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12009年“毕昇杯”全国电子创新设计竞赛作品论文参赛题目：智能无线充电系统作者：孙超吴绪杰指导老师：宫月月学校院系：山东电子职业技术学院电子工程系2目录一、摘要------------------------------------------------------------------------3二、系统简介（一）主要功能---------------------------------------------------------4（二）系统方案---------------------------------------------------------4（三）各部分的功能与性能指标------------------------------------4（四）实现原理------------------------------------------------------6（五）系统硬件框图---------------------------------------------------8（六）系统软件流程图------------------------------------------------8三、特色列举-------------------------------------------------------------------10四、技术说明----------------------------------------------------------------11五、系统适用范围及应用前景----------------------------------------113摘要基于现在中国市场上还没有真正的无线充电的产品，我们利用电磁感应的基本原理结合模拟数字基础理论设计制作了智能无线充电系统。此作品内部应用电流控制型脉宽调制集成电路来驱动场效应管从而产生高频振荡脉冲，通过电磁感应向外界传送能量，通过接收电路把磁场能转化成电能从而实现对用电设备的充电（此作品以手机电池充电为例）。其系统经济实用，市场前景极其广阔。AbstractBasedontheChinesemarketnowhasnotreallywirelessrechargeableproducts,weusethebasicprinciplesofelectromagneticinductioncombinationofanaloganddigitaldesignbasedonthetheoryofintelligentwirelesschargingsystem.Thisworkstheuseofcurrent-controlledpulsewidthmodulationtodrivethefieldeffecttransistorintegratedcircuitsresultinginhighfrequencyoscillationpulse,electromagneticinductionthroughthetransmissionofenergytotheoutsideworld,throughthereceivingcircuittothemagneticfieldcanbeconvertedintoelectricitytopowerequipmentinordertoachievecharge(Thismobilephonebatteryworksasanexample).Thesystemeconomicalandpractical,marketprospectisextremelybroad.关键字（Keyword）:电磁感应（Electromagneticinduction）无线充电（WirelessCharging）万年历（Calendar）4二、系统简介一、主要功能：本系统可对电池进行无线充电，智能检测是否有电池充电，时刻监测电池的充电状态和所用时间、并通过液晶屏显示。系统设有过热保护过流保护等功能。附加功能：万年历。二、系统方案：智能无线充电系统主要有在线编程部分、主控部分、供电部分、能量转换部分、能量发射部分、接收部分块这六个部分组成。三、各部分的功能与性能指标：电源部分：电源取自市电220V交流电经变压器变压后得到+17V和+38V直流电，此两组电压经稳压集成电路LM7805得到+5V直流电压给在线编程部分和主控部分供电，可调稳压集成电路LM317输出+25V、37mA电压和电流为能量转换电路中的震荡电路提供稳定的电压和电流，使之能够产生正常稳定的脉冲波形。在线编程部分：该部分采用达盛套件EPLAY-89S51实现在线编程功能，该部分可实现max232串口在线下载和ISP在线下载，可对AT89S5X和STC89C5XRC编程，具有稳定性高和操作灵活方便等特点。主控板部分：由于该充电系统不需要很高的运作速率，故CPU选用廉价易购的AT89S5X和STC89C5XRC系列的单片机。CPU主要控制和检测的部分有液晶屏的显示、电池状态的检测、温度的实时采集、DS12C887的读取、蜂鸣器指示灯共同组成的报警电路、指示电路、以及键盘的扫描、继电器工5作等电路。为实现更加人性化的人机交换界面采用了带中文字库的液晶屏幕金鹏12864作为显示，可实时显示系统当前的工作状况。在待机状态下可做万年历使用、因采用防掉电时钟芯片DS12C887，保证时间准确性和实时性。电池状态检测信号取自红外对管，CPU从时间和亮灭状态上对红外信号进行识别处理，从实现对电池状态的识别和继电器、蜂鸣器等外围电路的控制。能量转换部分：该部分的核心器件是脉宽调制器芯片UC3842和大功率MOSFEF管2SK727。UC3842是一款高性能单端输出式电流控制型芯片，正常工作电流仅为15mA。该集成电路①脚是误差放大器的输出端，外接了330千欧姆电阻和0.001uF电容用于改善误差放大器的增益和频率特性；②脚是反馈电压输入端，此脚电压2.43V电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，在芯片内产生误差电压，从而控制脉冲宽度，此系统的占空比约为30％；③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定f=1.8/(RT×CT)本系统振荡频率为f=1.8/(10k×0.0047uf)=38.298KHz⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。该集成电路6脚可输出18V稳定的驱动脉冲且上升、下降时间仅为50ns，从而克服了分立元件输出波形稳定性差、电路参数调整复杂等弊端。6场效应管采用2ＳＫ７２７，其VDSS=900v,Id=5A,Pd=125W。2SK727的性能指标远大于设计所要的指标，保证了系统的稳定性。四、实现原理：本系统是基于电磁感应基本原理，将模拟电路其核心器件是电流控制型脉宽调制器UC3842和场效应管2SK727，时钟部分核心为时钟芯片DS12C887，过热保护采用高精度单线数字温度传感器DS18B20。UC3842是美国原Untrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEF和IGBT等功率型半导体器件，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，电压调整率可达0.01%，工作频率高达500kHz，启动电流小于1mA，正常工作电流为15mA，该芯片集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路以及PWM锁存器电路。内部原理框图如下：7UC3842构成脉宽调制电路，220V市电经滤除电磁干扰后，降压加到UC3842的供电端（⑦脚），为UC3842提供启动电压，电路启动后⑥脚输出的方波号驱动场效应管2ＳＫ７２７对高压直流进行斩波从而得到脉冲电流。UC3842具有过流保护和过压保护，因此电压稳定度非常高。由于DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，利用硬件电路解决子“千年”问题，因此DS12C887非常适合做万年历计时芯片。除此之外，DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久，对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午，时间的表示方法也有两种，一种用二进制数表示，一种是用BCD码表示。DS12C887中带有128字节RAM，其中有11字节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息，称为控制寄存器，113字节通用RAM使用户使用，此外用户还可对DS12C887进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。其完整强大的功能无疑是万年历制作的最佳选择。温度传感器DS18B20具有独特的单线接口方式在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。工作电源:3-5V/DC。在使用中不需要任何外围元件测量结果以9-12位数字量方式串行传送。这使得电路得到了很大的简化，同时也保证了系统的稳定性。系统中以DS18B20作为温度温度传感器，实时检测机内温度，过热保护温度上限为60℃。8五、系统硬件框图：六、系统软件流程图：9系统主程序流程框图：10三、特色列举随着电子产品的日益增加，因供电出现的问题也越来越多。最值得关注的是用电的安全性和便捷性。目前的供电设备都是有线供电的方式，其突出的缺点是存在较大的安全隐患，本系统因采用无线的供电方式因系统没有直接和市电相连，电能以无线的方式传输，从而大大提高了供电的安全性。系统采用防漏磁设计，仅在能量发射设备与接收设备的区域内有较强的磁场，11因此安全性得到保障。系统能自动识别待充电设备（以手机电池为例）自动检测电池电量及状态，只需将电池和接收部分放在供电平台即可充电，方便快捷。且充满后自动断电，并给出指示，简单实用，安全性高。附加功能万年历采用了防掉电芯片DS12C887，可以在无外部电源供电时继续工作，保证了时间日期的准确性和实时性，同时克服了每次开机启动后调整时间带来的不便。四、技术说明1.本系统由市电220V直接供电，交流输入电压（AC）经EMI滤波电路滤波设计，滤掉大部分干扰后直接予以整流滤波，得到约300V的到直流高压（DC），确保了供电部分的稳定可靠。２.系统采用高性能固定频率电流模式控制芯片UC3842，此芯片具有可微调振荡器、高增益误差放大器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考。这从而简化了电路，提高了系统的稳定性和可靠性。３.直流高压进入MOSFET管中切成约38KHz的高频电压方波，该方波进入能量转换线圈，将电能转化为磁场能，其转化效率可达80％。五、系统适用范围及应用前景智能无线充电系统适用于可适用于较多的行业和场合。如应用于手机、笔记本电脑、数码相机等电子产品的客服供电场所，公共场所供电的基本要12求是安全、方便、快捷。本系统将电能以无线的方式传送，可有效的解决了公共场所的安全性的问题，其次也使得充电设备的接口匹配问题得到了有效的解决，使充电设备得到简化，易于操作，简单实用。此系统因其操作方便安全也适合家庭部分电器设备的供电。智能无线充电系统的另一大优势是可以应用于对技术要求严格或环境苛刻的行业。如无法由电源直接供电的场合，易燃环境的供电等。智能无线充电系统使用了电磁感应的基本原理而制成，其使用的也是经济实用的元件，因此成本低，经济适用性强，具有广阔的应用前景。