基于太陽能的無線可移動充電裝置設(shè)計(jì)

摘 要：有線充電線路繁瑣，且在特殊環(huán)境下充電極不安全，因此提出一種基于太陽能的可移動式無線充電裝置設(shè)計(jì)方案，裝置由太陽能光伏板、蓄電池、無線充電發(fā)射線圈、超聲波測距傳感器、51單片機(jī)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)等組成。通過超聲波信號進(jìn)行空間定位，51單片機(jī)將獲取距離的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，無線充電模塊移動到待充電物體下方對物體進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)自動追蹤待充電物體的功能；系統(tǒng)電源由太陽能光伏板將太陽能轉(zhuǎn)化成電能并儲存在蓄電池內(nèi)，實(shí)現(xiàn)用清潔能源供電。基于太陽能的無線充電器具有安全可靠、兼容性更高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：太陽能；可移動式無線充電裝置；自動追蹤；超聲波測距；電磁感應(yīng)；清潔能源

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-03

0 引 言

近年來，隨著無線充電技術(shù)的不斷發(fā)展和消費(fèi)者需求的變化[1]，小到藍(lán)牙耳機(jī)、智能手表[2]，大到汽車、醫(yī)療器械[3]，越來越多的電子產(chǎn)品配備了無線充電功能。

電磁感應(yīng)技術(shù)是用于手機(jī)、平板電腦等小型便攜設(shè)備的無線充電技術(shù)[4]。它的特點(diǎn)在于有很大的適應(yīng)度，是一種相對成熟的無線充電方法[5]。但電磁感應(yīng)技術(shù)產(chǎn)生的磁場會隨著用電設(shè)備與無線充電器距離的擴(kuò)大而逐漸衰減，并且能量朝著周圍發(fā)散，產(chǎn)生的電流比輸入的要小得多，所以在用電設(shè)備和無線充電器距離比較遠(yuǎn)的情況下，其能效并不高[5]。但若設(shè)備與充電器距離較近，則能有效解決上述問題。目前，市場上的大多數(shù)小型智能設(shè)備都支持Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)[6]，無線充電功能已經(jīng)逐漸成為小型智能設(shè)備的標(biāo)配。未來隨著無線充電技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及，無線充電器的應(yīng)用范圍和市場規(guī)模還將進(jìn)一步擴(kuò)大。本文以太陽能電池板和蓄電池為電源，將無線充電技術(shù)作為核心，利用超聲波測距傳感器來實(shí)進(jìn)行空間定位；將51單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理模塊，通過電機(jī)控制無線充電模塊移動到待充電物體下方，實(shí)現(xiàn)無線移動充電。

1 基于太陽能的可移動無線充電技術(shù)

1.1 光伏技術(shù)

目前，利用太陽能產(chǎn)生電能的途徑有兩種。一種是由太陽輻射所生成的熱量來產(chǎn)生電能。這種方法是將熱量轉(zhuǎn)化為水蒸氣，然后再通過水蒸氣來帶動汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。熱能作為能量的中間形態(tài)，能量轉(zhuǎn)換形態(tài)次數(shù)較多。由于能量不是通過光能直接轉(zhuǎn)化為電能，所以這種能量轉(zhuǎn)化的效率非常低，而且這種轉(zhuǎn)化方式的設(shè)備制造費(fèi)用也非常高[7]。另一種是利用光生伏特效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換成電能[7]。太陽能發(fā)電（光-電轉(zhuǎn)換）示意圖如圖1所示。

1.2 無線充電技術(shù)

無線充電技術(shù)利用電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)短距離、大功率的感應(yīng)式無線充電[5]。當(dāng)導(dǎo)電體處于封閉的回路中，導(dǎo)電體做切割磁感線運(yùn)動時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)電場作用于導(dǎo)電體時，會產(chǎn)生電流，該過程被稱為電磁感應(yīng)。如果導(dǎo)電體保持不動，磁場有所改變，也會出現(xiàn)感應(yīng)電動勢。把有封閉電路的導(dǎo)電體放到磁通量改變的磁場中，在封閉的電路中，會出現(xiàn)電流。感應(yīng)式無線充電是目前比較成熟的無線充電方法，該方法采用的2個感應(yīng)線圈分別為發(fā)送線圈和接收線圈。通過發(fā)送線圈的交流電流會形成磁場，然后在接收線圈的周圍形成電場。在移動電話、平板電腦等小型便攜電子產(chǎn)品中，采用電磁感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行無線充電已成為主流[2]。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

無線可移動充電裝置由無線充電系統(tǒng)和可移動系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體功能框架如圖2所示。可移動系統(tǒng)由超聲波傳感器、51單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)組成；無線充電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池和無線充電模塊組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

（1）太陽能電池板將接收的太陽能轉(zhuǎn)化成電能，再經(jīng)由電線與蓄電池連接，將轉(zhuǎn)化后的電能存儲于蓄電池中；

（2）超聲波測距傳感器獲取與被充電物體間距離的模擬信號；

（3）51單片機(jī)將物理信號轉(zhuǎn)換為電子信號發(fā)送至電機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的指令；

（4）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定圈數(shù)后將帶有無線充電發(fā)射線圈的小滑塊移動到待充電物體下方進(jìn)行無線充電；

（5）在超聲波傳感器未檢測到待充電物體時，滑塊回到初始位置。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 無線充電

該部分由接收太陽輻射的太陽能電池板、存儲電能的蓄電池和無線充電模塊構(gòu)成。在陽光充足的條件下，電能儲存在蓄電池中，為測距追蹤充電模塊供電。在夜間或者太陽光線不足時，蓄電池內(nèi)儲存的電能能夠滿足測距追蹤充電模塊的供電需求[8]。

3.2 可移動系統(tǒng)

該部分主要由超聲波測距傳感器、AT89S51單片機(jī)、無線充電發(fā)射線圈、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，電源接口選用Micro接口。采用超聲測量的方式獲取與被充電物體間的距離。超聲波測距具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高等優(yōu)勢，此外，超聲波對于光線、磁場不敏感，即使在雨雪天氣、大霧天氣中也有較光學(xué)測距法更好的適應(yīng)性。因此，物位測量、環(huán)境地形勘測、機(jī)器人定位與導(dǎo)航等領(lǐng)域都有超聲波測距傳感器的身影[9]。AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理信號和控制步進(jìn)電機(jī)。設(shè)置在零點(diǎn)處的測距傳感器獲取待充電設(shè)備的距離后，將其傳送至單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)圈數(shù)，拉動帶有無線充電線圈的滑塊移動到待充電設(shè)備下方，為設(shè)備充電。可移動系統(tǒng)程序流程如圖3所示。可移動系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試效果

測試移動系統(tǒng)的效果如圖5所示。放置手機(jī)在超聲波測距范圍內(nèi)時，數(shù)碼顯示器上會顯示與物體間的距離，同時步進(jìn)電機(jī)也會正轉(zhuǎn)帶動帶有無線充電線圈的滑塊移動至手機(jī)正下方。拿走手機(jī)后，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)回到零位。當(dāng)手機(jī)改變位置而非拿走時，會與上一次的距離進(jìn)行對比，若新距離大于上一次距離則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)。10次系統(tǒng)測試結(jié)果見表1所列，結(jié)果顯示：在多次追蹤測試中，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地將無線充電模塊移動到待充電物體附近。但由于超聲波傳感器擺放的位置不同，在識別較薄的物體，例如手機(jī)（屏幕與水平面平行）時，超聲波可能會在其表面反射，導(dǎo)致傳感器接收到的信號相對較強(qiáng)，從而獲得偏大的測量值，甚至存在一定的概率無法準(zhǔn)確識別到手機(jī)，使得滑塊移動到指定位置后未停下，影響測試效果。此外，在第10次測試中回程出現(xiàn)了微小偏差，分析后得知，該微小偏差為滑塊來回移動行程中超聲波測距累積的誤差[9-10]。

5 結(jié) 語

本文采用超聲波測距的方式設(shè)計(jì)了一種基于太陽能的可追蹤式無線充電器，能夠順利獲取與待充電物體的距離，之后滑塊帶動無線充電線圈移動到待充電物體下方為其充電。該裝置能夠解決常用小型電子設(shè)備在戶外無法充電的問題，以及頻繁插拔充電接頭導(dǎo)致充電接頭損壞的問題。待充電物體放置在超聲波檢測區(qū)域，滑塊即可自動追蹤待充電設(shè)備，無須人工操作。采用無線充電的方式解決了傳統(tǒng)有線充電方式因接頭長期插拔造成磨損而引發(fā)火災(zāi)的問題，也為小型設(shè)備充電帶來了便利。

注：本文通訊作者為汪源。

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