采用MCU控制的蓝牙无线充电系统设计

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目前市场上的电子产品层出不穷,各种电子产品的充电器也多种多样,这样既浪费资源,又不利于环保,更重要的是这些充电器不具备通用性,不方便用户的使用。日常生活中,经常会遇到手机、电脑等电量不足,急需充电的情况,而且不可能随时携带充电器,导致手机充电很麻烦。有了无线充电技术就可以在很大程度上减少这种麻烦。因此,设计基于MSP430F149蓝牙无线充电系统,摆脱以往电线的束缚,解决电子产品充电接口不兼容的问题。该设计具有携带方便、成本低、无需布线等优势,适用于各手持移动设备以及小型用电器,不但环保并且方便了广大的用户。

1 整体方案设计

方案的主要任务是利用MCU MSP430F149 控制蓝牙模块,实现蓝牙手机与蓝牙模块的匹配,或者蓝牙模块之间的匹配。通过发射电路的单片机控 制AD9851产生PWM 波,控制IR2110 产生100 kHz的方波作为激励信号,驱动功率放大电路放大功率,并且其激励信号频率与线圈设定好的固有频率接近时便产生谐振,能量便可以由发送端向接收端传送,接 收到的能量经过整流稳压电路实现恒压输出。当匹配成功后,通过接收电路的单片机控制TP4056充电管理模块实现为锂电池充电,电能充满后给出提示且自动 停止充电。并通过电压电流检测模块,实时检测充电时的电压与电流。整个充电过程可以通过按键进行控制,实现蓝牙配对连接、断开和蓝牙关闭功能,并具有液晶 显示功能。

2 硬件电路设计

2.1 硬件总体设计

整 个系统主要由蓝牙发射与接收模块、磁耦合谐振模块、电压电流检测模块、显示与按键控制模块、充电管理模块、单片机控制电路和系统供电组成。蓝牙发射与接收 模块采用BC04MM 蓝牙模块;磁耦合谐振模块由AD9851产生PWM 波电路、IR2110驱动电路、线圈发射及接收电路和整流稳压电路组成;充电管理模块采用TP4056产生4.2 V/500 mA 的恒定电流/恒定电压输出;无线发送部分和无线接收部分的单片机控制电路主要完成蓝牙模块的控制、电压电流的采集和实现按键模块的控制功能等。蓝牙无线充 电系统设计框图如图1所示。

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图1 蓝牙无线充电系统设计框图

2.2 蓝牙发射与接收模块

BC04MM蓝牙模块支持UART,USB,SPI等接口,并支持SPP蓝牙串口协议,可以方便与PC机的蓝牙设备相连,也可以实现两个模块之间的数据互通。而且由于体积小、功耗低,可以集成到其他设备中或随身携带。

2.3 磁耦合谐振模块

磁耦合谐振技术是一种以电磁场为媒介,利用两个或多个具有相同谐振频率、高品质因素的电磁谐振系统。该模块是无线充电系统的关键,可分为发射电路和接收电路。其中发射电路由驱动电路和功率放大电路构成。通过单片机控制AD9851产生PWM信号,控制IR2110 工作,产生100 kHz的方波作为激励信号,驱动谐振功率放大电路。

谐振功率放大电路由IRF540 开关管和LC 并联谐振电路构成。其中振荡线圈选用直径为3.8 cm,电感值为30 μH的线圈,发射电路如图2所示。

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图2 驱动电路和功率放大电路

磁 耦合谐振模块中的接收电路由LC 串联电路、整流电路和稳压电路构成。LC串联电路中的接收线圈型号与发射线圈相同,当激励信号频率和线圈设定好的固有频率接近时便会发生谐振,能量便可以 由发送端向接收端传送。整流电路选用肖特基管SS34构成全波整流电路,将交流信号转化成直流信号。稳压电路由LM2596及其外围电路构成,因经过全波 整流后输出电压过高并且带负载时不稳定,所以需要通过LM2596降压实现8 V的恒压输出,为后级电路提供稳定的电源。

2.4 充电管理模块

该 模块采用充电管理芯片TP4056,该芯片是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器,具有充电提示和自动停止充电功能。将该芯片的使 能端与单片机上的P5.3脚连接,通过单片机控制该芯片工作,在PROG 脚接一个1.5 kΩ的电阻接地设定BAT脚的输出电流。通过实际电路测试,BAT脚可实现4.2 V/500 mA输出。

2.5 单片机控制电路

单片机控制电路主要实现如下功能:

(1)通过MCU UART接口发送数据和控制命令控制蓝牙模块,实现蓝牙模块之间的匹配;通过发送部分单片机控制AD9851产生PWM波;通过接收部分单片机的P5.3口控制TP4056使能端;通过无线接收部分单片机的内部ADC12模块采集充电电流和电压。

(2)控制和显示电路配置在P1,P2,P5 端口,无线发射部分单片机主要完成读取按键相应的操作,控制系统实现配对、连接、断开和蓝牙关闭功能,并通过LCD1602实时显示。

3 软件设计

系统的软件部分主要包括无线发送部分软件设计和无线接收部分软件设计。

无线发送部分软件设计主要完成:系统初始化、检测按键、控制蓝牙模块收发数据、控制AD9851工作等,如图3所示。

无线接收部分软件设计主要完成:系统初始化,控制蓝牙收发数据,实时检测电压电流数据,控制TP4056工作和LCD1602显示,如图4所示。

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图3 无线发送部分流程图

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图4 无线接收部分流程图

4 磁耦合谐振式无线充电系统传输特性的研究

对于磁耦合谐振式无线能量传输电路,传输功率与效率受以下参数的影响:驱动源电压,传输距离,以及线圈直径、匝数和线径等参数。下面对做好的电路进行测试,研究传输效率与这些影响因素的关系。

4.1 驱动信号频率与传输效率的关系

该 研究中线圈距离为6 mm,两线圈电感值为16 μH,直径均55 mm,线圈固有频率为126 kHz。测试过程以5 kHz为单位,从80 kHz开始增大驱动频率,通过测量数据计算得出传输效率,得到如图5所示的关系曲线。从关系曲线中可以看出当驱动信号频率为125 kHz时,传输效率最高,此时与线圈固有频率接近。以上数据证明了磁耦合谐振式无线充电电路谐振频率与固有频率之间的关系,即两者近似相等时电路能量传输 能力最强。

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图5 驱动信号频率与传输效率关系曲线

4.2 两线圈距离与传输效率的关系

测试过程中改变两线圈的距离,其他参数保持不变,测量出数据计算传输效率,得到如图6所示的关系曲线。在距离D 近的时候传输效率高,当D≤11 mm时效率大于50%,随着距离增大,传输效率下降,与理论相吻合。

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图6 两线圈距离与传输效率的关系

4.3 接收端固有频率不变,电感值变化(发射端不变)与传输效率的关系

改变接收端的电感值和电容值,但固有频率保持不变为125 kHz,其他参数也都保持不变,测量输出电压和电流,计算出传输效率,得到如图7所示的关系曲线,图中还有一组数据为线圈中心加了铁氧体之后。

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图7 电感值变化与传输效率的关系

由关系曲线可以看出,随着电感值的增大,传输效率增加,所以增加电感值也是增大效率的一种方法,但是电感值不可以无限制的增加,增大到一定的程度输入功率将不能带动负载。在线圈中加了铁氧体后效率增大,但并不明显,在实际运用中可以根据实际要求选择是否添加磁性物质。

4.4 接收端电感值不变,线圈直径变化与传输效率关系

线圈直径是影响电感参数的一个重要因素,测试中改变线圈直径,但保持固有频率不变进行测试,测试结果如表1所示,从数据中可以看出直径增大,传输效率提高,但线圈直径太大,磁感线会相互抵消,效率会下降。

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5 结语

对于MSP430F149 单片机和磁耦合谐振模块设计的蓝牙无线充电系统进行功能验证,当D=6 mm,传输效率达到57%,可实现对1 200 mA●h 的锂电池充电。并且该设计具有如下特点:

(1)以电磁谐振技术取代传统充电线传输电能,使充电更加的方便快捷;

(2)利用蓝牙技术,实现一对多或是多对多匹配连接;

(3)具有充电状态提示、充电可控和电池充满后自动断电的功能。

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