【无线充电的智能台灯设计6500字（论文）】

无线充电的智能台灯设计摘要随着社会经济的发展，以及现在全球所面临的严峻环境问题，新的无污染的无线电磁装置的开发应用引起广泛的关注，无线就是其中的一种。论文主要描述了一个简易的可电磁控时控的无线LED台灯的设计与制作。硬件部分主要包括无线充电模块、电源升压稳压模块、单片机系统模块、显示模块等，详细分析了各个部分的工作原理。软件部分主要是由单片机STC89C52和时钟芯片DS1302来实现一些硬件电路的控制及显示功能。关键词：单片机；无线；充电台灯；设计目录16728摘要 I112Abstract II236581.引言 1139242.系统设计 1291032.1系统设计任务 1274802.2系统设计的基本要求 197802.3系统设计的方案论证 1160702.3.1无线电磁装置板的选择 160282.3.2升压电路的选择 2276392.3.3电磁控电路的选择 2163693.硬件设计及工作原理 4184373.1总体方案及工作原理 4319243.2STC89C52单片机 4115413.3无线电磁装置充电模块 6207613.4升压电路模块 892863.4.1电路工作原理 843573.5单片机时控显示部分 9276823.5.1电路原理 9148923.5.2DS1302芯片资料 10101374.硬件调试 11142424.1调试仪器 1186514.2硬件制作与调试 11273834.2.1电路的制作 11136124.2.2电路问题分析 12284964.2.3电路调试过程 1263474.3功能实现分析 1428180总结 1411455参考文献 161.引言随着社会经济的发展，人们对生活水平的要求也越来越高，在发展经济的同时在很多方面是以一定的环境为代价的，现在经济是快速增长着，2010年上海世博会主题是“城市，让生活更美好”，并在此主题下体现“科技世博”、“生态世博”的理念，特别是无线利用方面。本次毕业设计我选择了一个简易无线台灯的制作。本文就对如何设计制作整个系统进行了详细的阐述。在本设计中，利用无线电磁装置板，通过电磁转换把无线转化为电能对可充电电池进行充电。电池在本设计中起到提供电源的作用，为了使设计理念“方便、简约”能够实现，所以利用无线充电使得在电池使用寿命器件能够长期稳定的供电。2.系统设计2.1系统设计任务设计一个可电磁控时控的无线灯。通过无线电磁装置对可充电池电池进行充电，再通过电池供电升压对整个电路供电。LED灯的亮灭有两种方式。方式一：利用电磁敏电阻搭建电磁控电路对LED灯的亮灭进行控制；方式二：通过单片机和时钟芯片根据实时对LED的亮灭进行控制。2.2系统设计的基本要求（1）电池板功率的计算和选用；（2）可充电池的数量选择、充放电控制；（3）电磁线暗时灯自动点亮，为节省电能可通过单片机调节控制灯的亮灭时间。（4）系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。2.3系统设计的方案论证2.3.1无线电磁装置板的选择方案一:用6V/200mah无线电磁装置板接一个1N4007直接对可充电电池充电。方案二：用两块6V/200mah无线电磁装置板串联接一个1N4007，再经一个LM7806稳压电路进行稳压，然后通过电池充电保护电路对电池进行充电。通过比较可得方案一虽然电路简单，但是不能确保充电电压的稳定，这样会影响电池的使用寿命，而方案二电路通过稳压电路后可保证提供稳定的充电电压，再经保护电路对电池进行充电，这样可以延长电池的使用寿面，所以选择方案二。2.3.2升压电路的选择方案一：如图2-1所示。电路由三极管VT、升压变压器T，二极管VD、电容C与电源GB五个元器件组成。三极管VT和升压变压器T构成变压器反馈式振荡器，当电源输出端有负载电流通过时，三极管VT就有基极电流通过，电路就震荡工作；反之，没有基极电流，电池也不消耗电流，所以电路不设电源开关。图2-1耦合升压电路图方案二：采用bau72升压芯片，和一个电感，两个电容，一个1N5817二极管搭建外接电路，做一个升压电路，该升压电路最低输入电压为0.9V，输出电压可达5.5V，效率为80%。输出电压稳定，效率高，电路简单等优点。综合设计需要，选择方案二比较适合。2.3.3电磁控电路的选择方案一：220V交流电经电容限流、桥式整流、滤波、稳压，在A、B两端获得稳定的12V直流电。在白天由于电磁敏电阻RG受到自然电磁的感应呈现低阻值，三极管VT的基极电位低，反而被偏置，因此VT截止，单向可控硅VS门极为低电平被关断，LED不亮。到天黑后电磁敏电阻RG因电磁照呈现高阻值，VT导通，VS的门极即有正向触发电压而导通，LED通电发电磁。电路图如图2-2所示。图2-2变压电磁控电路图方案二：由两节电池供电，两个三极管、两个电阻和一个电磁敏电阻组成。当自然电磁感应时，电磁敏电阻呈低阻值状态，三极管Q1的基极电位低，处于偏置状态，因此截止，所以Q2也不导通，LED灯不亮。到天黑后电磁敏电阻呈高阻值，三极管Q1基极电位高，Q1导通，集电极上的电阻得到分压，三极管Q2的基极电压高了可导通，LED灯亮。电路如图2-3所示。图2-3简单电磁控电路以上两个方案对比后，方案二相对于方案一更适合本设计题目，不仅电路较简单，所需电压也比较低，可用电池供电，满足无线充电的模块的要求，因此选用方案二。3.硬件设计及工作原理3.1总体方案及工作原理可电磁控时控的无线LED灯的总体模块可分为：无线电磁装置组充电模块、电池升压模块、电磁控驱动电路模块和单片机时控显示模块。白天通过无线电磁装置板经过LM7806稳压电路输出稳定电压，对低电压的可充电电池组进行，晚上的时候，对电池组所提供的电压进行升压，分别给驱动电路和单片机供电。整个电路的工作原理方框图如图3-1所示。单片机时控电路显示部分电磁控驱动LED灯电路电池供电升压模块无线电磁装置组充电模块 单片机时控电路显示部分电磁控驱动LED灯电路电池供电升压模块无线电磁装置组充电模块图3-1工作原理方框图3.2STC89C52单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。STC89C52单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。主要特性：·与MCS-51兼容·8K字节可编程闪烁存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·6个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路STC89C52单片机功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构)，全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。STC89C52单片机引脚功能图如图3-2所示：图3-2STC89C52单片机引脚功能图3.3无线电磁装置充电模块TP4056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。其底部带有散热片的SOP8/MSOP8封装与较少的外部元件数目使得TP4056成为便携式应用的理想选择。TP4056可以适合USB电源和适配器电源工作。由于采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，TP4056将自动终止充电循环。当输入电压（交流适配器或USB电源）被拿掉时，TP4056自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至2uA以下。TP4056在有电源时也可置于停机模式，以而将供电电流降至55uA。本模块外围电路简单，保护性能好，充电精度高。TP4056芯片有可接受高达1000mA的可编程充电电流，无需MOSFET、检测电阻器或隔离二极管，用于单节锂离子电池、采用SOP封装的完整，恒定电流/恒定电压操作，并具有可在无过热，而危险的情况下实现充电速率最大化的热调节的特点。TP4056芯片功能，精度达到±1%的4.2V预设充电电压，用于电池电量检测的充电电流监控器输出，自动再充电，充电状态双输出、无电池和故障状态显示，C/10充电终止，待机模式下的供电电流为55uA，2.9V涓流充电器件版本，软启动限制了浪涌电流，电池温度监测功能本模块可以给单个锂电池或者多个锂电池并联充电。电池电量没有满的话会自动充电，充电时，会有一个红灯亮。当电池充满电后，黄灯就会亮。充电线不能过细过长，这样的话，连接电阻大，导致锂电池充满点后电池电压掉的就多。如果输入电压超过5V，会造成充电电流不超过1000mA，这是正常的，因为电压越高，芯片发热会越大，芯片会自动减小充电电流，不至于烧坏芯片，芯片在工作中60℃左右的发热是正常的，毕竟充电电流很大。模块输出端（即锂电池接口端）不可以反接，否则，模块会瞬间烧坏。两块6V的无线电磁装置板串联在自然电磁的感应下提供稳定的电压，经过稳压滤波电路后对可充电电池组充电，原理图如图3-3所示。图3-3无线充电电路3.4升压电路模块3.4.1电路工作原理由升压芯片bau72和电感、电容、整流二极管构建一个升压电路模块。bau72芯片的1脚接地，3脚为输入端接电感和整流二极管，2脚位输出端口，电路原理图如图3-4所示。图3-4升压电路3.4.2bau72芯片的资料bau72系列是一种由基准电压源、振荡电路、比较器、控制电路等构成的cmos升压dc/dc控制器。结合了微型封装和低静态电流等的特点，通过使用电感、电容器和二极管等外接部件而构成的升压dc/dc控制器。内置的mosfet使用保护电路，在开关管电流超过控制值时会自动断路，以防止损坏。并且可通过外扩MOS，使输出电流达到更大值。通过外加MOS管及外部反馈电阻可以在5-12V之间任意的调节输出电压,并且外加MOS管可以输出高达1000mA以上电流。特点:低电压工作：可保证以0.9v(iout=1ma)启动；占空系数：内置(66%/78%)自动切换控制电路；外接部件：电感、电容器、肖特基、电阻；输出电压：输出可调；输出电压精度：±2%；较高的工作效率：85%（typ）；带载能力强；封装形式：SOT89-5、SOT23-5应用范围：无线充电器苹果充电器外置电源移动电源外置电池电池包等产品。bau72引脚图如图3-4所示。图3-5bau72引脚图3.5单片机时控显示部分3.5.1电路原理现在市场上的单片机种类繁多，考虑到成本和实现所设计的功能，以及操作等原因综合考虑我们本次选取了STC89C52作为这次设计系统的主要控制部分。这块芯片的价格也相对便宜，而且用它实现设计要求相对容易，而且芯片自带的内存也足够我们使用不用外扩，可以大大简单我们的设计电路。而且用它做的最小系统扩展性能极好，需要增加额外功能只需略改硬件系统就可以实现。显示部分主要采用DS1302时钟芯片和LCD1602作为显示。电路原理图如图3-6所示。图3-6电路原理图3.5.2DS1302芯片资料DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。下图为DS1302的引脚功能图图3-7：图3-7DS1302引脚功能图4.硬件调试4.1调试仪器万能表(DT9205N)；直流5V电源；电脑；4.2硬件制作与调试4.2.1电路的制作为了方便调试电路，更好、更快的检查电路和找出问题所在，所以在电路的制作过程中，分模块制作调试是比较好的一种选择。（1）电磁控电路的制作。在决定做这块电路的时候，先找出一些相关的电路图资料，分析总结，最后选定方案。在画图之前，先了解一下各个元器件的封装，如果没有选好正确的封装会增加工作量，还可能会导致材料的浪费。在画图和布板的过程中，还需要合理放置器件，以便于检查电路。（2）升压电路的制作。在做升压这块的时候，关于选择芯片、电路是很重要的，在所找到的资料中有很多，有电路复杂的，也有简单的。芯片也有比较多种类，选定芯片后，还要查找芯片详细资料以及构建电路。（3）单片机最小系统的制作。因为以前课程设计，还有单片机实验都有接触过，所以不管是在原理图，还是在布板、元器件的封装这些方面，都是比较熟悉的，因此在制作过程中也不会遇到比较大问题。（4）时钟显示电路的制作。虽然在单片机课程设计时没有选到这个题目，但也有一些了解，在找资料的时候也比较顺利。4.2.2电路问题分析（1）调试硬件电路时。用万用表测试所有芯片的电源和地是否确实接电源和接地了，测试各个芯片是否处于正常的工作电压，并测试电路是否有短路、断路、虚焊，有无接错线，同时要特别注意过孔是否连接正确。（2）硬件电路通电时，注意用手背触摸下芯片是否发烫，防止芯片被烧坏掉。（3）调试硬件电路，烧写程序看各项功能是否正常实现，分析未实现未实现原因。（4）在调试电磁控电路时，要注意电磁敏电阻所处环境电磁线的变化。（5）在调试硬件电路时，注意各部分电路之间的时序配合关系。（6）在调式过程中，应分功能模块调试好了以后再整合成整体调试。（7）在调试整机电路时，在排除故障中，检测不出故障，可就对各个芯片进行独立检测。4.2.3电路调试过程在整个调试过程中有比较顺利的也有比较不那么顺心的。首先在调试电磁控电路时就出现了问题，电磁敏电阻在感电磁时出现不正常的现象，反复的检查电路，这个很简单的电路在器件的连接上并没有出现什么问题，最后在多方面的检测，思量下，发现可能是多加了电阻，拆掉之后，重新连接电路，这样电磁敏电阻在电磁线变化的情况下就正常了。其次是升压电路，升压电路原本也是一个很简单的电路，当制作好后，调试时，发现输出电压与输入电压一样，检查了一下，发现升压芯片的引脚接反了。芯片的封装是贴片的，在拆焊过程中很容易把芯片弄坏，在没有备用芯片的情况下，不能再调试电路了，bau72芯片还只能网购，去外面的器件店里买不到，在等了三天后，拿到新的器件，重新焊接测试一下，终于有升压了，说明之前的问题是芯片反接了，在焊接器件时要注意引脚的连接，特别是芯片引脚，错了就很容易烧毁损毁芯片。再次是单片机还有显示的制作调试，因为之前有做过相关的，所以在整个制作调试的过程是最顺利的一组。最后是整个电路整合调试，经过各个部分的单独调试，确认可行后，再把每一部分的原理图整合，画好PCB板，如图4-1所示。图4-1PCB板4.3功能实现分析电池供电通过升压模块把电压升高，当电磁敏电阻受到自然电磁的感应时LED灯不亮，当其不受到自然电磁照时，LED灯串亮起，效果如图4-2所示。总结经过多年的发展，无线技术发展越来越完善，应用领域也越来越广泛，基于无线供电的无线电磁装置的应用在各行各业逐渐的兴起。无线电磁装置在家庭灯具方面也有巨大的作用，将灯放在窗户边吸收到无线之后储存于电池中，晚上无线灯具就会起到与普通灯具一样的效果。并且只需要将灯放在电磁感应装置旁边而已，安全系数得到了很大的提高。因此，将无线用于无线充电领域的发展前景广阔，无线充电的安全系数远远高于普通充电器，近年来手机充电爆炸的案例不在少数，但是无线充电就可以完全规避这一情况。因此，无线充电的应用领域会越来越多，基于单片机和无线结合的设计应用让未来生活会越来越方便。本文基于51单片机STC89C52和时钟芯片DS1302设计了一款通过无线充电可以电磁控和时控的智能台灯，通过硬件设计和实验将设计思路付诸实现。此款台灯节能环保，而且智能控制，非常方便生活应用。参考文献[1]段佳钢,李玉琴,马立聪.电动汽车无线充电技术可行性研究[J].时代汽车,2022(01):113-114.[2]余金永,段佳钢.电动汽车无线充电技术的研究与应用[J].时代汽车,2022(01):125-126.[3]程志远,方聪,李峥,吴龙飞,赵雨顺.变论域自适应模糊控制在机器人无线充电中的研究[J].电气传动,2022,52(01):54-59+75.[4]周玮,蓝嘉豪,麦瑞坤,何正友.无线充电电动汽车V2G模式下光储直流微电网能量管理策略[J].电工