關(guān)于采用MCU控制的藍(lán)牙無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案分析

目前市場(chǎng)上的電子產(chǎn)品層出不窮，各種電子產(chǎn)品的充電器也多種多樣，這樣既浪費(fèi)資源，又不利于環(huán)保，更重要的是這些充電器不具備通用性，不方便用戶的使用。日常生活中，經(jīng)常會(huì)遇到手機(jī)、電腦等電量不足，急需充電的情況，而且不可能隨時(shí)攜帶充電器，導(dǎo)致手機(jī)充電很麻煩。有了無(wú)線充電技術(shù)就可以在很大程度上減少這種麻煩。因此，設(shè)計(jì)基于MSP430F149的藍(lán)牙無(wú)線充電系統(tǒng)，擺脫以往電線的束縛，解決電子產(chǎn)品充電接口不兼容的問(wèn)題。該設(shè)計(jì)具有攜帶方便、成本低、無(wú)需布線等優(yōu)勢(shì)，適用于各手持移動(dòng)設(shè)備以及小型用電器，不但環(huán)保并且方便了廣大的用戶。

整體方案設(shè)計(jì)

方案的主要任務(wù)是利用MCU MSP430F149 控制藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙手機(jī)與藍(lán)牙模塊的匹配，或者藍(lán)牙模塊之間的匹配。通過(guò)發(fā)射電路的單片機(jī)控制AD9851產(chǎn)生PWM 波，控制IR2110 產(chǎn)生100 kHz的方波作為激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率放大電路放大功率，并且其激勵(lì)信號(hào)頻率與線圈設(shè)定好的固有頻率接近時(shí)便產(chǎn)生諧振，能量便可以由發(fā)送端向接收端傳送，接收到的能量經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)恒壓輸出。當(dāng)匹配成功后，通過(guò)接收電路的單片機(jī)控制TP4056充電管理模塊實(shí)現(xiàn)為鋰電池充電，電能充滿后給出提示且自動(dòng)停止充電。并通過(guò)電壓電流檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)檢測(cè)充電時(shí)的電壓與電流。整個(gè)充電過(guò)程可以通過(guò)按鍵進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙配對(duì)連接、斷開(kāi)和藍(lán)牙關(guān)閉功能，并具有液晶顯示功能。

硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由藍(lán)牙發(fā)射與接收模塊、磁耦合諧振模塊、電壓電流檢測(cè)模塊、顯示與按鍵控制模塊、充電管理模塊、單片機(jī)控制電路和系統(tǒng)供電組成。藍(lán)牙發(fā)射與接收模塊采用BC04MM 藍(lán)牙模塊；磁耦合諧振模塊由AD9851產(chǎn)生PWM 波電路、IR2110驅(qū)動(dòng)電路、線圈發(fā)射及接收電路和整流穩(wěn)壓電路組成；充電管理模塊采用TP4056產(chǎn)生4.2 V/500 mA 的恒定電流/恒定電壓輸出；無(wú)線發(fā)送部分和無(wú)線接收部分的單片機(jī)控制電路主要完成藍(lán)牙模塊的控制、電壓電流的采集和實(shí)現(xiàn)按鍵模塊的控制功能等。藍(lán)牙無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2 藍(lán)牙發(fā)射與接收模塊

BC04MM藍(lán)牙模塊支持UART，USB，SPI等接口，并支持SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，可以方便與PC機(jī)的藍(lán)牙設(shè)備相連，也可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)互通。而且由于體積小、功耗低，可以集成到其他設(shè)備中或隨身攜帶。

2.3 磁耦合諧振模塊

磁耦合諧振技術(shù)是一種以電磁場(chǎng)為媒介，利用兩個(gè)或多個(gè)具有相同諧振頻率、高品質(zhì)因素的電磁諧振系統(tǒng)。該模塊是無(wú)線充電系統(tǒng)的關(guān)鍵，可分為發(fā)射電路和接收電路。其中發(fā)射電路由驅(qū)動(dòng)電路和功率放大電路構(gòu)成。通過(guò)單片機(jī)控制AD9851產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制IR2110 工作，產(chǎn)生100 kHz的方波作為激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)諧振功率放大電路。

諧振功率放大電路由IRF540 開(kāi)關(guān)管和LC 并聯(lián)諧振電路構(gòu)成。其中振蕩線圈選用直徑為3.8 cm，電感值為30 μH的線圈，發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路和功率放大電路

磁耦合諧振模塊中的接收電路由LC 串聯(lián)電路、整流電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)成。LC串聯(lián)電路中的接收線圈型號(hào)與發(fā)射線圈相同，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率和線圈設(shè)定好的固有頻率接近時(shí)便會(huì)發(fā)生諧振，能量便可以由發(fā)送端向接收端傳送。整流電路選用肖特基管SS34構(gòu)成全波整流電路，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成直流信號(hào)。穩(wěn)壓電路由LM2596及其外圍電路構(gòu)成，因經(jīng)過(guò)全波整流后輸出電壓過(guò)高并且?guī)ж?fù)載時(shí)不穩(wěn)定，所以需要通過(guò)LM2596降壓實(shí)現(xiàn)8 V的恒壓輸出，為后級(jí)電路提供穩(wěn)定的電源。

2.4 充電管理模塊

該模塊采用充電管理芯片TP4056，該芯片是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，具有充電提示和自動(dòng)停止充電功能。將該芯片的使能端與單片機(jī)上的P5.3腳連接，通過(guò)單片機(jī)控制該芯片工作，在PROG 腳接一個(gè)1.5 kΩ的電阻接地設(shè)定BAT腳的輸出電流。通過(guò)實(shí)際電路測(cè)試，BAT腳可實(shí)現(xiàn)4.2 V/500 mA輸出。

2.5 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）通過(guò)MCU UART接口發(fā)送數(shù)據(jù)和控制命令控制藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊之間的匹配；通過(guò)發(fā)送部分單片機(jī)控制AD9851產(chǎn)生PWM波；通過(guò)接收部分單片機(jī)的P5.3口控制TP4056使能端；通過(guò)無(wú)線接收部分單片機(jī)的內(nèi)部ADC12模塊采集充電電流和電壓。

（2）控制和顯示電路配置在P1，P2，P5 端口，無(wú)線發(fā)射部分單片機(jī)主要完成讀取按鍵相應(yīng)的操作，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配對(duì)、連接、斷開(kāi)和藍(lán)牙關(guān)閉功能，并通過(guò)LCD1602實(shí)時(shí)顯示。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要包括無(wú)線發(fā)送部分軟件設(shè)計(jì)和無(wú)線接收部分軟件設(shè)計(jì)。

無(wú)線發(fā)送部分軟件設(shè)計(jì)主要完成：系統(tǒng)初始化、檢測(cè)按鍵、控制藍(lán)牙模塊收發(fā)數(shù)據(jù)、控制AD9851工作等，如圖3所示。

無(wú)線接收部分軟件設(shè)計(jì)主要完成：系統(tǒng)初始化，控制藍(lán)牙收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓電流數(shù)據(jù)，控制TP4056工作和LCD1602顯示，如圖4所示。

圖3 無(wú)線發(fā)送部分流程圖

圖4 無(wú)線接收部分流程圖

4 磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)傳輸特性的研究

對(duì)于磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸電路，傳輸功率與效率受以下參數(shù)的影響：驅(qū)動(dòng)源電壓，傳輸距離，以及線圈直徑、匝數(shù)和線徑等參數(shù)。下面對(duì)做好的電路進(jìn)行測(cè)試，研究傳輸效率與這些影響因素的關(guān)系。

4.1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率與傳輸效率的關(guān)系

該研究中線圈距離為6 mm，兩線圈電感值為16 μH，直徑均55 mm，線圈固有頻率為126 kHz。測(cè)試過(guò)程以5 kHz為單位，從80 kHz開(kāi)始增大驅(qū)動(dòng)頻率，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得出傳輸效率，得到如圖5所示的關(guān)系曲線。從關(guān)系曲線中可以看出當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為125 kHz時(shí)，傳輸效率最高，此時(shí)與線圈固有頻率接近。以上數(shù)據(jù)證明了磁耦合諧振式無(wú)線充電電路諧振頻率與固有頻率之間的關(guān)系，即兩者近似相等時(shí)電路能量傳輸能力最強(qiáng)。

圖5 驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率與傳輸效率關(guān)系曲線

4.2 兩線圈距離與傳輸效率的關(guān)系

測(cè)試過(guò)程中改變兩線圈的距離，其他參數(shù)保持不變，測(cè)量出數(shù)據(jù)計(jì)算傳輸效率，得到如圖6所示的關(guān)系曲線。在距離D 近的時(shí)候傳輸效率高，當(dāng)D≤11 mm時(shí)效率大于50%，隨著距離增大，傳輸效率下降，與理論相吻合。

圖6 兩線圈距離與傳輸效率的關(guān)系

4.3 接收端固有頻率不變，電感值變化（發(fā)射端不變）與傳輸效率的關(guān)系

改變接收端的電感值和電容值，但固有頻率保持不變?yōu)?25 kHz，其他參數(shù)也都保持不變，測(cè)量輸出電壓和電流，計(jì)算出傳輸效率，得到如圖7所示的關(guān)系曲線，圖中還有一組數(shù)據(jù)為線圈中心加了鐵氧體之后。

圖7 電感值變化與傳輸效率的關(guān)系

由關(guān)系曲線可以看出，隨著電感值的增大，傳輸效率增加，所以增加電感值也是增大效率的一種方法，但是電感值不可以無(wú)限制的增加，增大到一定的程度輸入功率將不能帶動(dòng)負(fù)載。在線圈中加了鐵氧體后效率增大，但并不明顯，在實(shí)際運(yùn)用中可以根據(jù)實(shí)際要求選擇是否添加磁性物質(zhì)。

4.4 接收端電感值不變，線圈直徑變化與傳輸效率關(guān)系

線圈直徑是影響電感參數(shù)的一個(gè)重要因素，測(cè)試中改變線圈直徑，但保持固有頻率不變進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，從數(shù)據(jù)中可以看出直徑增大，傳輸效率提高，但線圈直徑太大，磁感線會(huì)相互抵消，效率會(huì)下降。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于MSP430F149 單片機(jī)和磁耦合諧振模塊設(shè)計(jì)的藍(lán)牙無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，當(dāng)D=6 mm，傳輸效率達(dá)到57%，可實(shí)現(xiàn)對(duì)1 200 mA●h 的鋰電池充電。并且該設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：

（1）以電磁諧振技術(shù)取代傳統(tǒng)充電線傳輸電能，使充電更加的方便快捷；
（2）利用藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多或是多對(duì)多匹配連接；
（3）具有充電狀態(tài)提示、充電可控和電池充滿后自動(dòng)斷電的功能。