基于手机无线充电的设计

胡鹏志

摘要：该设计的原理就是通过电磁波传递电能。用555单片机时基集成电路产生一个12kHz峰峰值为5V的方波，通过反相器整形，放大，最终放大成峰峰值为12V的方波。最后，用三个反相器并联，驱动H桥，在H桥的输出端输出一个峰峰值为21.2v的方波。然后，用H桥驱动发射线圈，将电能转换成电磁波发射出去。接收线圈集成在手机里面，将手机放到底座上，两个线圈通过磁耦合就能传递能量。接收线圈输出的交流信号通过整流桥整流，电容滤波，最后变成稳定的直流电压，这样就可以对手机进行无线充电了。

关键词：IAP15F2K61S2；H桥；12k方波

1开发背景

在今天这个追求高效的时代，我们使用的电子产品在向精致小巧，时尚便携的方向发展。在日常生活中，便携设备（如手机，数码相机等）的体积也越来越小，同时许多问题也随之而来，比如，电池，不得不随着设备体积变小，但是小体积电池的储能也相应减少，只能维持基本的供应，免不了频繁为其充电，在充电中可能会遇到这样的问题：手机需要充电的时候数据线不在身边，充电手机型号不一样，数据线插头型号有时也不同，频繁的插拔数据线造成插头损坏等等。这样我们不得不取出电池用“万能充”充电。而且，没有备用电池还要承担漏接重要电话的风险！像iPhone一样内置电池的手机就是“万能充”也只能毫无作为。

无线充电设备彻底解决了这个问题，用户不必顾虑数据线不兼容，也不必担心充电时漏接电话，更不用重复这插拔数据线的繁琐而又磨损手机的动作，要做的只需要把手机放置充电座板上，无论什么型号的手机，只要使用该无线充电装置，就可以为电池充电，方便快捷。同时，无线充电系统还能设定充电时间，这样就不必担心电池充电时间过长而损坏电池。当手机离开充电基座时，发射线圈不发射电磁波，这样同时可以实现节能环保。

2功能与使用说明

该设计是一个手机无线充电模拟装置。按下电源开关，在1602液晶上会有一个开机界面。开机界面结束后，将接收线圈放到指定的位置，发射线圈就会发射电磁波，自动开始按设定时间对电池充电，同时会有一个充电倒计时显示。当时间减到零时就会停止。为了便于演示，默认定时时间是一分三十秒。充电时间可以通过键盘设置，可以进行常规的小时分钟设定，甚至可以精确到秒。当手机在充电时液晶显示器1602上面会显示“Charging！”和剩余的充电时间，当没有手机时上面会显示“No Cellphone！”，表示充电中止。当时间倒计时归零时上面会相应显示“Time Out！”，表示充电结束。

3设计原理

设计原理如图1所示。

4设计说明

设计原理就是通过电磁波传递电能。首先，用555时基集成电路产生一个12kHz峰峰值为5V的方波，如图2所示，通过反相器整形，变换，再用反相器进行中间级放大变换成峰值为8.3V的方波，如图3所示，再通过反向器进行最后的放大，最终放大成峰值为12V的方波。最后，用三个反相器并联，驱动H桥，如图4所示，在H桥的输出端输出一个峰峰值为21.2v的方波。然后，用H桥驱动发射线圈，将电能转换成电磁波发射出去。这个是充电底座原型，接收线圈集成在手机里面，将手机放到底座上，两个线圈通过磁耦合就能传递能量。接收线圈输出的交流信号通过整流桥整流，电容滤波，最后变成稳定的直流电压，这样就可以对手机进行充电了。

充电底座上有—对红外发射和接收头，如图5所示，有充电设备放在充电底座上时，就会有红外线反射回来，使红外接收头导通，再用电压比较器LM339将模拟电压转换成“0”和“1”高低电平，通过手机反射回来的红外线从而就可以感应手机的有无。

单片机用于控制555方波的产生、停止、定时以及检测手机的有无。

当初，设计当中用场效应管做H桥，场效应管反应较三极管稍有迟缓，但是因为的频率并不是很高，做这个项目完全足够。但是，实际试验证明，当频率高于3kHz时，H桥输出的波形严重失真，另外，场效应管比较脆弱，在焊接和试验的过程中很多场效应管都相继损坏，场效应管型号为IRF530和IRF9530。他们完全可以用被三极管替代。

在发射和接收线圈的选择方面，首先，我们选择的发射和接收线圈都是100圈，发射频率是6K。接收线圈输出信号经过整流滤波稳压之后，是可以对手机充电的。但是，考虑到线圈便于集成到手机上的问题之后，决定将充电频率提升到12k，发射和接收线圈都减少到34圈，这样将接收线圈就集成到手机上就比较容易，而且在实际应用中可以采用较细的铜丝，也不会影响到手机等充电设备的外观。

在12kHz方波信号发生器的选择方面，并没有选择晶振波形产生电路，一个是因为晶振频率调节不方便，分频比较麻烦，另一个是因为晶振偶尔会出现不起振的现象，会造成系统工作不稳定。

在手机感应方面，并没有选择超声波而是用红外线，一个是因为红外线发射和接收头成本低、效果好，并且写程序也比较简单；而超声波换能器体积大，电路也比较复杂；综合考虑，选择红外感应。

在人机界面上，同时也没有选择数码管而选择了1602液晶，因为1602占用cpu资源少，而且显示内容丰富，人机界面友好。

在峰值5V的方波放大成峰峰值12V的电路设计方面，没有用运放而选用反向器，是因为反相器更廉价，而且反相器放大电路更简单，关键是反向器也能胜这个放大工作。

5设计特点

该设计突破以往常生活中的电器（常见的手机、平板电脑、数码相机等便携设备）带线充电的传统模式，使“隔空充电”的想象成为了现实。相信以后会有更广阔的应用空间。

以手机为例，可以在手机充电设计中，去掉原有接入电路，加入接收线圈及相应的电路即可。对现有的手机我们可以进行这样的改造，将要使用特制的电池后盖（将极细的绝缘铜丝绕成的线圈附着或是嵌入在电池后盖的内侧，线圈的两个引脚分别引出固定在后盖上，在盖上后盖的时候吻合手机电池的正负极或是手机充电模块引出的接口，后者可以利用手机内部的模块的功能，更稳定！两种方案都不影响手机的美观，该作品以裸线圈接高亮发光二极管演示，模拟手机无线充电。

然后，将底座（下文称：充电板）接上电源，只要将手机放在经充电板（后期或经过外观改造）的相关区域，即可实现手机无线充电，预制可定时程序，定时时间完全按照用户的意愿设定并通过1602液晶给予显示。

针对耗能问题，在充电区设计了一个红外发射接受装置，在感应区放置待充电设备时，启动充电，移走即停，低碳环保，智能便捷，人性化。

该设计除了本身的创意之外，还有两个技术方面的创新：（1）用反相器进行方波的放大，将反相器VCC接8.3V，峰峰值5V的方波就可以就可以放大成峰峰值8.3V的方波，再一次放大，就可以放大成峰峰值12V的方波。（2）H桥，它的供电电压是10.6V，但H桥桥臂是用峰峰值12V的方波驱动的，三极管b极电压比H桥供电电源电压还高1.4V，在四个三极管导通时UCE基本上都等于零，三极管基本不会发热，这样有很多优势——节能、高效，还能保护三极管，避免过热被损坏。

无论是电路板的焊接，还是线圈的绕制，我们都是全手工制作。包括供电电源，一些相关的单片机外围设备，振荡电路，滤波整流等模块均为自主设计，虽然在外观，性能（主要指空间远距离）等方面略有瑕疵，但是该产品实现基本的无线充电功能还是圆满实现。