基于51单片机智能无线充电器的设计

孙永强 王英 张红茂

摘 要：本系统的设计主要应用于手机和平板等便携式设备进行充电，具有无线充电、能量传输效果较好和时尚简单等优点。系统利用MCS-51单片机作为智能无线充电器的核心控制芯片，软件采用backscatter调制方式，从而可以实现对电流和电压进行设置控制，从而给手机等便携式设备进行充电，并且具有在手机完成充电后自动停止充电等功能。本文以开发智能无线充电器为例，就MCS-51单片机的部分功能展开研究，导出用MCS-51单片机来开发出一款智能无线充电器。文章对研究智能无线充电器具有一定的参考价值。

关键词：MCS-51单片机；backscatter调制；无线充电器

智能无线充电技术经过数年的研发、实验、调试和应用。随着便携式设备的广泛应用，该设备开始受到广大人群大范围的使用和极大的关注[ 1-3 ]。关于智能无线充电器的设计，重点在于将项目中所需的理论与实践知识有机结合及其应用。由于相关研究团队一般不涉及内部结构制作过程，市场中也不强调智能无线充电器的设计技术，因此，本文的目的是用MCS-51单片机来开发出一款智能无线充电器。

要研究智能无线充电器的设计技术，必须要掌握MCS-51单片机内部结构和电子技术的知识。笔者作者认为，在研究用MCS-51单片机开发智能无线充电器的技术中不能脱离两点：首先是要明确智能无线充电器的使用范围；其次是不能抛开用MCS-51单片机开发智能无线充电器的工作原理和软件程序编写的思路。否则，研究人员难以掌握其根本，也就不能灵活运用于各个开发项目中。

但是，用MCS-51单片机开发智能无线充电器的设计技术与应用工作和生活中通常涉及的是硬件基本组成结构，强调智能无线充电器在项目中的灵活运用，忽略了无线充电器的设计软件程序编写思路。本文就MCS-51单片机的部分功能展开研究，导出用MCS-51单片机来开发出一款智能无线充电器，无线充电距离最大为5cm。

1 智能无线充电器的充电方式

就目前研究智能无线充电技术来说：主要是利用电磁感应式、磁场共振式和电波辐射式三种方式来实现。其中，电磁感应式是目前社会上使用较为广泛的一种近距离无线充电方式。本文设计的智能无线充电器的充电方式就是采用这种方式，其工作原理类似于分离的空心变压器，存在的技术缺点是用感应线圈传递的能量是变化的磁场，其磁场能量的大小会随着两个线圈的距离增加而迅速减小，其传输距离非常有限。电磁感应式原理图如图1所示。

2 智能无线充电器设计的整体思路

本文通过无线充电QI-WPC通信序列，并且无线充电过程主要是由感应线圈被动的接收发送端所发出的能量并进行处理。整体设计思路是将交流电经过全桥整流电路转变为直流电12V给系统进行供电，将NE555组成的振荡器所产生的能量通过线圈以电磁感应的方式发送出去，当接收端的接收线圈与发射端的发射线圈在近距离相互靠近作用时，则接收线圈会产生相应的感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时则就会产生谐振频率，电压值也就会达到最大值，则就说明该系统具有较好的能量传输效果。

整个设计系统的工作流程图如图2所示。

3 系统硬件电路与软件程序的设计

系统以MCS-51单片机和KA7500B脉宽调制型开关电源集成芯片为核心，KA7500B芯片具有恒流和恒压的功能。其恒流值符合如下公式：

式3-1中R为电流取样电阻为0.05Ω，PWM为MCS-51单片机PWM输出滤波后的电压电路中的电压反馈的正、负极对应KA7500B的第15和16脚。

输出电压值公式：

3.1 硬件电路板卡的设计

硬件电路板卡主要是分为发射端和接收端两部分；通过2个感应线圈耦合能量，接收端的感应线圈输出稳定交流电经过接收转换电路变化成直流电为手机等便携式设备进行充电。

设计的硬件电路接收端是由DC/DC转换器、按键模块、显示模块和主控模块等几部分组成。DC/DC转换器是将能量进行储存和释放，显示模块通过液晶显示器将充电的电流和电压进行显示。按键模块进行对恒定的电流和电压进行设置，主控模块是以MCS-51单片机为核心，然后通过外接的USB接口进行对手机等便携式设备进行充电。

3.2 软件程序设计

本文设计整体程序设计思路主要由MCS-51单片机程序控制实现。其软件程序的工作过程为：首先对电路进行启动初始化，然后进行电路功能选择，输出选择并进行确定输出，MCS-51单片机采集计算输出PWM信号，定时采集感应线圈所发出的数据并处理调节PWM信号占空比等，通过调节占空比来完成电压调节。

单个周期内，电路的充电时间为：

tr =0.7（R36+R40+R42）C16

放电时间为：

tf =0.7（R40+R42）C16

充电过程基本上可以分为两个阶段进行，第一个阶段为恒流充电，其中电流可以设定，当充电電压达到4.2V时转入第二阶段，恒压充电电流随着时间的推移而逐渐降。具体充电曲线如图3所示。

本文研究的数据采集部分主要是由MCS-51单片机内部的A/D转换模块完成的，采集程序主要是分为ADC寄存器初始化函数、发送启动转换命令函数和等待转换结束等函数等几个阶段。

3.3 系统整体调试

当谐振功率放大器的选频回路的谐振频率与激励信号频率相同时，谐振功率放大器发生谐振，此时感应线圈中的电压和电流达最大值，从而产生最大的交变电磁场。当接收线圈与发射线圈进行靠近时，在接收线圈中产生感生电压，当接收线圈回路的谐振频率与发射频率相同时产生谐振，电压达最大值，从而构成了谐振回路。

系统整体硬件调试是将智能无线充电器的发射端和接收端进行检测；软件调试过程是对上位机程序不断优化的过程，主要是无线通信协议backscatter调制方式。在联调过程中，常出现的问题是发送端谐振频率与激励信号频率是否相同的测试部分，经过不断的实际调试和理论分析；发射端感应线圈回路与接收端感应线圈回路均处于谐振状态时，具有最好的能量传输效果。

4 结语

本课题基于单片机无线电能充电器的设计系统的工作原理是：系统的设计理念是采用线圈耦合的方式来进行能量的传递，首先连接的是电源模块，电源模块给发送模块的线圈提供能量，可以使接收模块单元接收到足够多的能量，则可保证后续电路能量的供给无后顾之忧。由于无线电能充电器系统设计的电压会随着能量发送单元模块和接收单元模块耦合线圈的距离，在实际测试中则可根据实际的需求做出相应的改变；其难点在于耦合线圈的制作和相关电子电路的设计。

对于手机等便携式设备充电的发展已经从单一模式进入到信息网络的无线距离通信时代。系统可靠性研究是今后此类设备的重要研究内容，对系统进行远距离充电是今后的重要工作。

参考文献：

[1] 高弋坤.桑菲通信：率先推出全球首批Qi标准无线充电手机[J].通信世界，2011年08期.

[2] 王传亮.无线充电技术简介及其监管机制思考[A].2011全国无线及移动通信学术大会论文集[C].2011年.

[3] 江西.手机显示“警告充电器接触不良”原因[N].电子报，2011年.

[4] 王晓静.基于RFID技术的无线充电系统研究[D].北京邮电大学，2008年.

[5] 侯明明.一种新型智能锂电池充电器的解决方案[D].复旦大学，2011年.

[6] 朱美杰.感应式无线充电技术的研究[D].南京信息工程大学，2012年.