2020年11月11日 | 基于MSP430单片机的无线充电器设计

2020-11-11 来源：elecfans

　　引言

　　目前，手机、MP3和笔记本电脑等便携式电子设备进行充电主要采用的是一端连接交流电源，另一端连接便携式电子设备充电电池的传统充电方式。这种方式有很多不利的地方，如频繁的插拔很容易损坏接头，也可能带来触电的危险等。因此，非接触式感应充电器在上个世纪末期诞生。凭借其携带方便、成本低、无需布线等优势迅速受到各界关注。实现无线充电，能量传输效率高，便于携带成为充电系统的研究方向之一。本设计就是一个由能量发送单元和能量接收单元两大部分组成，利用电磁感应原理实现电能无线传递的充电器。

　　1 硬件系统设计

　　1.1 器件选择

　　本无线充电系统的设计是用线圈耦合方式传递能量，使接收单元接收到足够的电能，以保证后续电路能量的供给。由于无线传电电压随能量发送单元和接收单元耦合线圈的间距D在测试中需要改变，而充电时间相对固定，便于控制，所以充电方式上选择固定电流充电的恒流充电方案。在器件选择上选择有多种省电模式，功耗特别省，抗干扰力特强的 MSP430系列超低功耗单片机MSP430F2274作为无线传能充电器的监测控制核心芯片，电压和充电时间显示采用低功耗OCM126864—9液晶屏，以提高充电电路的能量利用效率。

　　1.2 系统框图

　　无线充电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图1所示，系统工作时输人端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用24V直流电端直接为系统供电。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值，具有最好的能量传输效果。通过 2个电感线圈耦合能量，次级线圈输出的电流经接受转换电路变化成直流电为电池充电。

　　1.3 单元电路设计

　　1.3.1 电源切换

　　直流输入采用单刀双闸继电器，交流上电常开闭合，常闭打开实现交流优先，交流断电继电器断电，常闭闭合，实现自动切换。在切换时，时间很短，C1可提供一定时间的电量，可以实现不断电切换，不影响充电。见图2所示。

系统设计框图
电源系统图

　　1.3.2发射及接收电路

　　发射电路由振荡信号发生器和谐振功率放大器两部分组成，见图3所示。采用NE555构成振荡频率约为510KHZ信号发生器，为功放电路提供激励信号；谐振功率放大器由Lc并联谐振回路和开关管IRF840构成。振荡线圈按要求用直径为0.8mm的漆包线密绕2O圈，直径约为6.5cm，实测电感值约为142uH ，由，当谐振在510KHZ时，与其并联的电容c5、c6 约为680P，可用470pF的固定电容并联一个200PF的可调电容，可方便调节谐振频率。

　　大功率管TRF840最大电流为8A、完全开启时内阻为0.85欧，管子发热量大，所以需要加装散热片。当功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时，功率放大器发生谐振，此时线圈中的电压和电流达最大值，从而产生最大的交变电磁场。当接收线圈与发射线圈靠近时，在接收线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值。构成了如图4所示的谐振回路。实际上，发射线圈回路与接收线圈回路均处于谐振状态时，具有最好的能量传输效果。

1.3.3 充电电路

　　如图5所示，电能经过线圈接收后，高频交流电压经快速二极1N4148进行全波整流，3300F的电容滤波，再用5.1v压二极管稳压，输出直流电为充电器提供较为稳定的工作电压。

　　因为，为了准确控制充电时间，我们在设计中采用恒流充电的方法，可以保证充电电流大致为一常数I，上述电容电压与时间的关系可表示为：公式4 。根据题设要求，充电时间应满足快充小于30s，慢充控制在100到140S ，计算出快充、慢充所需电流大小快I1慢I2：分别为：

　公式5

　　图 5中二极管 D1、 D2的导通电压基本不变，故可作为电压基准，约为 1.4 V。各电压关系为：

公式7

　　可见在恒流充电电路中，充电电流仅由电阻R1、R2确定。计算中约定U=0.7充电电流Ic（三极管集电极电流）Ie，计算出快充、慢充所需电阻R1、R2分别为：

　　 gs7

　　设计中采用可调电阻，可调节充电电流的大小。
1 .3. 4 整机电路原理图

框图1

　　2 软件设计

　　软件设计的主要任务是对充电过程的监视及充电电路的控制。具体方法是：利用 MSP430单片机自带的A D转换器实时检测充电电池上的电压，到规定电压时发出控制信号，断充电电路。基于MSP430较高的速度、高精度的AD转换器、功能丰富的定时器等资源特点，我们在LCD上设计了充电进度条的绘制、实时充电电压显示、充电时间显示等内容。其中进度条的绘制需要定性反映实时电压大小，我们采用的方法是根据电压值计算出坐标，并调用自己设计的画直线函数进行实时绘制，效果逼真（见图7、图8 ）。

流程图1

　　3 功能的实现情况

　　本无线充电系统设计使用220V /50HZ交流供电，24V直流供电，自动切换交、直流供电电源；具有快充、慢充功能，当距离D> 2cm时，快充时间<30s，当距离D>2cm时，慢充时间 <120s。系统充满后显示，自动关断充电。如表1所示。

　　4 结语

　　充电效率是一个不得不考虑的问题。本设计系统可以在发射接收电路的能量传输部分做适当改进，以获得更高的效率和更远的距离；也可以设计充电设备检测电路，在没有能量接收电路时能量发送部分处于睡眠状态，当能量接收电路靠近发送部分时，激活发射电路开始充电。本设计系统达到了设计要求，具有无线充电、携带方便、成本低、无需布线等优势，有着广泛的应用前景。

MSP430 单片机无线充电器

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