuffer,1);
pBuffer++;
}
}
#endif物理的なディスプレイ
V. プロジェクトの概要
近年、マクロ距離および近距離ワイヤレス充電を含むワイヤレス充電技術に関する研究および議論が国内外で行われている。ラジオは世界の隅々に浸透し、通信システムと一体化し、初期のラジオや電信から、今日の高度に発達したハイテク衛星やマイクロ波通信に至るまで、人間の生活と生産を完全に変えました。ただし、無線通信で送信できる情報はごくわずかであり、距離が遠いほどデバイスが必要とするエネルギー消費量は大きくなり、受信できるエネルギーは少なくなります。
この論文はシングルチップマイコンを核として、ワイヤレス充電コイルの電磁誘導原理を利用して携帯電話を充電します。まず、国内外の関連資料を参照して、ワイヤレス充電装置の全体設計を検討し、その機能を初期解析し、ハードウェア設計を行います。最終的に、実際の溶接とテストを経て、シングルチップマイコンをベースとしたワイヤレス充電装置のシステム設計が完成します。実際のシステムテストを通じて、この設計は次の機能を実現しました。
1) 携帯電話の充電: ワイヤレス充電コイルの電磁誘導原理を利用して携帯電話を充電します。
2) LCD ディスプレイ上のデータ表示: 現在の電圧、電流などを表示します。
3) ADC0832ADC0832 アナログコンバータは、携帯電話の充電時に充電電圧と電流を収集するために使用され、電圧と電流はシングルチップマイコンによるデータ処理後に LCD 画面に表示されます。
ワイヤレス充電の効果は有線充電ほどではありませんが、その斬新さとシンプルさは依然として多くのメーカーと同社の投資の注目を集めています。多くの学者が携帯電話のワイヤレス充電を研究し、携帯電話のワイヤレス充電技術を促進し始めたのは、この大きな推進力のためです。現在開発されているモバイルワイヤレス充電デバイスは、電磁誘導、送信、受信に基づいています。ターミナルアセンブリのコイルは電源として使用されます。コイルのサイズ、配置などがシステムのエネルギー伝達に影響します。したがって、コイルの位置決め精度をいかに向上させ、携帯電話機の柔軟性を向上させるかが今後の課題となる。