無(wú)線充電觀賞魚(yú)的設(shè)計(jì)

王小妮+胡菡靜+江艷飛+成曉男

【摘要】 本文應(yīng)用無(wú)線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)近距離非接觸式充電，設(shè)計(jì)出無(wú)線充電觀賞魚(yú)緩解人們對(duì)觀賞魚(yú)類(lèi)喂養(yǎng)的繁瑣過(guò)程，美觀而不失科技感。利用CD4017芯片作為核心控制設(shè)計(jì)了觀賞魚(yú)的主體驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)對(duì)受控馳張振蕩源產(chǎn)生的時(shí)序脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制分別置于魚(yú)胸鰭和魚(yú)尾部的獨(dú)立電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)觀賞魚(yú)在水缸的自主游動(dòng)。觀賞魚(yú)采用鋰電池作為供電源，選取集成IC芯片DW01配MOSFET8205A設(shè)計(jì)保護(hù)板，通過(guò)對(duì)閾值電壓監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流/短路等工作狀態(tài)下的保護(hù)。考慮到觀賞魚(yú)在水下的運(yùn)動(dòng)，采用電磁感應(yīng)理論來(lái)設(shè)計(jì)近距離的感應(yīng)式無(wú)線供電系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)線充電 CD4017 鋰電池

隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，導(dǎo)致自由空閑時(shí)間壓縮，工作的繁忙往往會(huì)使人們忽略對(duì)家里養(yǎng)殖魚(yú)的喂養(yǎng)。

本課題設(shè)計(jì)的游水觀賞魚(yú)無(wú)需喂養(yǎng)，可以在水缸里自由游動(dòng)極具觀賞性，也可用于家用裝飾的門(mén)店商業(yè)裝飾，美觀而不失科技感。

該設(shè)計(jì)具有無(wú)線充電功能，當(dāng)觀賞魚(yú)游動(dòng)耗盡電量后在水缸底部充電區(qū)域可通過(guò)無(wú)線充電技術(shù)給鋰離子聚合物蓄電池實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。

本課題的設(shè)計(jì)主要由魚(yú)體驅(qū)動(dòng)電路、鋰電池充放電保護(hù)電路和電磁感應(yīng)無(wú)線供電電路三大模塊構(gòu)成。

一、設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

觀賞魚(yú)在水下的游動(dòng)由兩個(gè)獨(dú)立電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的圓周運(yùn)動(dòng)要轉(zhuǎn)為左右擺動(dòng)，觀賞魚(yú)尾鰭擺動(dòng)推動(dòng)魚(yú)體運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變涉及到機(jī)械鏈桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)合適的鏈桿機(jī)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)魚(yú)體前進(jìn)不可或缺。

1.2防水密封問(wèn)題的處理

水下推進(jìn)系統(tǒng)必須合理的處理好內(nèi)部各類(lèi)電子元器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)防水密封問(wèn)題。開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，必須考慮不同部位的密封特點(diǎn)，針對(duì)不同密封部位采用不同密封方式，分類(lèi)處理，完好的防水密封處理將影響?hù)~(yú)體整體運(yùn)動(dòng)效果。

二、魚(yú)體驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

魚(yú)體驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)作為本課題的三大模塊之一，合理的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)觀賞魚(yú)水下游動(dòng)至關(guān)重要。CD4017是一款計(jì)數(shù)分頻器集成IC，配合受控馳張振蕩電路提供的時(shí)序脈沖信號(hào)通過(guò)對(duì)繼電器觸頭的控制間接控制魚(yú)體驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)魚(yú)體自由游動(dòng)。

魚(yú)體驅(qū)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)將由四個(gè)不同模塊配合工作，包括受控馳張振蕩源、計(jì)數(shù)分頻器、前進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊和轉(zhuǎn)向控制模塊組成。魚(yú)體頭部放置一個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)，當(dāng)魚(yú)體游動(dòng)碰觸水缸壁后將觸發(fā)受控馳張振蕩電路并產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)，隨后時(shí)序信號(hào)通過(guò)CD4017芯片計(jì)數(shù)分頻控制轉(zhuǎn)向電機(jī)使魚(yú)體轉(zhuǎn)向繼續(xù)游動(dòng)，同時(shí)在魚(yú)尾設(shè)有獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)魚(yú)體前進(jìn)游動(dòng)。

三、鋰電池充放電保護(hù)板設(shè)計(jì)

觀賞魚(yú)設(shè)計(jì)中電源模塊采用鋰電池供電。鋰電池具有很高的能量密度可大容量的儲(chǔ)存電能，這也導(dǎo)致其安全性能的不穩(wěn)定。

通常發(fā)生的自燃或破裂的險(xiǎn)情就是當(dāng)鋰電池處于過(guò)充電狀態(tài)時(shí)，因能量過(guò)剩使電池發(fā)熱溫度上升促使電解液分解，內(nèi)部壓強(qiáng)急劇升高而引發(fā)；鋰電池的使用壽命縮短就是受其處于過(guò)放電情況影響，引發(fā)內(nèi)部離子傳輸載體超量分解造成性能惡化。

故此利用鋰電池作為電源時(shí)必須設(shè)計(jì)合理的保護(hù)電路確保安全性以及性能穩(wěn)定。

四、電磁感應(yīng)無(wú)線供電電路設(shè)計(jì)

考慮到觀賞魚(yú)在水下的運(yùn)動(dòng)，所以電源模塊將應(yīng)用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)近距離感應(yīng)式無(wú)線供電系統(tǒng)為鋰電池充電。選取XKT-412高頻大功率無(wú)線供電IC和T335濾波整流IC設(shè)計(jì)無(wú)線充電發(fā)射模塊；選取T3168關(guān)斷型穩(wěn)壓IC設(shè)計(jì)無(wú)線充電接收模塊。

五、結(jié)語(yǔ)

觀賞魚(yú)的外形體積直接影響到無(wú)線充電模塊體積的大小，而本次設(shè)計(jì)的無(wú)線充電觀賞魚(yú)將用作商業(yè)用途其體積較小，所以在選取芯片設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡可能選擇封裝較小且以滿(mǎn)足系統(tǒng)功能為前提下的高度集成芯片。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 高帥.仿生鰩魚(yú)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文.2014，7：2-6

[2] 鄭精輝.基于波動(dòng)機(jī)理的觀賞魚(yú)探測(cè)器研究.浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007，6：3-8

[3] 陳維山.仿魚(yú)機(jī)器人穩(wěn)態(tài)游動(dòng)的水動(dòng)力性能研究哈爾濱工業(yè)大學(xué).2010，7：2-5

[4] 印健健.解析CD4017集成電路的邏輯功能.電子測(cè)試.2013（7）：37-38

[5] 趙明亮.單結(jié)晶體管可控硅觸發(fā)電路的安裝與調(diào)試.企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)（下半月）.2015（15）：79-80

[6] 趙繼文.《傳感器的應(yīng)用及電路設(shè)計(jì)》.北京：科學(xué)出版社，1997.3.

[7] 何希才.《集成電路及其應(yīng)用實(shí)例》.北京：科學(xué)出版社，1998.5.