2014年TI杯大学生电子设计竞赛设计报告

1、2014年TI杯大学生电子设计竞赛无线电能传输装置（F题）设计报告摘要本设计以TI公司生产的超低功耗MCU MSP43处理器为核心设计并制作一 个磁耦合谐振式无线电能传输装置。 该装置主要由驱动电路、发射线圈、接收线 圈、电能变换四部分组成。该无线电能传输装置能够在一定距离条件下无线传输 电能。一定条件下的传输效率与发射线圈与接收线圈的距离为评判设计完成指 标。当前主要的无线能量传输方式中，磁耦合谐振式无线供电技术这种新型的供 电方式不但可以使无线供电的距离提升到米级范畴 ，突破了无线能量传输距离这 个瓶颈，同时还会分离开用电设备与供电设备之间的物理连接，这样在提高用电设备的美观，实用性的同时

2、，还可以改善用电设备的安全性。本设计通过运用关键词：无线电能传输、磁耦合谐振、MSP430传输效率、传输距离目录、引言3设计要求3、系统方案论证与选择 4波形选择PWM波产生电路|三、理论分析与参数计算 无线传输系统工作原理 参数计算四、系统总体设计系统总体硬件电路框图 系统总体软件结构设计框图 五、测试六、结论及设计感想七、附录总体电路图程序代码八、参考文献 、引言设计要求设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示驱动电路发射线圈接收线圈电能变换图1电能无线传输装置结构框图（1）保持发射线圈与接收线圈间距离 x =10cm输入直流电压U=15V时， 接收端输出直流电流I

3、2=O.5A，输出直流电压U28 V,尽可能提高该无线电能传 输装置的效率n。（2） 输入直流电压U=15V,输入直流电流不大于1A,接收端负载为2只串 联LED灯（白色、1V）在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接 收线圈间距离xo二、|系统方案论证与选择系统总体框图U波形选择方案一：LC高频振荡电路产生正弦波PWM波产生电路方案一：采用NE555构成频率可调的多谐振荡器驱动555计时IC芯片是一款使用时间十分久远，使用范围十分广泛，设计方 案十分成熟的计时IC芯片。而NE555是555计时IC芯片大家族中的一个型 号。与其它的计时IC 芯片相比，NE555有其独特的优势。比如，

4、NE555不仅可 以作为定时器使用，还可以作为施密特触发器使用，并且还不需另外的元器件。此外，当NE555用来输出PWM波时其外围电路十分简单，其本身的工作也十分 稳定。NE555可稳定输出1MHz以下的方波，并且占空比可调，电路调试容易， 成本较低。NE555的缺点是不带电路保护功能，PWM波输出需另接驱动电路，且 不具备任何扩展功能。方案二：采用单片机产生功率 MOS管开关驱动信号。现在市面上单片机的种类很多，常用的有MSC-51单片机，MSC-96单片机， MSP430系列单片机等等。每种单片机都有各自的特点和应用范围。 例如，MSC-51 单片机是一种具有8位CPU的单片机，它的运算速

5、度相比较与其他单片机来说 要慢一些，但是胜在价格低廉，对于一些对单片机运算速度要求不是很高的应用 场合，MSC-51单片机是具有一定优势的。而MSC-96单片机则可以看作是MSC-51单片机的升级版，它的 CPU从8位升级到了 16位。而MSP430系列 单片机同样具备16位的CPU,但它的主打特性是低功耗，相比于其他系列的单 片机来说，MSP430单片机自身的功耗很低，并且具备灵活的工作模式和低功耗 模式转化机制，这样可以大大的节能省电可以通过控制 MSP430内部定时器输出 占空比可调的PWM波。此方案优点是输出方波稳定可调，能够通过软件设计自 带电路保护功能，可扩展性强；但缺点是需要调试

6、软件，PWM波输出同样需另接 驱动电路，且成本较高。综合比较选择方案二三、理论分析与参数计算无线传输系统工作原理导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为传输媒质的时变磁场； 载流线圈28之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象称为磁耦合。 该技术通过磁场的近场29耦合，使接收线圈和发射线圈产生共振，来实现能量的无线传输。与该谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气

7、为媒质的时变磁场。两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡 的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。参数计算f 2 1 lc28RL N R 0ln( ) 1.75aN线圈匝数；0 4 10 （ H/m）真空磁导率;R线圈半径（m）;a 线圈导线半径（m）;四、系统总体设计系统总体硬件电路框图该装置由电源驱动电路、发射线圈、增强器35、接收线圈和负载构成，本装置的开关电路36-38主要是为了产生高频电压方波信号驱动发射电路谐振，电路图如图|-6所示，该电路由驱动芯片IR2110和开关管RF840连接而成系统总体软件结构设计框图五、测试带负载时电压与传输距离的关系次数123456传输距离（mm电压（v）保持LED灯亮时发射线圈与接收线圈的距离次数距离（mrjh六、结论及设计感想无线电能传输系统经测试效率较高达到，其在条件二的要求下传输距 离达到。完成题目各项要求。无线电能传输技术在将来具有极广阔的应用空间。但是它仍然有许多路要 走，还有许多问题亟待解决。不如说传输效率