1、非接觸供電的LED照明系統(tǒng)（ E 題）摘要：本非接觸供電的LED照明系統(tǒng)是基于PWM的可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路，可提供LED需要的電壓和電流。以PIC系列單片機(jī)（PIC16F777A及PIC16F73）為控制核心，信號(hào)采用調(diào)幅方式，LED照明模塊利用變壓器原理實(shí)現(xiàn)與能量發(fā)送模塊無(wú)線(xiàn)通信（反向散射調(diào)制），完成LED照明模塊對(duì)發(fā)射模塊的光強(qiáng)反饋，達(dá)到自動(dòng)省電功能。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用單片機(jī)編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)反饋的可靠反饋，功耗低，效率高。一、系統(tǒng)方案1、硬件方案選擇 方案一、信號(hào)調(diào)制采用調(diào)頻方式進(jìn)行。此方式發(fā)射采用電容三點(diǎn)式振蕩，發(fā)射頻率選擇比較高的頻率，如85MHz等。接收部分使用SONY的CAX16

2、91接收芯片，中頻采用10.7MHz，市場(chǎng)上可以購(gòu)買(mǎi)到現(xiàn)成的元件，這樣就可比較快的實(shí)現(xiàn)功能，但此方案LED照明模塊發(fā)射電路的電流比較大，難以實(shí)現(xiàn)無(wú)源的發(fā)射。所以不選此方案。方案二、信號(hào)調(diào)制采用調(diào)幅方式進(jìn)行。根據(jù)變壓器原理，耦合得到的電壓經(jīng)整流得到直流電壓，這樣才有可能實(shí)現(xiàn)無(wú)源的LED照明模塊。發(fā)射電路在能量發(fā)送模塊上,由外接電源提供，可以產(chǎn)生比較大的發(fā)射功率。LED照明模塊可以通過(guò)反向散射調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，為提高供電效率，能量發(fā)送模塊采用半幅調(diào)制。LED照明模塊通過(guò)發(fā)送來(lái)改寫(xiě)相應(yīng)發(fā)射電路的EEPROM（本系統(tǒng)用FLASH程序存儲(chǔ)器）數(shù)據(jù)。編碼和解碼都是由單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)。所以本系統(tǒng)采用此方

3、案。2、軟件方案選擇方案一、程序采用軟件模擬PWM，使用定時(shí)器0中斷產(chǎn)生脈沖，設(shè)定PWM_T為占空比控制變量控制占空比，用P1口輸出PWM波形作為調(diào)制信號(hào)。外接AD模塊進(jìn)行電壓采集與編程，在LCD1602上顯示功耗。反饋方式也有單片機(jī)發(fā)出脈沖波形由反向散射調(diào)制傳回發(fā)射模塊，由單片機(jī)進(jìn)行解碼，調(diào)整軟件模擬PWM占空比。方案二、采用常規(guī)的數(shù)字調(diào)制。將PIC16F877輸出的PWM波形作為數(shù)字基帶信號(hào)，將此基帶信號(hào)直接對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，即FSK 調(diào)制，由接收端整流輸出有效值不同的電壓。光敏電阻接收到光強(qiáng)信號(hào)后，由PIC16F873A采集其電壓值，發(fā)出編碼信號(hào)輸出。 功率顯示模塊由PIC直接采集，計(jì)算后

4、輸出至LCD1602進(jìn)行顯示。由于PIC有內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換模塊，與PWM輸出口，故選擇方案二。3、整個(gè)系統(tǒng)的描述本系統(tǒng)的總體框圖如圖圖 本系統(tǒng)方案可以分為能量發(fā)送模塊，LED照明模塊兩部分。當(dāng)LED照明模塊進(jìn)入發(fā)射模塊耦合線(xiàn)圈區(qū)時(shí)，LED照明模塊以耦合方式獲得能量。能量發(fā)送模塊長(zhǎng)時(shí)間供電，通過(guò)整個(gè)過(guò)程信號(hào)的傳輸都采用半調(diào)幅方式。LED照明模塊線(xiàn)圈過(guò)來(lái)的電磁通過(guò)能量發(fā)送模塊線(xiàn)圈得到耦合電壓，為L(zhǎng)ED照明模塊供電，發(fā)送信號(hào)時(shí)經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈反向散射調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM波形的傳輸。二、理論分析與計(jì)算1、耦合線(xiàn)圈匹配理論本裝置以電磁波為載體。通過(guò)相互耦合，LED照明模塊的電源從線(xiàn)圈收到的微弱信號(hào)中取得，要求在不影響信

5、號(hào)正常接收的前提下電磁波傳遞能量的效率盡可能高。合的線(xiàn)圈（天線(xiàn)）進(jìn)行通信。下面分析兩個(gè)相互耦合的線(xiàn)圈間的關(guān)系。圖 如圖所示，發(fā)射機(jī)用理想電壓源Us和輸出阻抗Z1等效，L1是發(fā)射天線(xiàn)的電感，L2是接收天線(xiàn)的電感，Z2是L2的負(fù)載。M是L1、L2間互感，根據(jù)電磁學(xué)原理和基爾霍夫電壓定律。有可以得出：當(dāng)時(shí)負(fù)載Z2得到的功率最大。此時(shí)天線(xiàn)匹配最好。 2、 丙類(lèi)諧振功率放大器(90°) 當(dāng)諧振功率放大器作為線(xiàn)性功率放大器，為了使輸出信號(hào)振幅vcm反映輸入信號(hào)振幅vbm的變化，放大器必須在vbm變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。當(dāng)諧振功率放大器用作振幅限幅器時(shí)，放大器必須在vbm變化的范圍內(nèi)工作在過(guò)壓狀

6、態(tài)。固定VBB、增大vbm和固定vbm、增大VBB的情況類(lèi)似，它們都使基極輸入電壓vBEmax隨之增大，對(duì)應(yīng)的集電極脈沖電流ic的幅度和寬度均增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過(guò)壓區(qū)。三、電路與程序設(shè)計(jì)1、 能量發(fā)送模塊電路本設(shè)計(jì)的發(fā)射頻率為6MHz，直接利用PIC16F877A單片機(jī)晶體振蕩器產(chǎn)生，高頻三極管9018用作射極跟隨器，信號(hào)經(jīng)調(diào)制后，由高頻三極管放大，再經(jīng)高頻三極管C1971進(jìn)行功率放大，并從17圈的線(xiàn)圈發(fā)射出去。線(xiàn)圈輸入信號(hào)經(jīng)電容耦合，檢波二極管2AP9檢出LED照明模塊的反向散射調(diào)制信號(hào)，再由LM358放大和整形后供單片機(jī)識(shí)別、解碼。電路詳見(jiàn)附錄。1）、ASK調(diào)制 調(diào)制級(jí)的核心

7、是用作開(kāi)關(guān)的檢波管（如圖）。當(dāng)ASK控制信號(hào)為高電平時(shí)，二極管關(guān)斷，信號(hào)流經(jīng)C20、C21、C6，并在C21中衰減一部分。當(dāng)ASK控制信號(hào)為低電平時(shí)，二極管導(dǎo)通，C21相當(dāng)于被短路，信號(hào)幾乎無(wú)衰減的通過(guò)。從而對(duì)載波進(jìn)行振幅鍵控。調(diào)制輸出端的負(fù)載是下級(jí)放大器的輸入阻抗RL，約為500歐，C20、C6容抗很小。設(shè)載波幅度為UC。調(diào)制輸入為高電平時(shí)，負(fù)載上得到的電壓為：圖3。1。1調(diào)制輸入為低電平時(shí)：其中，故調(diào)制度為：可見(jiàn)，C21選擇合適的值就可以得到合適的調(diào)制度。特別地，當(dāng)C21=0pF時(shí)，調(diào)制度k=100% 2）、高頻功放本電路工作頻率為6MHz，相對(duì)于9018，C3355，D667的干截止頻率

8、，可以不考慮器件的高頻特性。從原理圖不難求出由9018構(gòu)成的射極跟隨器，用作阻抗匹配，使單片機(jī)的震蕩器不因負(fù)載過(guò)重而停振。其輸入阻抗實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)負(fù)載可以被PIC16F877A的震蕩器驅(qū)動(dòng)。由于C1971用作丙類(lèi)放大器，故其輸入電阻不易確定。為于便于分析，可以把R視為以 C3355為核心的放大器的輸出端內(nèi)阻，C1971作為其外部負(fù)載。則放大器的電壓放大倍數(shù)放大器輸出電阻為300。諧振回路比較簡(jiǎn)單，不在此計(jì)算。末級(jí)功率放大器工作于丙類(lèi)狀態(tài)，基極饋電采用自給發(fā)射極偏置電路。在工作時(shí)可以產(chǎn)生發(fā)射結(jié)負(fù)偏壓。根據(jù)丙類(lèi)放大器理論和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)通角選擇60度到70度，由于C3355輸出幅度不可預(yù)知，這一

9、點(diǎn)必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整。3）、LED接收模塊電路具體電路見(jiàn)附錄。該部分電路由檢波器和整形電路兩個(gè)單元構(gòu)成 。本設(shè)計(jì)采用二極管包絡(luò)檢波，D1用于改善檢波效果。本裝置傳送數(shù)據(jù)選用20KHz和100Hz的方波信號(hào)，而載波頻率為6MHz，要求檢波器能濾除6MHz的信號(hào)，檢出20KHz的信號(hào)，因此RC并聯(lián)路應(yīng)滿(mǎn)足：即的在滿(mǎn)足條件的前提下，RC回路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能小。故取圖示參數(shù)。運(yùn)放LM358的單元A用作有源帶通濾波器。該濾波器的傳遞函數(shù)為：本設(shè)計(jì)微控制器的硬件及其接口部分較簡(jiǎn)單，不攢述。2、LED照明模塊電路此電路是通過(guò)線(xiàn)圈過(guò)來(lái)的能量用橋式整流電路整出直流電壓作為整機(jī)的電源。當(dāng)LED照明模塊接近能量發(fā)送

10、模塊時(shí)，開(kāi)始對(duì)LED照明模塊的儲(chǔ)能電容充電，使電壓快速上升。能量發(fā)送模塊不斷發(fā)送高頻載波,保證LED照明模塊可以長(zhǎng)期得到能量維持工作。當(dāng)單片機(jī)PIC16F73檢測(cè)到光敏電阻上電壓升高時(shí)，LED照明模塊開(kāi)始向能量發(fā)射模塊發(fā)編碼，編碼方式已在軟件方案二簡(jiǎn)述過(guò)。當(dāng)有發(fā)碼時(shí),能量發(fā)射模塊就接收LED照明模塊發(fā)出的數(shù)據(jù),減小PWM輸出波形的占空比。應(yīng)答器的解碼電路通過(guò)提取敕流輸出電壓的包絡(luò)進(jìn)行放大，此放大只用一個(gè)三極管。電路見(jiàn)附錄。1）、ASK解調(diào)以9014為核心。R3、D6為9014提供穩(wěn)定的偏壓，并可補(bǔ)償9013結(jié)電勢(shì)的溫漂。R10用作限流。并可減小從R2、C5進(jìn)來(lái)的信號(hào)的損耗。9014導(dǎo)通時(shí)最大集

11、電極電流.設(shè)應(yīng)答器ASK有效信號(hào)的幅度是0.5V（此條件易滿(mǎn)足），那么所以R2取470K。ASK調(diào)制電路與解調(diào)電路相似，不攢述。拔碼開(kāi)關(guān)利用PIC16F73內(nèi)部上拉電阻，為降低功耗，檢測(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)才使能上拉電阻。4、 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試儀器：萬(wàn)用表，TDS1001示波器，QJ-3003S電源，函數(shù)信號(hào)發(fā)射器，射頻信號(hào)發(fā)生器。硬件測(cè)試方法：有源發(fā)射機(jī)與無(wú)源接收機(jī)通過(guò)線(xiàn)圈耦合，線(xiàn)圈距離從0逐漸向上增加到40mm左右，看接收機(jī)中的led是否發(fā)亮，并檢測(cè)接收機(jī)的感應(yīng)的電壓是否能達(dá)到3伏以上。調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)的放大功率，再測(cè)試亮度是否能通過(guò)按鍵控制，如果亮度過(guò)亮，接收機(jī)是否能回傳信息給發(fā)射機(jī)，讓發(fā)射機(jī)能進(jìn)

12、入省電狀態(tài)。軟件測(cè)試方法：給系統(tǒng)上電，用示波器觀測(cè)從PIC16F877的RC2口是否輸出為預(yù)置的占空比方波。是否可用按鍵調(diào)節(jié)PWM波形占空比的變化。測(cè)試結(jié)果：發(fā)射模塊的調(diào)制信號(hào)可以通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)其占空比的增減，增減達(dá)到5級(jí)。但由于發(fā)射功率不夠，即放大倍數(shù)不夠，末級(jí)發(fā)射信號(hào)的峰峰值才3V。耦合到接收機(jī)信號(hào)太弱，無(wú)法產(chǎn)生足夠的電壓點(diǎn)亮LED。附錄一發(fā)射模塊原理圖：接收模塊原理圖：、附錄二：程序流程圖接收模塊初始化光敏電壓采集（ADC）LED平均電流超過(guò)15MA編碼發(fā)送附錄三(發(fā)射端主要源程序）：main()unsigned long result=0x00; int i; uchar temp6;i

13、nit();while(1)for(i = 0;i < 6;i+) tempi = 0x00; result=0x00; for(i=6;i>0;i-) ADinit(); ADGO=1; while(ADGO); result=result+ADRESH; result=(result/6); result=(5-(result/100)*300)+result)-(result/100)*5; result=(result*4.88125); temp0 = (uchar)(result /1000) % 10) + 0x30; temp1 = '.' temp2 = (uchar)(result / 100) % 10) + 0x30; temp3 = (uchar)(result / 10) % 10) + 0x30; temp4 = (uchar)(result % 10) + 0x30; write_data(temp,5);delay(2);keyboard();void OutputPWM(uch