小功率无线电能传输设计
摘要：本装置设计了一个无线电能传输系统，主要利用了磁耦合谐振的理论来进行无线电能传递装置的设计，从而实现短距离、小功率的能量传递，进而给负载LED灯供电。本系统主要由6个模块组成：220VAC转18VAC降压模块，整流滤波模块，DC-DC降压稳压电路，高频功率驱动电路，LC振荡电路以及MSP430单片机控制显示模块等。前级电路主要是为了方便实用，无需单独提供直流电压源作为电能输入。电路选用变压器将220V市电转换为18V交流电压，经由桥式整流、简易电容滤波等将交流电压转换为直流变压，再经过直流降压稳压模块固定输出15V和5V直流电压，分别供后级电路电能输入以及控制器供电使用。
发射电路由单片机产生一个频率可调的PWM信号，然后经高频功率驱动电路再通过线圈谐振发射电能，过程中步进调节并用LCD1602实时显示PWM信号频率便于匹配收、发振荡电路的固有频率，从而使得电磁能量以最佳频率高效传输。
接收电路则直接通过线圈谐振耦合接收电能，经整流滤波再次转换为直流电压给负载供电。该系统使用简单，调整方便，功能完备。
关键词：无线电能传输； 磁耦合谐振； 效率； 功率
Abstract: By using magnetic coupling resonant radio transmission technology, this system, a wireless power transmission system, can achieve a short distance and low power radio energy transmission, and then light the LED located at the load end.
The system is composed of 6 circuit modules, including 220 V turned to18 V AC circuit module, Rectifier filter module, DC - DC step-down voltage stabilizing circuit, high frequency power drive circuit, LC oscillation circuit and MSP430 single chip microcomputer control and display module, etc..
Conveniently and practically, the front-end circuit is without the need for a separate source of DC voltage as the electrical energy input. It use transformer to transform the 220V mains to 18V AC voltage, after a bridge rectifier and multilevel filter converts AC to DC voltage, then through fixed DC voltage regulator module 15V and 5V DC voltage output, respectively, supply for circuit power input and the micro-controller.
Meanwhile, transmission circuit generated a adjustable frequency PWM signal by single chip microcomputer, and then use the high frequency power drive circuit and transfer power by resonance coil, in the process of which, that adjusting the frequency of PWM step by step and displaying it real-time on LCD1602 is easy to match with the natural frequency of the oscillation circuit, so as to make the best frequency electromagnetic energy to get an efficiently transport.
While receiving circuit receives the electric energy directly from magnetic coupling receiving coil, and through rectifier filter ,AC voltage converted into a DC voltage again to supply the load LED. Finally, it is simple to use and easy to adjust.
Key words: transmission of wireless energy, magnetic coupling, efficiency, power
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 选题的背景及意义 1
1.1.1 国内外的研究现状 1
1.1.2 本课题的研究意义 1
1.2 论文的主要内容 2
第2章 小功率无线电能传输装置的理论基础 3
2.1 无线电能传输系统的基本结构 3
2.2 电磁感应定理 3
2.3 共振原理 4
2.4 电路原理 4
2.4.1 变压器理论 4
2.4.2 整流滤波理论 5
2.4.3 逆变理论 6
2.4.4 线圈参数理论 6
2.5 小结 8
第3章 小功率无线电能传输装置的系统方案设计 9
3.1 系统任务 9
3.2 方案比较与选择 9
3.2.1 控制电路 9
3.2.2 驱动电路 9
3.2.3 收发线圈 10
3.2.4 整流电路 10
3.2.5 显示模块 11
3.2.6 PWM生成方式 11
3.3 小结 11
第4章 小功率无线电能传输装置的硬件设计 12
4.1 硬件设计环境介绍 12
4.2 AC-DC模块电路 12
4.3 直流稳压电路 12
4.4 驱动电路 13
4.5 接收电路 14
4.6 单片机控制电路 14
4.6.1 MSP430F149最小系统 14
4.6.2 MSP430F149电源模块 15
4.6.3 BSL下载模块 15
4.6.4 液晶显示模块 16
4.6.5 按键模块 16
4.7 小结 17
第5章 小功率无线电能传输装置的软件设计 18
5.1 软件设计环境介绍 18
5.2 系统软件总体流程 18
5.2.1 PWM产生程序 18
5.2.2 按键调节频率程序 19
5.2.3 LCD1602液晶显示程序 19
5.3 小结 20
第6章 小功率无线电能传输装置的测试方案及结果 21
6.1 测试条件与仪器 21
6.2 测试方案 21
6.2.1 硬件测试方案 21
6.2.2 软件测试方案 21
6.3 测试结果及分析 21
6.3.1 测试结果 21
6.3.2 系统性能及误差分析 22
6.4 小结 23
结论 24
致谢 25
参考文献 26
附录1 27
附录2 29
附录3 31
附录4 32
附录5 33
第1章 绪 论
1.1 选题的背景及意义
1.1.1 国内外的研究现状
早在十九世纪九十年代，尼古拉•特斯拉就提出了无线能量传输的构想。特斯拉当时耗资巨大，然而也并没能够解决如何以最优的方向定向传送能量的问题。
国外对无线能量传输技术的研究开展的较早，大致分为两种：一是利用电磁波传送的方案；二是谐振耦合电磁感应方案。早在二十世纪六七十年代，名为Glaser的一位美国工程师就曾提出，发电通过太阳能发电卫星，传输依靠激光微波，再在地面接收、转化并利用，这是一种利用微波传输技术和太阳能技术发电的构想[1]。于是，在这之后在通过电磁谐振耦合来进行能量传输这一领域，产生了许多大量新研究。例如：无接触感应充电电车系统和无线方式充电的电动牙刷等[2]。这些应用虽然传输功率低、距离近，但其无线优势却解决了接触式供电方式存在的安全性和可靠性的隐患。
在国内，许多研究团队也做出了很多探索，在疏松耦合电磁感应领域也进行了一些深入分析。国内有中科院严陆光院士所主导的研究——基于高速轨道交通的无线运动型设备的充供电性能研究；对系统频率分叉现象和负载电压控制进行研究比较知名的有西安交通大学的王兆安教授团队等[3]。目前，无线充电技术仍需要面临的一个技术难题就是远距离无线电能传输的定向收发问题，从而实现电磁能量以最大效率传输，达到能量转化的最优效果。
1.1.2 本课题的研究意义
新型无线电能传输设备主要运用电磁谐振耦合原理来实现电磁能量的更加高效可靠的传输，改善了传统电能传输中电源线连接问题，对于现实生活具有重要意义。无线电能传输装置的意义在于它具备通用性、便携性、安全性，它可以用于充电应急，为供电节省了大量的线材，大幅减少接触式设备在塑料、橡胶等不易降解的材料上的使用，同时也减少了铜、锡等重金属上的使用，这样一来为我们构建资源节约型、环境友好型的可持续发展社会作出一份突出贡献。
随着研究的不断深入，无线电能传输技术将在人们生活的方方面面的应用中不断加以改进优化，不断提高电子设备的安全性和可靠性，最终投入生产实现产业化，惠及人类生活的方方面面，产生显著的影响。
1.2 论文的主要内容
本文旨在设计一个传输效率高、距离远、带负载能力强的小功率无线电能传输装置。论文总共分为五章，分别为背景意义、理论分析、硬件设计、软件设计、系统测试，从而完整的讲述了无线电能传输装置的设计过程。
第一章：绪论。主要介绍本毕设课题研究的背景及目的意义，阐述当前国内外对这一领域的研究现状，介绍论文研究的主要内容和结构安排。
第二章：小功率无线电能传输装置的工作原理。本章对无线电能传输系统的工作原理及电路模型，电磁理论做了一些介绍。
第三章：无线电能传输装置的系统方案设计。本章主要从整个毕设的任务要求以及各个模块器件或方案选型两方面行文。
第四章：无线电能传输装置的硬件设计。本章包括硬件电路的设计环境介绍、原理图和PCB的设计，主要分作AC/DC变换电路、直流稳压电路、整流滤波电路、高频功率驱动电路以及LC振荡电路等模块的设计。
第五章：无线电能传输装置的软件设计。软件部分主要包括设计环境的介绍、可调频率PWM程序、LCD1602显示当前频率以及按键调节频率程序等子程序的设计。
第六章：无线电能传输装置的系统测试及结果。进行软硬件联合调试，给出测试得到的数据，对影响传输效率和传输距离的可能因素进行了分析。
最后给出结论、参考文献、附录等。
参考文献
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