基于手機(jī)無線充電的設(shè)計(jì)

胡鵬志

摘要：該設(shè)計(jì)的原理就是通過電磁波傳遞電能。用555單片機(jī)時(shí)基集成電路產(chǎn)生一個(gè)12kHz峰峰值為5V的方波，通過反相器整形，放大，最終放大成峰峰值為12V的方波。最后，用三個(gè)反相器并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)H橋，在H橋的輸出端輸出一個(gè)峰峰值為21.2v的方波。然后，用H橋驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈，將電能轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去。接收線圈集成在手機(jī)里面，將手機(jī)放到底座上，兩個(gè)線圈通過磁耦合就能傳遞能量。接收線圈輸出的交流信號(hào)通過整流橋整流，電容濾波，最后變成穩(wěn)定的直流電壓，這樣就可以對(duì)手機(jī)進(jìn)行無線充電了。

關(guān)鍵詞：IAP15F2K61S2；H橋；12k方波

1開發(fā)背景

在今天這個(gè)追求高效的時(shí)代，我們使用的電子產(chǎn)品在向精致小巧，時(shí)尚便攜的方向發(fā)展。在日常生活中，便攜設(shè)備（如手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)等）的體積也越來越小，同時(shí)許多問題也隨之而來，比如，電池，不得不隨著設(shè)備體積變小，但是小體積電池的儲(chǔ)能也相應(yīng)減少，只能維持基本的供應(yīng)，免不了頻繁為其充電，在充電中可能會(huì)遇到這樣的問題：手機(jī)需要充電的時(shí)候數(shù)據(jù)線不在身邊，充電手機(jī)型號(hào)不一樣，數(shù)據(jù)線插頭型號(hào)有時(shí)也不同，頻繁的插拔數(shù)據(jù)線造成插頭損壞等等。這樣我們不得不取出電池用“萬能充”充電。而且，沒有備用電池還要承擔(dān)漏接重要電話的風(fēng)險(xiǎn)！像iPhone一樣內(nèi)置電池的手機(jī)就是“萬能充”也只能毫無作為。

無線充電設(shè)備徹底解決了這個(gè)問題，用戶不必顧慮數(shù)據(jù)線不兼容，也不必?fù)?dān)心充電時(shí)漏接電話，更不用重復(fù)這插拔數(shù)據(jù)線的繁瑣而又磨損手機(jī)的動(dòng)作，要做的只需要把手機(jī)放置充電座板上，無論什么型號(hào)的手機(jī)，只要使用該無線充電裝置，就可以為電池充電，方便快捷。同時(shí)，無線充電系統(tǒng)還能設(shè)定充電時(shí)間，這樣就不必?fù)?dān)心電池充電時(shí)間過長(zhǎng)而損壞電池。當(dāng)手機(jī)離開充電基座時(shí)，發(fā)射線圈不發(fā)射電磁波，這樣同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

2功能與使用說明

該設(shè)計(jì)是一個(gè)手機(jī)無線充電模擬裝置。按下電源開關(guān)，在1602液晶上會(huì)有一個(gè)開機(jī)界面。開機(jī)界面結(jié)束后，將接收線圈放到指定的位置，發(fā)射線圈就會(huì)發(fā)射電磁波，自動(dòng)開始按設(shè)定時(shí)間對(duì)電池充電，同時(shí)會(huì)有一個(gè)充電倒計(jì)時(shí)顯示。當(dāng)時(shí)間減到零時(shí)就會(huì)停止。為了便于演示，默認(rèn)定時(shí)時(shí)間是一分三十秒。充電時(shí)間可以通過鍵盤設(shè)置，可以進(jìn)行常規(guī)的小時(shí)分鐘設(shè)定，甚至可以精確到秒。當(dāng)手機(jī)在充電時(shí)液晶顯示器1602上面會(huì)顯示“Charging！”和剩余的充電時(shí)間，當(dāng)沒有手機(jī)時(shí)上面會(huì)顯示“No Cellphone！”，表示充電中止。當(dāng)時(shí)間倒計(jì)時(shí)歸零時(shí)上面會(huì)相應(yīng)顯示“Time Out！”，表示充電結(jié)束。

3設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

4設(shè)計(jì)說明

設(shè)計(jì)原理就是通過電磁波傳遞電能。首先，用555時(shí)基集成電路產(chǎn)生一個(gè)12kHz峰峰值為5V的方波，如圖2所示，通過反相器整形，變換，再用反相器進(jìn)行中間級(jí)放大變換成峰值為8.3V的方波，如圖3所示，再通過反向器進(jìn)行最后的放大，最終放大成峰值為12V的方波。最后，用三個(gè)反相器并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)H橋，如圖4所示，在H橋的輸出端輸出一個(gè)峰峰值為21.2v的方波。然后，用H橋驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈，將電能轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去。這個(gè)是充電底座原型，接收線圈集成在手機(jī)里面，將手機(jī)放到底座上，兩個(gè)線圈通過磁耦合就能傳遞能量。接收線圈輸出的交流信號(hào)通過整流橋整流，電容濾波，最后變成穩(wěn)定的直流電壓，這樣就可以對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電了。

充電底座上有—對(duì)紅外發(fā)射和接收頭，如圖5所示，有充電設(shè)備放在充電底座上時(shí)，就會(huì)有紅外線反射回來，使紅外接收頭導(dǎo)通，再用電壓比較器LM339將模擬電壓轉(zhuǎn)換成“0”和“1”高低電平，通過手機(jī)反射回來的紅外線從而就可以感應(yīng)手機(jī)的有無。

單片機(jī)用于控制555方波的產(chǎn)生、停止、定時(shí)以及檢測(cè)手機(jī)的有無。

當(dāng)初，設(shè)計(jì)當(dāng)中用場(chǎng)效應(yīng)管做H橋，場(chǎng)效應(yīng)管反應(yīng)較三極管稍有遲緩，但是因?yàn)榈念l率并不是很高，做這個(gè)項(xiàng)目完全足夠。但是，實(shí)際試驗(yàn)證明，當(dāng)頻率高于3kHz時(shí)，H橋輸出的波形嚴(yán)重失真，另外，場(chǎng)效應(yīng)管比較脆弱，在焊接和試驗(yàn)的過程中很多場(chǎng)效應(yīng)管都相繼損壞，場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)為IRF530和IRF9530。他們完全可以用被三極管替代。

在發(fā)射和接收線圈的選擇方面，首先，我們選擇的發(fā)射和接收線圈都是100圈，發(fā)射頻率是6K。接收線圈輸出信號(hào)經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓之后，是可以對(duì)手機(jī)充電的。但是，考慮到線圈便于集成到手機(jī)上的問題之后，決定將充電頻率提升到12k，發(fā)射和接收線圈都減少到34圈，這樣將接收線圈就集成到手機(jī)上就比較容易，而且在實(shí)際應(yīng)用中可以采用較細(xì)的銅絲，也不會(huì)影響到手機(jī)等充電設(shè)備的外觀。

在12kHz方波信號(hào)發(fā)生器的選擇方面，并沒有選擇晶振波形產(chǎn)生電路，一個(gè)是因?yàn)榫д耦l率調(diào)節(jié)不方便，分頻比較麻煩，另一個(gè)是因?yàn)榫д衽紶枙?huì)出現(xiàn)不起振的現(xiàn)象，會(huì)造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

在手機(jī)感應(yīng)方面，并沒有選擇超聲波而是用紅外線，一個(gè)是因?yàn)榧t外線發(fā)射和接收頭成本低、效果好，并且寫程序也比較簡(jiǎn)單；而超聲波換能器體積大，電路也比較復(fù)雜；綜合考慮，選擇紅外感應(yīng)。

在人機(jī)界面上，同時(shí)也沒有選擇數(shù)碼管而選擇了1602液晶，因?yàn)?602占用cpu資源少，而且顯示內(nèi)容豐富，人機(jī)界面友好。

在峰值5V的方波放大成峰峰值12V的電路設(shè)計(jì)方面，沒有用運(yùn)放而選用反向器，是因?yàn)榉聪嗥鞲畠r(jià)，而且反相器放大電路更簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是反向器也能勝這個(gè)放大工作。

5設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該設(shè)計(jì)突破以往常生活中的電器（常見的手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)等便攜設(shè)備）帶線充電的傳統(tǒng)模式，使“隔空充電”的想象成為了現(xiàn)實(shí)。相信以后會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。

以手機(jī)為例，可以在手機(jī)充電設(shè)計(jì)中，去掉原有接入電路，加入接收線圈及相應(yīng)的電路即可。對(duì)現(xiàn)有的手機(jī)我們可以進(jìn)行這樣的改造，將要使用特制的電池后蓋（將極細(xì)的絕緣銅絲繞成的線圈附著或是嵌入在電池后蓋的內(nèi)側(cè)，線圈的兩個(gè)引腳分別引出固定在后蓋上，在蓋上后蓋的時(shí)候吻合手機(jī)電池的正負(fù)極或是手機(jī)充電模塊引出的接口，后者可以利用手機(jī)內(nèi)部的模塊的功能，更穩(wěn)定！兩種方案都不影響手機(jī)的美觀，該作品以裸線圈接高亮發(fā)光二極管演示，模擬手機(jī)無線充電。

然后，將底座（下文稱：充電板）接上電源，只要將手機(jī)放在經(jīng)充電板（后期或經(jīng)過外觀改造）的相關(guān)區(qū)域，即可實(shí)現(xiàn)手機(jī)無線充電，預(yù)制可定時(shí)程序，定時(shí)時(shí)間完全按照用戶的意愿設(shè)定并通過1602液晶給予顯示。

針對(duì)耗能問題，在充電區(qū)設(shè)計(jì)了一個(gè)紅外發(fā)射接受裝置，在感應(yīng)區(qū)放置待充電設(shè)備時(shí)，啟動(dòng)充電，移走即停，低碳環(huán)保，智能便捷，人性化。

該設(shè)計(jì)除了本身的創(chuàng)意之外，還有兩個(gè)技術(shù)方面的創(chuàng)新：（1）用反相器進(jìn)行方波的放大，將反相器VCC接8.3V，峰峰值5V的方波就可以就可以放大成峰峰值8.3V的方波，再一次放大，就可以放大成峰峰值12V的方波。（2）H橋，它的供電電壓是10.6V，但H橋橋臂是用峰峰值12V的方波驅(qū)動(dòng)的，三極管b極電壓比H橋供電電源電壓還高1.4V，在四個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)UCE基本上都等于零，三極管基本不會(huì)發(fā)熱，這樣有很多優(yōu)勢(shì)——節(jié)能、高效，還能保護(hù)三極管，避免過熱被損壞。

無論是電路板的焊接，還是線圈的繞制，我們都是全手工制作。包括供電電源，一些相關(guān)的單片機(jī)外圍設(shè)備，振蕩電路，濾波整流等模塊均為自主設(shè)計(jì)，雖然在外觀，性能（主要指空間遠(yuǎn)距離）等方面略有瑕疵，但是該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)基本的無線充電功能還是圓滿實(shí)現(xiàn)。