光伏蓄電式無線充電藍牙遙控機器人設計

華南農業大學電子工程學院 趙懿琨華南理工大學電子與信息學院 吳寶仔華南農業大學工程學院 方壯東深圳青銅劍科技股份有限公司 謝桂彬

光伏蓄電式無線充電藍牙遙控機器人設計

華南農業大學電子工程學院 趙懿琨
華南理工大學電子與信息學院 吳寶仔
華南農業大學工程學院 方壯東
深圳青銅劍科技股份有限公司 謝桂彬

針對外環境作業缺少有線供電及采用電線插接方式充電容易造成接口接觸不良等問題，本文設計了一種光伏蓄電式無線充電技術的Android 藍牙遙控機器人。基于Qi無線充電標準，系統選用光伏結合電磁感應方式供給電能，通過AT89C51控制藍牙裝置和電機，并監控實時電池容量，實現太陽能供電無線電能傳輸狀態下Android平臺遠程遙控機器人的功能。該設計解決了太陽能陰雨天不易持續充電及有線充電接口不兼容等問題，經測試證明符合無線充電系統性能要求，擴大了機器人的使用范圍和靈活性。系統不僅可應用于危險環境作業的機器人，而且還可以應用于智能家居、物流運輸等方面，應用前景廣闊。

機器人；光伏蓄電；無線充電；藍牙遙控

1 引言

無線遙控的移動機器人可在危險環境作業以及人員搜集等應用中發揮特殊作用。藍牙技術具有支持點對點、點對多的通信和可形成分布式網絡[1]的特點，便于實現主控方對多點移動機器人快捷而方便的通信。如何自動高效保障移動機器人的電量充足，成為全自動化藍牙遙控機器人的關鍵。由于非接觸式充電擺脫以往電線的束縛進而解決電子產品充電接口不兼容的問題[2]，因此，運用無線電能傳輸技術中接觸感應充電技術，機器人可在電量不足情況下實現感應充電無須人工干預[3]。然而，現有無線電能傳輸技術的發射端供電電源大多是常規電源[4]，在一定程度上限制了其應用范圍和發展。太陽能直流技術是一種綠色環保的供電技術，可在光照條件下將光能存儲在蓄電池中，再由蓄電池給用電設備供電。無線電能傳輸技術與太陽能直流技術的結合，達到了當今人們節能環保和高效便利的要求。

本文設計了一種滿足連續陰雨天氣持續工作的基于光伏蓄電式無線充電裝置的藍牙遙控機器人。其中，光伏系統產生12V直流電供能給無線充電發射電路，可移動機器人利用電磁感應接收電能并為藍牙模塊供電從而實現基于Android平臺上的無線遙控。

2 系統結構和理論計算

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system structure

系統結構框圖如圖1所示，光伏式無線充電裝置可設計為固定或可移動的裝置，無線接收藍牙遙控機器人為移動裝置。太陽能蓄電部通過光電轉換將直流電能存儲在12V蓄電池中或者是供給無線充電發射部分，無線發射端通過NE555D芯片產生一個固定頻率的脈沖信號，通過功率放大，使發射線圈產生磁場，當無線充電接收線圈靠近時，產生感應電流并將電能存儲在5V蓄電池中。蓄電池將電能輸送到藍牙遙控機器人以支持機器人各個部件運作。

藍牙遙控部分每天工作6小時，工作能耗為每小時210mA；待機18小時，待機功耗為每小時40mA。每天充電次數選取為1，可得每天總功耗為1.98Ah，故采用5V、2.0Ah的蓄電池作為藍牙遙控機器人的電源。

圖2 光伏蓄電電路圖Fig.2 Photovoltaic power storage circuit diagram

圖3 無線充電發射電路圖Fig.3 Wireless charging transmitter circuit diagram

以廣州為例，蓄電池容量（BC）計算公式為：

式(1)中，A為安全系數，取值1.1～1.4；Q為日均耗電量，Ah；N為連續陰雨天數；β為溫度修正系數；C為鉛酸電池放電深度。其中，日均耗電量按照每天為藍牙遙控部分無線充電的供能計算（最大傳輸效率下），可得Q=2.48。據廣州市天氣情況，可能出現連續陰雨天，綜合選定N=7。廣州全年溫度在0攝氏度以上，因此β=1。系統中蓄電池處于浮充的工作狀態，放電深度C=70%，安全系數取最高，A=1.4。由式(1)可以算出BC= 17.01Ah，因此根據標準選擇容量為18Ah的蓄電池。

3 系統電路設計

3.1 光伏蓄電式無線充電部分

光伏式無線充電部分由太陽能蓄電系統和無線發射電路兩部分組成。光伏蓄電系統主要由太陽能電池組件、充放電控制器和鉛酸蓄電池組成，電路圖如圖2所示，其中，充放電控制器的作用是對蓄電池進行過充/放電保護和溫度補償。光照條件好時，光伏蓄電系統轉化的電能部分供給負載，部分對蓄電池進行充電；光照條件差時，光伏板發電量少蓄電池進行放電，分擔部分或全部負載。

無線充電部分基于電磁感應原理，因此系統采用Qi無線充電標準。無線充電傳輸效率是指負載輸出功率和電源輸出功率的比值，參見公式(2)：

公式(2)中，ω為電路諧振頻率；M代表發送線圈與接收線圈間的互感；R1和R2分別代表發送與接收電路的等效電阻；RL為負載[5]。由公式可以看出，系統的傳輸效率與電路諧振頻率、負載電阻、發送電路與接收電路的等效電阻、發送線圈和接收線圈之間的互感有關。無線充電發射電路通過線圈間電磁感應向接收電路傳輸電能，電路圖如圖3所示，NE555D芯片產生168KHz的脈沖信號經功率放大使發射線圈產生磁場。接收線圈靠近發射線圈時會產生感應電流，電能即從發射端向接收端傳輸。

圖4 無線充電接收電路圖Fig.4 Wireless charging receiver circuit diagram

圖5 藍牙遙控電路圖Fig.5 Bluetooth remote control circuit diagram

圖6 程序流程圖Fig.6 Program fow chart

3.2 線接收和藍牙遙控部分

無線接收部分包括電壓輸出部分和充電檢測部分，電路圖如圖4所示。感應線圈在靠近發射線圈時會產生感應電流，后經全波整流和穩壓將電能存儲在蓄電池中，LED1發亮。當蓄電池充滿時，LED2發亮。

藍牙遙控部分包括機器人藍牙模塊HC-05，主控制器AT89C51單片機、L298N直流電機驅動芯片和直流電機，電路圖如圖5所示。其中，AT89C51監控蓄電池電量，接收上位機Android設備的控制命令，與HC-05進行串行數據通信，采用異步通信方式與L298N進行雙向通信，根據兩輪差速轉向控制方式改變移動機器人的行駛方向。AT89C51的程序流程圖見圖6。

4 測試與結論

經測試，該系統實現如表1所示的技術指標，具備太陽能供電、無線電能傳輸和Android平臺遠程遙控的功能。首先，設計中光伏蓄電系統可在有陰雨連綿天氣(6天連陰雨) 的多雨季節里，保持一個月的連續供電，證實了太陽能供電系統能夠維持系統負載并保持蓄電池處于滿電狀態。其次，基于電磁感應原理設計的無線充電裝置結構簡單，成本低廉并且最大傳輸效率可達79.3%，優于德州儀器的方案WPC A5和WPC A11的最大效率[6]。最后，采用藍牙遙控模塊實現機器人的遠程遙控，遙控系統具有匹配速度快和良好的抗干擾能力。

綜合來看，本系統具有傳輸效率高、充電速度快、遙控范圍廣的特點，滿足無線充電系統的性能要求，可應用于不宜人工操作危險場合以及智能家居等場合，市場應用前景廣闊。

Design of Wireless Charging Bluetooth Remote Control Robot Based on Solar Energy Supply

ZHAO Yi-kun1WU Bao-zai2FANG Zhuang-dong3XIE Gui-bin4
（1.College of Electronic Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642,China；2.School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；3.College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642,China；4.Shenzhen Bronze Technologies Ltd.，Shenzhen 518057，China）

Aiming at the problem of lacking of power supply and that it is easy to cause bad contact wire interface when using a wire inserting mode，this paper introduces the design of Android wireless charging Bluetooth remote control robot based on solar energy supply.Based on Qi specifcation，the robot energy supply is realized by solar energy combined with electromagnetic induction to the internal storage battery.Using AT89C51 to control the motor and Bluetooth device and monitor real-time states of charge of battery，system realize solar powered，wireless power transmission and remote control function on the Android platform.The design solves the problem of continue charging in rainy days and incompatible interface，and is proved to satisfy performance requirements of wireless charging system，which is expanding the using range and fexibility of robot.System can not only be applied in robot for special environmental，but also in intelligent Home，logistics transportation and even more，which indicates the bright prospect of application.

Robert；solar energy supply；wireless charging；Bluetooth remote control

廣東省科技計劃項目（2014B020207001）。