非接触式LED照明系统设计报告

E题：非接触供电的LED照明系统

非接触供电的LED照明系统

胡建欣 庄俊贤 郑小伟

摘要 ……………………………………………………………………2
第一部分：系统方案选择与论证…………………………………….2
第二部分：理论分析与计算 …………………………………………3
第三部分：电路与程序设计 …………………………………………4
一:电路设计与分析………………………………………………4
二:程序设计与分析………………………………………………6
第四部分：测试方案与测试结果 ……………………………………6
第五部分：关于发挥部分…………………………………………….7
结论 ……………………………………………………………………7
参考文献……………………………………………………………….8
附录一 整体电路………………………………………………………8
附录二部分源程序…………………………………………………….9
附录三 元器件清单 ……………………………………………………10

摘要：
本系统为非接触供电的LED照明系统，该系统包括能量发送模块和LED照明模块。LED照明模块包括一个带能量接收单元和五个LED灯（每个LED的平均电流为10mA），LED照明模块没有外加任何电源，它的供电只能来自能量发送模块，两个模块之间没有任何导线连接，电能的传输通过感应线圈，（两感应线圈内径一样，感应线圈直径6.6 cm左右），由能量发送模块以无线方式传输给LED照明模块，线圈间的介质为空气。其中，能量发送单元采用12V的直流电供电。通过对LED灯光强的检测并将数据反馈给能量发送模块，可控制发射模块的功率。LED灯也有多级光照强度控制。

关键词：非接触 无线供电 LED照明

一、 方案论证与比较
1，整体方案选择：
该方案的非接触供电的LED照明系统由振荡电路，缓冲级，功率放大电路，单片机控制电路（包括51最小系统、LCD显示、数字电位器和继电器），能量传输电路，，LED照明部分，光强检测与反馈部分组成。整体电路如图：



2，振荡电路方案的选择
方案一：采用LC谐振回路产生所需的频率。优点是可以产生任意所需载波，缺点是频率稳定度比较低。
方案二：采用有源晶振。有源晶振只要加上电源就可以产生频率稳定的载波。优点是电路简单，频率稳定。缺点就是不能产生任意频率的载波。
方案论证：
本题目对频率没有具体要求，而且无需产生多个频率，所以采用方案一。
3,功率放大电路方案的选择
方案一，采用集成芯片。现有许多高频大功率的集成放大器(如AD815)可以用来设计高频功放。集成功放具有稳定度高，需要调整的参数少的特点，缺点是效率较低（集成功放一般采用线性放大），不满足系统对功耗及传输距离的要求。
方案二，采用分立元件的功率放大器。采用分立元件的高频电路受分布参数影响大，而且不易调整，但其电路结构比较灵活，对应于不同要求的信号，可以设计不同结构的放大器以获得最大的效率，而且输出功率可以设计的较大，价格也相对低廉。采用功放管2SC1971，前级的缓冲级，一是控制能量发射模块的增益，二是给2SC1971提供足够的驱动功率。
方案论证：
本题目要求不能采用专用芯片和模块。能量发射模块功率上限为5W，需要较大功率的功放管，2SC1971可满足该级功率放大的要求，故选用方案二。

4，光强信息发射电路和接受电路方案的选择
方案一，发射部分采用ASK，主要通过一个模拟开关来实现，由芯片的数据输出口控制模拟开关通断，实现对载频的调制。接收部分采用包络检波法，优点是电路结构简单，方便调试。缺点是灵敏度及线性度不够高。
方案二，发射部分采用FSK调制，用调频发射机发射信号方波，接收部分采用单失谐回路斜率鉴频器。电路较为复杂，但是解调效率高。
方案三，发射部分直接用有源晶振产生振荡信号发射出去，接收部分通过包络检波送到单片机处理。
方案论证，鉴于题目中要求LED照明部分的能量接收和信号发射共用一个线圈，为了防止干扰，且减少电路复杂程度率，采用方案三。

二、理论分析与计算
1，振荡电路采用8M晶振，其工作电压一般为5V，所用单片机也是工作在5V。所以12V电源加进来后经过7805稳压管提供稳定的5V电源。
2，功率放大级。前级采用甲类谐振放大电路作为缓冲级，控制发射极电阻RE可控制整个发射模块的总增益，实现控制LED的亮度。2SC1971需要0.6W的驱动功率，缓冲级的功率不能太小。
3，功率计算：整个能量发射模块的功率P=U*I,U为电路的电源电压VCC，即12V，I 为电路的总电流。本系统中，在电源端口旁串接一个功率较大的小电阻，通过测试其上的压降，可计算得总电流，送到单片机计算并显示总功率。
三、电路与程序设计
1，振荡电路：



2，功率放大级。前级采用甲类谐振放大电路作为缓冲级，控制发射极电阻RE可控制整个发射模块的总增益，实现控制LED的亮度。



３，单片机控制电路：（包括51最小系统、LCD显示、数字电位器和继电器电路）









４，反馈数据发射接收电路：
发射电路如图，当光敏电阻接收的光强超过设定的阈值后，晶振发射的振荡信号的幅度足够大使能量发射模块接收到。



接收电路如图，当单片机检测到高电平时，提示LED平均电流超过15mA,并控制数字电位器降低缓冲级增益，使能量发射模块进入省电状态并且发射功率小于1W.

5，无线能量接收和LED电路：



6，程序流程设计：
　　

四，测试方案与测试结果
１，调试方法和过程：采用模拟电路由前端到后段，数字电路先仿真再试测，先逐个模块测试再连调的办法。模拟电路调试先调试缓冲级，查看其是否能实现增益的变化以及是否有足够的驱动功率驱动2SC1971，后调试整个能量发射端的总功率。数字电路的设计后和焊接前在ｐｒｏｔｕｓｅ了多次的仿真，其结果合适。
2，测试使用仪器：直流电源，函数信号发生器，示波器，万用表。
3，能量发射模块功率测试：
在总电流测试口测定能量发射模块总电流为（单位为mA）

第一次	第二次	第三次	第四次	第五次	平均总电流

４，LED平均电流测试（单位为mA）

两线圈距离
10mm
30mm

５、遇到的问题及解决
五，关于发挥部分
当发射模块功率大于5W时，蜂鸣器报警提示，电路图如下



六，结论
本设计很好的满足了题目要求，对发射模块的功率能够实现实时显示，发射距离可达30ｍｍ，同时驱动５盏高亮度ＬＥＤ。能量发射模块能够控制ＬＥＤ的亮度。其实本设计还有很大的提升空间，光强数据反馈给能量发送模块这一要求我们方案已有，只需时间多加调试就可以实现。通过本次设计，我们的动手能力以及处理问题的能力都有了更大的提高，并加深了对无线能量传输和调制解调的理解和应用，我们的收获很大！

参考书目
《电子线路 线性部分 （第四版）》 谢嘉奎 主编
《电子线路 非线性部分（第四版）》 谢嘉奎 主编
《全国大学生电子设计竞赛系统设计》 黄智伟 主编

附录一，整体电路
数字部分



模拟部分





附录二，实时功率显示程序