無線能量及信息傳輸系統

【摘要】本設計采用PIC16F877單片機作為主控芯片，系統通信載波頻率選用184kHz，由ATC2051 MCU產生，具有較高的穩定性。通過線圈耦合實現能量的無線傳輸，相關的信息使用LCD顯示，具有較好的顯示界面；通過改變LC諧振兩端的電壓值可以調節接收端的電壓值。并且在發射端用一個采樣電阻測量整機工作電流，根據P=U*I可以實時用液晶顯示發射機的功耗。接收模塊通過控制其線圈回路的通斷，通過耦合改變能量發射模塊的諧振回路的Q值，實現了照明模塊和能量發射模塊之間的數據傳輸。

【關鍵詞】單片機；能量傳輸；LC諧振；數據傳輸

1.引言

電能的傳輸長期以來主要是由導線直接接觸進行傳輸，電器設備通過插頭和插座、開關、繼電器等接觸器獲得電能。隨著用電設備對供電品質、安全性、可靠性、方便性、及時性等要求的不斷提高，還有特殊場合、特殊地理環境的供電，使得接觸式電能傳輸方式，越來越不能滿足實際需要。因此無線電能傳輸越來越受到人們的關注，并被美國《技術評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。

2.論文目標

本設計要實現能量的無線傳輸，主要由主控單片機模塊、電源控制模塊、發射模塊、接收模塊組成。發射模塊和接收模塊通過電磁感應實現能量的無線傳輸。改變電源模塊的輸出電壓，使發射模塊得到不同的輸入電壓，從而改變接收模塊上5個LED燈的亮度。

3.總體方案設計

本系統主要由發射模塊和接收模塊組成，發射模塊如圖1所示，它包含了電源處理電路，發射電路電壓控制模塊，發射電路，解調電路，顯示模塊等電路。接收模塊如圖2所示，它包含了LC諧振電路，濾波電路，穩壓電路等模塊。

圖1 能量發射模塊

圖2 能量接收模塊

4.硬件電路設計

4.1 主控單片機模塊

該設計采用兩款單片機，PIC16F877單片機和AT89C2051單片機，PIC單片機可對采樣電阻進行實時電壓檢測，送給單片機進行AD轉換，并且通過計算即可得出功率，最后顯示在液晶屏上。通過改變lm317的輸出電壓，為發射模塊提供不同的電壓值，從而使接收端可以得到不同的電壓，進而改變LED燈的亮度。通過UART對解調回來的波形進行解調，識別，從而實現發射模塊和接收模塊的相互通信。ATC2051作為載波發射器輸出184k載波送給發射模塊，用這種方式產生的載波穩定性較好。

4.2 調制發射電路

由于近距離無線通信采用線圈諧振的方式傳遞能量、發送和接收數據，調制我們采用ASK的調制方式，這種方式在電路上較容易實現而且硬件電路相對來說比較簡單，由此該模塊電路主要由驅動電路和檢波放大電路組成。AT89C2051單片機輸出的信號經驅動電路后加到LC諧振回路上，實際使用中需調整LC的諧振頻率與AT89C2051單片機產生的信號頻率一致。在L與C聯接端得到30V左右的諧振電壓，使電感線圈L產生較高的電磁場，為接收模塊提供能量。

LC諧振電路頻率計算公式：

（5-1）

高頻載波驅動電路如圖所示，ATC2051產生184KhzPWM方波作為輸入信號CLK，經U1A和U1B（7404數字集成電路）的緩沖，Q1（IRF9640）和Q2（IRF640）組成乙類功率放大器，為LC串聯諧振回路提供激勵信號。Q1、Q2選用MOS管。利用開關二極管D1對載波信號進行整流，以便得到正半周信號。

圖3 載波驅動電路原理圖

4.3 接收檢波放大電路設計

接收模塊通過通訊線圈回路的通斷實現對發射模塊諧振回路衰減系數的調制，從而將數據信號傳送給發射模塊，因此在發射模塊，需要由檢波電路將調制信號進行解調。信號檢波放大模塊電路如圖所示，C3、R1和D1組成二極管包絡檢波，濾掉載波信號，得到一定的直流電平及微弱的包絡信號。為了提高檢波性能，RC的取值依據系統通訊的最高波特率確定，同時載波對檢波電路的要求，即滿足的條件。考慮到檢波對諧振回路的衰減，C2的取值不可過大，最終確定最終取R1為1M，C為100pF的電容。

（5-2）

RC=1×106×100×10-12

=100×10-6（s）>>0.24×10-6（s） （5-3）

由于解調后的信號幅值很小，需經多級放大后，才能將電平輸出給單片機處理。C6、C5、R2、R3、U1C、U1D對包絡信號進行放大。R4和C7組成一階RC低通濾波，濾掉高頻雜波（主要為通訊的載波）后，再由C8、R5、U1E放大后，經U1F整形后的調制信號，送給閱讀器主控單片機進行解碼。

圖4 檢波放大電路原理圖

4.4 供電模塊

供電電源為+12V，總共分兩路輸出：一路供給PIC單片機模塊，用LM7805把它降成5V；一路為發射模塊供電；發射模塊采用LM317外接電路，通過IO口控制三極管的通斷來產生不同的電壓為發射模塊供電。

如圖5所示：LM317輸出的電壓是1.2V到3.7V，負載電流最大為1.5V。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好。LM317內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路。

圖5 供電模塊原理圖

4.5 Nokia 5110液晶顯示模塊

該液晶具有以下特點：

（1）84*48的點陣LCD，可以顯示4行漢字。

（2）采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數量大幅度減少，包括電源和地在內的信號線僅8條。

（3）采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在200Ua以下。

（4）可以顯示漢字，使要顯示的信息更直觀明了。

4.6 電流采樣電路

電流采樣電路采用一個1歐的電阻，然后經lm358放大電壓，最后送到主控單片機進行AD轉換，經過換算就可得能量發射模塊的總電流。

4.7 接收模塊電路

接收模塊由LC組成并聯諧振回路，無線接收發送端傳送的能量，然后經1N5817二極管整流再通過電容濾波，再用7533-1穩壓管進行穩壓，最后再經過電容濾波，給然后給5個并聯的LED燈供電。

4.8 接收模塊的調制電路

調制電路由AT89C2051的TXD腳控制三極管的通斷進而控制接收模塊線圈的通斷。這樣就實現了通過耦合改變能量發射模塊的諧振回路的Q值，從而實現了發射模塊和接收模塊之間的通信（數據傳輸和調制）。

5.軟件設計

無線能量傳輸主要是由發射模塊和接收模塊組成。

圖6 發射模塊工作流程圖

圖7 接收模塊工作流程圖

6.調試

系統的調試過程一共可以分為三大部分：硬件調試、軟件調試和系統聯調。

6.1 硬件調試

在硬件調試過程中，我們采用分模塊調試的方法，給各小模塊上電，先用萬用表測出供電模塊的兩路電壓值，看是否正常。然后把其中的一路供給lm317，一路供給MCU。接著結合PIC單片機的按鍵控制lm317的輸出電壓值并加在LC振蕩電路的兩端，看LED燈是否能顯示不同等級亮度。接收模塊則直接用萬用表的電流檔串聯接入LED，得出電流值。

通信方面，則采用ATC2051的串口和PIC的uart直接相連的方法，先測試看能不能相互通信，最后再加上調制電路和解調電路，看能否正常通信。

6.2 軟件調試

軟件的編寫主要是nokia5110液晶的顯示和兩個按鍵的使用和PIC16F877中A/D的使用。在調試過程中，我們先把能量發送模塊和能量接收模塊直接連接，一塊MCU用uart發送類似紅外的編碼，另一塊MCU進行接收解析數據包，調試系統的通信模塊。最后再加上調制電路和解調電路，實現發送模塊和接收模塊的無線通信。

7.系統測試

7.1 測試的方法

在測試中，按照設計的要求進行測試，首先上電，改變LM317調節端的電阻值，給發射模塊提供不同的電壓，然后接上電流檢測模塊，再連接MCU，最后在接收模塊進行相關數據的檢測和記錄。對于電流和功耗的檢測我們采用萬用表串聯檢測的方法。

7.2 測試數據

表1 測得的系統數據

發射電壓（V）發射模塊功率（W）接收模塊功率（W）傳輸效率傳輸距離（mm）

128.0324.99662.2%10

8.0324.12051.3%20

8.0323.15739.3%30

77.3424.46460.8%10

7.3423.46547.2%20

7.3422.84938.8%30

56.7224.01359.7%10

6.7222.93343.6%20

6.7222.27833.9%30

8.結論

本設計通過電磁感應實現了電能的無線傳輸，通過無線供電方式使接收模塊的5個LED燈正常發光，在10mm時每個LED電流可以達到12mA，在30mm時每個LED電流可以達到10.5mA。液晶能夠很好的顯示發射模塊的功耗和接收模塊上5個LED的亮度等級，具有良好的界面，功耗誤差也不超過±5%。通過按鍵可以切換LED不同等級的亮度。

本設計進一步完善之后可以用于醫學檢測，具有較高的商用價值。

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