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目前市場上的電子產(chǎn)品層出不窮，各種電子產(chǎn)品的充電器也多種多樣，這樣既浪費資源，又不利于環(huán)保，更重要的是這些充電器不具備通用性，不方便用戶的使用。日常生活中，經(jīng)常會遇到手機、電腦等電量不足，急需充電的情況，而且不可能隨時攜帶充電器，導致手機充電很麻煩。有了無線充電技術就可以在很大程度上減少這種麻煩。因此，設計基于MSP430F149的藍牙無線充電系統(tǒng)，擺脫以往電線的束縛，解決電子產(chǎn)品充電接口不兼容的問題。該設計具有攜帶方便、成本低、無需布線等優(yōu)勢，適用于各手持移動設備以及小型用電器，不但環(huán)保并且方便了廣大的用戶。 1 整體方案設計 方案的主要任務是利用MCU MSP430F149 控制藍牙模塊，實現(xiàn)藍牙手機與藍牙模塊的匹配，或者藍牙模塊之間的匹配。通過發(fā)射電路的單片機控制AD9851產(chǎn)生PWM 波，控制IR2110 產(chǎn)生100 kHz的方波作為激勵信號，驅(qū)動功率放大電路放大功率，并且其激勵信號頻率與線圈設定好的固有頻率接近時便產(chǎn)生諧振，能量便可以由發(fā)送端向接收端傳送，接收到的能量經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路實現(xiàn)恒壓輸出。當匹配成功后，通過接收電路的單片機控制TP4056充電管理模塊實現(xiàn)為鋰電池充電，電能充滿后給出提示且自動停止充電。并通過電壓電流檢測模塊，實時檢測充電時的電壓與電流。整個充電過程可以通過按鍵進行控制，實現(xiàn)藍牙配對連接、斷開和藍牙關閉功能，并具有液晶顯示功能。 2 硬件電路設計 2.1 硬件總體設計 整個系統(tǒng)主要由藍牙發(fā)射與接收模塊、磁耦合諧振模塊、電壓電流檢測模塊、顯示與按鍵控制模塊、充電管理模塊、單片機控制電路和系統(tǒng)供電組成。藍牙發(fā)射與接收模塊采用BC04MM 藍牙模塊；磁耦合諧振模塊由AD9851產(chǎn)生PWM 波電路、IR2110驅(qū)動電路、線圈發(fā)射及接收電路和整流穩(wěn)壓電路組成；充電管理模塊采用TP4056產(chǎn)生4.2 V/500 mA 的恒定電流/恒定電壓輸出；無線發(fā)送部分和無線接收部分的單片機控制電路主要完成藍牙模塊的控制、電壓電流的采集和實現(xiàn)按鍵模塊的控制功能等。藍牙無線充電系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。 圖1 藍牙無線充電系統(tǒng)設計框圖 2.2 藍牙發(fā)射與接收模塊 BC04MM藍牙模塊支持UART，USB，SPI等接口，并支持SPP藍牙串口協(xié)議，可以方便與PC機的藍牙設備相連，也可以實現(xiàn)兩個模塊之間的數(shù)據(jù)互通。而且由于體積小、功耗低，可以集成到其他設備中或隨身攜帶。 2.3 磁耦合諧振模塊 磁耦合諧振技術是一種以電磁場為媒介，利用兩個或多個具有相同諧振頻率、高品質(zhì)因素的電磁諧振系統(tǒng)。該模塊是無線充電系統(tǒng)的關鍵，可分為發(fā)射電路和接收電路。其中發(fā)射電路由驅(qū)動電路和功率放大電路構(gòu)成。通過單片機控制AD9851產(chǎn)生PWM信號，控制IR2110 工作，產(chǎn)生100 kHz的方波作為激勵信號，驅(qū)動諧振功率放大電路。 諧振功率放大電路由IRF540 開關管和LC 并聯(lián)諧振電路構(gòu)成。其中振蕩線圈選用直徑為3.8 cm，電感值為30 μH的線圈，發(fā)射電路如圖2所示。 圖2 驅(qū)動電路和功率放大電路 磁耦合諧振模塊中的接收電路由LC 串聯(lián)電路、整流電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)成。LC串聯(lián)電路中的接收線圈型號與發(fā)射線圈相同，當激勵信號頻率和線圈設定好的固有頻率接近時便會發(fā)生諧振，能量便可以由發(fā)送端向接收端傳送。整流電路選用肖特基管SS34構(gòu)成全波整流電路，將交流信號轉(zhuǎn)化成直流信號。穩(wěn)壓電路由LM2596及其外圍電路構(gòu)成，因經(jīng)過全波整流后輸出電壓過高并且?guī)ж撦d時不穩(wěn)定，所以需要通過LM2596降壓實現(xiàn)8 V的恒壓輸出，為后級電路提供穩(wěn)定的電源。 2.4 充電管理模塊 該模塊采用充電管理芯片TP4056，該芯片是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，具有充電提示和自動停止充電功能。將該芯片的使能端與單片機上的P5.3腳連接，通過單片機控制該芯片工作，在PROG 腳接一個1.5 kΩ的電阻接地設定BAT腳的輸出電流。通過實際電路測試，BAT腳可實現(xiàn)4.2 V/500 mA輸出。 2.5 單片機控制電路 單片機控制電路主要實現(xiàn)如下功能： （1）通過MCU UART接口發(fā)送數(shù)據(jù)和控制命令控制藍牙模塊，實現(xiàn)藍牙模塊之間的匹配；通過發(fā)送部分單片機控制AD9851產(chǎn)生PWM波；通過接收部分單片機的P5.3口控制TP4056使能端；通過無線接收部分單片機的內(nèi)部ADC12模塊采集充電電流和電壓。 （2）控制和顯示電路配置在P1，P2，P5 端口，無線發(fā)射部分單片機主要完成讀取按鍵相應的操作，控制系統(tǒng)實現(xiàn)配對、連接、斷開和藍牙關閉功能，并通過LCD1602實時顯示。 3 軟件設計 系統(tǒng)的軟件部分主要包括無線發(fā)送部分軟件設計和無線接收部分軟件設計。 無線發(fā)送部分軟件設計主要完成：系統(tǒng)初始化、檢測按鍵、控制藍牙模塊收發(fā)數(shù)據(jù)、控制AD9851工作等，如圖3所示。 無線接收部分軟件設計主要完成：系統(tǒng)初始化，控制藍牙收發(fā)數(shù)據(jù)，實時檢測電壓電流數(shù)據(jù)，控制TP4056工作和LCD1602顯示，如圖4所示。 圖3 無線發(fā)送部分流程圖 圖4 無線接收部分流程圖 4 磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)傳輸特性的研究 對于磁耦合諧振式無線能量傳輸電路，傳輸功率與效率受以下參數(shù)的影響：驅(qū)動源電壓，傳輸距離，以及線圈直徑、匝數(shù)和線徑等參數(shù)。下面對做好的電路進行測試，研究傳輸效率與這些影響因素的關系。 4.1 驅(qū)動信號頻率與傳輸效率的關系 該研究中線圈距離為6 mm，兩線圈電感值為16 μH，直徑均55 mm，線圈固有頻率為126 kHz。測試過程以5 kHz為單位，從80 kHz開始增大驅(qū)動頻率，通過測量數(shù)據(jù)計算得出傳輸效率，得到如圖5所示的關系曲線。從關系曲線中可以看出當驅(qū)動信號頻率為125 kHz時，傳輸效率最高，此時與線圈固有頻率接近。以上數(shù)據(jù)證明了磁耦合諧振式無線充電電路諧振頻率與固有頻率之間的關系，即兩者近似相等時電路能量傳輸能力最強。 圖5 驅(qū)動信號頻率與傳輸效率關系曲線 4.2 兩線圈距離與傳輸效率的關系 測試過程中改變兩線圈的距離，其他參數(shù)保持不變，測量出數(shù)據(jù)計算傳輸效率，得到如圖6所示的關系曲線。在距離D 近的時候傳輸效率高，當D≤11 mm時效率大于50%，隨著距離增大，傳輸效率下降，與理論相吻合。 圖6 兩線圈距離與傳輸效率的關系 4.3 接收端固有頻率不變，電感值變化（發(fā)射端不變）與傳輸效率的關系 改變接收端的電感值和電容值，但固有頻率保持不變?yōu)?25 kHz，其他參數(shù)也都保持不變，測量輸出電壓和電流，計算出傳輸效率，得到如圖7所示的關系曲線，圖中還有一組數(shù)據(jù)為線圈中心加了鐵氧體之后。 圖7 電感值變化與傳輸效率的關系 由關系曲線可以看出，隨著電感值的增大，傳輸效率增加，所以增加電感值也是增大效率的一種方法，但是電感值不可以無限制的增加，增大到一定的程度輸入功率將不能帶動負載。在線圈中加了鐵氧體后效率增大，但并不明顯，在實際運用中可以根據(jù)實際要求選擇是否添加磁性物質(zhì)。 4.4 接收端電感值不變，線圈直徑變化與傳輸效率關系 線圈直徑是影響電感參數(shù)的一個重要因素，測試中改變線圈直徑，但保持固有頻率不變進行測試，測試結(jié)果如表1所示，從數(shù)據(jù)中可以看出直徑增大，傳輸效率提高，但線圈直徑太大，磁感線會相互抵消，效率會下降。 5 結(jié)語 對于MSP430F149 單片機和磁耦合諧振模塊設計的藍牙無線充電系統(tǒng)進行功能驗證，當D=6 mm，傳輸效率達到57%，可實現(xiàn)對1 200 mA●h 的鋰電池充電。并且該設計具有如下特點： （1）以電磁諧振技術取代傳統(tǒng)充電線傳輸電能，使充電更加的方便快捷； （2）利用藍牙技術，實現(xiàn)一對多或是多對多匹配連接； （3）具有充電狀態(tài)提示、充電可控和電池充滿后自動斷電的功能。 |
