非接触供电的LED照明系统

非接触供电的LED照明系统（E题）摘要：本非接触供电的LED照明系统是基于PWM的可调光LED驱动电路，可提供LED需要的电压和电流。以PIC系列单片机（PIC16F777A及PIC16F73）为控制核心，信号采用调幅方式，LED照明模块利用变压器原理实现与能量发送模块无线通信（反向散射调制），完成LED照明模块对发射模块的光强反馈，达到自动省电功能。系统中数据传输应用单片机编码技术，实现光强反馈的可靠反馈，功耗低，效率高。一、系统方案1、硬件方案选择方案一、信号调制采用调频方式进行。此方式发射采用电容三点式振荡，发射频率选择比较高的频率，如85MHz等。接收部分使用SONY的CAX1691接收芯片，中频采用10.7MHz，市场上可以购买到现成的元件，这样就可比较快的实现功能，但此方案LED照明模块发射电路的电流比较大，难以实现无源的发射。所以不选此方案。方案二、信号调制采用调幅方式进行。根据变压器原理，耦合得到的电压经整流得到直流电压，这样才有可能实现无源的LED照明模块。发射电路在能量发送模块上,由外接电源提供，可以产生比较大的发射功率。LED照明模块可以通过反向散射调制来实现数据的传递，为提高供电效率，能量发送模块采用半幅调制。LED照明模块通过发送来改写相应发射电路的EEPROM（本系统用FLASH程序存储器）数据。编码和解码都是由单片机的软件实现。所以本系统采用此方案。2、软件方案选择方案一、程序采用软件模拟PWM，使用定时器0中断产生脉冲，设定PWM_T为占空比控制变量控制占空比，用P1口输出PWM波形作为调制信号。外接AD模块进行电压采集与编程，在LCD1602上显示功耗。反馈方式也有单片机发出脉冲波形由反向散射调制传回发射模块，由单片机进行解码，调整软件模拟PWM占空比。方案二、采用常规的数字调制。将PIC16F877输出的PWM波形作为数字基带信号，将此基带信号直接对载波进行调制，即FSK调制，由接收端整流输出有效值不同的电压。光敏电阻接收到光强信号后，由PIC16F873A采集其电压值，发出编码信号输出。功率显示模块由PIC直接采集，计算后输出至LCD1602进行显示。由于PIC有内置AD转换模块，与PWM输出口，故选择方案二。3、整个系统的描述本系统的总体框图如图1.3.1图1.3.1本系统方案可以分为能量发送模块，LED照明模块两部分。当LED照明模块进入发射模块耦合线圈区时，LED照明模块以耦合方式获得能量。能量发送模块长时间供电，通过整个过程信号的传输都采用半调幅方式。LED照明模块线圈过来的电磁通过能量发送模块线圈得到耦合电压，为LED照明模块供电，发送信号时经过线圈反向散射调制来实现PWM波形的传输。二、理论分析与计算1、耦合线圈匹配理论本装置以电磁波为载体。通过相互耦合，LED照明模块的电源从线圈收到的微弱信号中取得，要求在不影响信号正常接收的前提下电磁波传递能量的效率尽可能高。合的线圈（天线）进行通信。下面分析两个相互耦合的线圈间的关系。图2.0.0如图所示，发射机用理想电压源Us和输出阻抗Z1等效，L1是发射天线的电感，L2是接收天线的电感，Z2是L2的负载。M是L1、L2间互感，根据电磁学原理和基尔霍夫电压定律。有11122211111222(2.1.1)00sujLijMiujLijMiuiZuiZu式可以得出：当2122MZZjL（）＝时负载Z2得到的功率最大。此时天线匹配最好。2、丙类谐振功率放大器(φ＜90°)当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅vcm反映输入信号振幅vbm的变化，放大器必须在vbm变化范围内工作在欠压状态。当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在vbm变化的范围内工作在过压状态。固定VBB、增大vbm和固定vbm、增大VBB的情况类似，它们都使基极输入电压vBEmax随之增大，对应的集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压进入过压区。三、电路与程序设计1、能量发送模块电路本设计的发射频率为6MHz，直接利用PIC16F877A单片机晶体振荡器产生，高频三极管9018用作射极跟随器，信号经调制后，由高频三极管放大，再经高频三极管C1971进行功率放大，并从17圈的线圈发射出去。线圈输入信号经电容耦合，检波二极管2AP9检出LED照明模块的反向散射调制信号，再由LM358放大和整形后供单片机识别、解码。电路详见附录。1）、ASK调制调制级的核心是用作开关的检波管（如图3.1.1）。当ASK控制信号为高电平时，二极管关断，信号流经C20、C21、C6，并在C21中衰减一部分。当ASK控制信号为低电平时，二极管导通，C21相当于被短路，信号几乎无衰减的通过。从而对载波进行振幅键控。调制输出端的负载是下级放大器的输入阻抗RL，约为500欧，C20、C6容抗很小。设载波幅度为UC。调制输入为高电平时，负载上得到的电压为：CCLLLUUCCRRU26202111调制输入为低电平时：CCLLCLLLUUCRRUCCCRRU20221222162022111111其中，2101CRL，故调制度为：%1001%10020202121LLLLUUUUk可见，C21选择合适的值就可以得到合适的调制度。特别地，当C21=0pF时，调制度k=100%2）、高频功放本电路工作频率为6MHz，相对于9018，C3355，D667的干截止频率，可以不考虑器图3。1。1件的高频特性。从原理图不难求出17915521bbrkr由9018构成的射极跟随器，用作阻抗匹配，使单片机的震荡器不因负载过重而停振。其输入阻抗KRiVRrRreeDbbbi21)1//(//11111实验表明，这个负载可以被PIC16F877A的震荡器驱动。由于C1971用作丙类放大器，故其输入电阻不易确定。为于便于分析，可以把R视为以C3355为核心的放大器的输出端内阻，C1971作为其外部负载。则放大器的电压放大倍数25123bburrA放大器输出电阻为300Ω。谐振回路比较简单，不在此计算。末级功率放大器工作于丙类状态，基极馈电采用自给发射极偏置电路。在工作时可以产生发射结负偏压。根据丙类放大器理论和工程实践经验，导通角选择60度到70度，由于C3355输出幅度不可预知，这一点必须通过实验调整。3）、LED接收模块电路具体电路见附录。该部分电路由检波器和整形电路两个单元构成。本设计采用二极管包络检波，D1用于改善检波效果。本装置传送数据选用20KHz和100Hz的方波信号，，而载波频率为6MHz，要求检波器能滤除6MHz的信号，检出20KHz的信号，因此RC并联路应满足：200211042116166CR即416168108100.3CR的在满足条件的前提下，RC回路的时间常数应尽可能小。故取图示参数。运放LM358的单元A用作有源带通滤波器。该滤波器的传递函数为：11172115261521sCRsCRsCRsH本设计微控制器的硬件及其接口部分较简单，不攒述。2、LED照明模块电路此电路是通过线圈过来的能量用桥式整流电路整出直流电压作为整机的电源。当LED照明模块接近能量发送模块时，开始对LED照明模块的储能电容充电，使电压快速上升。能量发送模块不断发送高频载波,保证LED照明模块可以长期得到能量维持工作。当单片机PIC16F73检测到光敏电阻上电压升高时，LED照明模块开始向能量发射模块发编码，编码方式已在软件方案二简述过。当有发码时,能量发射模块就接收LED照明模块发出的数据,减小PWM输出波形的占空比。应答器的解码电路通过提取敕流输出电压的包络进行放大，此放大只用一个三极管。电路见附录。1）、ASK解调以9014为核心。R3、D6为9014提供稳定的偏压，并可补偿9013结电势的温漂。R10用作限流。并可减小从R2、C5进来的信号的损耗。9014导通时最大集电极电流.AKVVIC491002.01.5设应答器ASK有效信号的幅度是0.5V（此条件易满足），那么ARVIB495.02所以R2取470KΩ。ASK调制电路与解调电路相似，不攒述。拔码开关利用PIC16F73内部上拉电阻，为降低功耗，检测开关状态时才使能上拉电阻。四、测试方案与测试结果测试仪器：万用表，TDS1001示波器，QJ-3003S电源，函数信号发射器，射频信号发生器。硬件测试方法：有源发射机与无源接收机通过线圈耦合，线圈距离从0逐渐向上增加到40mm左右，看接收机中的led是否发亮，并检测接收机的感应的电压是否能达到3伏以上。调节发射机的放大功率，再测试亮度是否能通过按键控制，如果亮度过亮，接收机是否能回传信息给发射机，让发射机能进入省电状态。软件测试方法：给系统上电，用示波器观测从PIC16F877的RC2口是否输出为预置的占空比方波。是否可用按键调节PWM波形占空比的变化。测试结果：发射模块的调制信号可以通过按键调节其占空比的增减，增减达到5级。但由于发射功率不够，即放大倍数不够，末级发射信号的峰峰值才3V。耦合到接收机信号太弱，无法产生足够的电压点亮LED。附录一发射模块原理图：接收模块原理图：、附录二：程序流程图接收模块初始化光敏电压采集（ADC）LED平均电流超过15MA编码发送附录三(发射端主要源程序）：main(){unsignedlongresult=0x00;inti;uchartemp[6];init();while(1){for(i=0;i6;i++){temp[i]=0x00;}result=0x00;for(i=6;i0;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);temp[0]=(uchar)((result/1000)%10)+0x30;temp[1]='.';temp[2]=(uchar)((result/100)%10)+0x30;temp[3]=(uchar)((result/10)%10)+0x30;temp[4]=(uchar)(result%10)+0x30;write_data(temp,5);delay(2);keyboard();}}voidOutputPWM(ucharj){CCPR1L=j;CCP1CON=0X3C;INTCON=0X00;PR2=0x4a;TRISC2=0;T2CON=0X04;TMR2ON=1;}附录四元件清单元件名称规格数量电阻53电容47电感9检波二极管2AP97三极管2SC33551三极管3DG6D1三极管D6672LED6晶振6M1晶振75KHz1电位器20K1按键2运放LM3581单片机16F873A1单片机PIC16F8771液晶屏LCD16021