[发明专利]基于单片机的小型无人机无线充电系统

权利要求书

1.一种基于单片机的小型无人机无线充电系统，其结构有电源管理电路(1)、光耦隔离电路(8)、第一D/A转换电路(9)、第二D/A转换电路(10)、单片机(11)和输出矩阵(12)；所述的电源管理电路(1)的输出端给所有模块提供直流电源，其输入端与市电相连；单片机(11)的输出端分别与光耦隔离电路(8)的输入端、第一D/A转换电路(9)的输入端以及第二D/A转换电路(10)的输入端相连，光耦隔离电路(8)将单片机(11)产生的PWM信号进行光耦隔离后为输出矩阵(12)中的各输出通道提供时序控制信号，第一D/A转换电路(9)、第二D/A转换电路(10)分别为输出矩阵(12)中的各输出通道提供两路基准电压；其特征在于，所述的输出矩阵(12)中包含n个输出通道，n为2～8的整数，每个输出通道具有相同的电路结构，每个输出通道包括电压调节电路(2)、能量发射电路(3)、电流检测放大电路(4)、信号整形电路(5)、输出自动控制电路(6)、电桥驱动电路(7)；其中，电压调节电路(2)的输出端与能量发射电路(3)的输入端以及输出自动控制电路(6)的输入端相连，能量发射电路(3)的输出端与电流检测放大电路(4)的输入端相连，电流检测放大电路(4)的输出端与信号整形电路(5)的输入端相连，信号整形电路(5)的输出端与电压调节电路(2)的一个输入端相连，电压调节电路(2)的另一个输入端与第一D/A转换电路(9)的输出端相连，输出自动控制电路(6)的一个输入端与第二D/A转换电路(10)的输出端相连，另一个输入端与电压调节电路(2)的输出端相连，输出端与电桥驱动电路(7)的一个输入端相连，电桥驱动电路(7)的另一个输入端与光耦隔离电路(8)的输出端相连，输出端与能量发射电路(3)的输入端相连；

所述电源管理电路(1)的结构为，变压器T1的输入端与市电相连，两个输出绕着的四个输出端分别与整流桥D101、整流桥D102的输入端相连；整流桥D101的输出端负极接电解电容C101的负极，整流桥D101的输出端正极接电解电容C101的正极并作为所述的电源管理电路(1)的第一输出端，记为端口HV_out，为电压调节电路(2)供电；整流桥D102的输出端负极接电解电容C102的负极并接地，整流桥D102的输出端正极接电解电容C102的正极并与芯片LM7812的1端口相连，还与电容C103的一端相连，电容C103的另一端与芯片LM7812的2端口相连并接地，电容C104的一端接地，另一端与芯片LM7812的3端口相连，并与电阻R2的一端相连，作为所述的电源管理电路(1)的第二输出端，记为端口P_out1，为系统中各模块提供电源VDD，电阻R2的另一端与电阻R1的一端及运放U1A的同相输入端相连，电阻R1的另一端接地，运放U1A的反相输入端与输出端相连，作为所述的电源管理电路(1)的第三输出端，记为端口P_out2，为系统提供电源VDD/2；

所述电压调节电路(2)的结构为，运算放大器U3.1的同相输入端与电阻R8一端以及R9一端相连，运算放大器U3.1的反相输入端与电容C3一端、电阻R7一端以及运算放大器U4.2的反相输入端相连，电阻R7的另一端与运算放大器U3.1的输出端以及电阻R9的另一端相连，电容C3的另一端与电阻R8的另一端相连并接电源VDD/2；运算放大器U4.2的输出端与场效应管Q2的栅极相连，运算放大器U4.2的正电源端接电源VDD，运算放大器U4.2的负电源端接地，场效应管Q2的源极与二极管D2的阴极以及电感L2一端相连，场效应管Q2的漏极作为电压调节电路(2)的电压输入端，记为端口HV_IN，与电源管理电路(1)的端口HV_out相连；电感L2的另一端与电解电容C4的正极相连，并作为电压调节电路(2)的补偿输出端，记为端口ADV_OUT，分别与能量发射电路(3)的端口ADV_IN1以及输出自动控制电路(6)的端口ADV_IN2相连；电解电容C4的负极与二极管D2的阳极相连并接地；运放U4.2的同相输入端与第一D/A转换电路(9)的输出端相连，第一D/A转换电路(9)的输入端与单片机(11)相连；

所述能量发射电路(3)的结构为，场效应管Q3的栅极作为能量发射电路(3)的第一个驱动端，记为端口Drv_IN1，与电桥驱动电路(7)的端口Drv_OUT1相连；场效应管Q3的源极分别与场效应管Q4的漏极以及电容C5一端相连，并作为能量发射电路(3)的第二个驱动端，记为端口Drv_IN2，与电桥驱动电路(7)的端口Drv_OUT2相连；场效应管Q4的栅极与电阻R10一端相连，并作为能量发射电路(3)的第三个驱动端，记为端口Drv_IN3，与电桥驱动电路(7)的端口Drv_OUT3相连；场效应管Q5的栅极作为能量发射电路(3)的第四个驱动端，记为端口Drv_IN4，与电桥驱动电路(7)的端口Drv_OUT4相连；场效应管Q5的源极分别与场效应管Q6的漏极以及电感L3一端相连，并作为能量发射电路(3)的第五个驱动端，记为端口Drv_IN5，与电桥驱动电路(7)的端口Drv_OUT5相连，电感L3的另一端与电容C5的另一端相连；场效应管Q6的栅极与电阻R11一端相连，并作为能量发射电路(3)的第六个驱动端，记为端口Drv_IN6，与电桥驱动电路(7)的端口Drv_OUT6相连；电阻R11的另一端分别与电阻R10的另一端、场效应管Q4的源极以及场效应管Q6的源极相连，并作为能量发射电路(3)的取样输出端，记为端口SampV_OUT，与电流检测放大电路(4)的端口SampV_IN相连；场效应管Q3的漏极与场效应管Q5的漏极相连，并作为能量发射电路(3)的补偿输入端，记为端口ADV_IN1，与电压调节电路(2)的端口ADV_OUT相连；

所述电流检测放大电路(4)的结构为，运算放大器U6.2的反相输入端与电阻RS一端相连，并作为电流检测放大电路(4)的取样输入端，记为端口SampV_IN,与能量发射电路(3)的端口SampV_OUT相连，运算放大器U6.2的同相输入端分别与电阻R12一端、电阻R13一端、可变电阻W2一端以及可变电阻W2活动触点相连，运算放大器U6.2的输出端与电阻R12的另一端相连，并作为电流检测放大电路(4)的放大输出端，记为端口AmpV_OUT，与信号整形电路(5)的端口AmpV_IN相连；可变电阻W2的另一端分别与电阻R14一端、电阻R15一端以及运算放大器U5.1的反相输入端相连，电阻R14的另一端分别与电阻R13的另一端以及运算放大器U5.1的输出端相连，电阻R15的另一端接电源VDD/2，运算放大器U5.1的同相输入端分别与运算放大器U5.1的负电源端以及电阻RS的另一端相连并接地，运算放大器U5.1的正电源端接电源VDD；

所述信号整形电路(5)的结构为，运算放大器U8.2的正电源端接电源VDD，运算放大器U8.2的负电源端接地，运算放大器U8.2的反相输入端分别与电阻R17一端以及电容C7一端相连，运算放大器U8.2的同相输入端与电容C6一端相连并接地，电容C6的另一端分别与电阻R16一端、电阻R17的另一端以及电阻R18一端相连，电阻R16的另一端作为信号整形电路(5)的电压输入端，记为端口AmpV_IN，与电流检测放大电路(4)的端口AmpV_OUT相连；电阻R18的另一端分别与电容C7的另一端、电阻R19一端以及运算放大器U8.2的输出端相连；运算放大器U8.1的反相输入端分别与电阻R20一端以及电容C9一端相连，运算放大器U8.1的同相输入端与电容C8一端相连并接地，电容C8的另一端分别与电阻R21一端、电阻R20的另一端以及电阻R19另一端相连；电阻R21的另一端分别与电容C9的另一端以及运算放大器U8.1的输出端相连，并作为信号整形电路(5)的整形输出端，记为端口ReshapeV_OUT，与电压调节电路(2)的端口ReshapeV_IN相连；

所述输出自动控制电路(6)的结构为，运算放大器U10.2的正电源端接电源VDD，运算放大器U10.2的负电源端接地，单片机(11)的输出端与第二D/A转换电路(10)的输入端相连，第二D/A转换电路(10)的输出端与运算放大器U10.2的反相输入端相连，用以提供基准电压2；运算放大器U10.2的同相输入端与稳压二极管D3的阴极以及电阻R22一端相连，稳压二极管D3的阳极接地，电阻R22的另一端作为输出自动控制电路(6)的补偿输入端，记为端口ADV_IN2，与电压调节电路(2)的端口ADV_OUT相连；运算放大器U10.2的输出端与三极管Q7的基极相连，三极管Q7的集电极接电源VDD，发射极分别与电阻R23一端、电阻R24一端以及三极管Q8的发射极相连，电阻R23的另一端与电容C10一端以及反相器U12.4的输入端相连，电阻R24的另一端以及电容C10的另一端接地，反相器U12.4的输出端与D触发器U7A的时钟信号端CK相连，D触发器U7A的触发信号端D分别与清零端CLR以及电容C11一端相连并接地，电容C11的另一端分别与二极管D4的阳极、电阻R25一端以及D触发器U7A的预置端PR相连，二极管D4的阴极与电阻R25的另一端以及D触发器U7A的反相位输出端Q非相连，D触发器U7A的同相位输出端Q分别与D触发器U12.2的时钟信号端CK以及反相器U14.2的输入端相连，反相器U14.2的输出端作为输出自动控制电路(6)的控制输出端，记为端口CtrlV_OUT，与电桥驱动电路(7)的端口CtrlV_IN相连；D触发器U12.2的触发信号端D分别与D触发器U12.2的清零端CLR及电容C12一端相连并接地，电容C12的另一端与二极管D5的阳极、电阻R26一端以及D触发器U12.2的预置端PR相连，二极管D5的阴极分别与电阻R26的另一端、D触发器U12.2的反相位输出端Q非相连，D触发器U12.2的同相位输出端Q与反相器U13.1的输入端相连，反相器U13.1的输出端与三极管Q8的基极相连，三极管Q8的集电极接电源VDD；

所述电桥驱动电路(7)的结构为，电桥驱动器U9的电压输入端Vcc以及电容C13一端接电源VDD，电容C13的另一端以及电桥驱动器U9的COM端接地，电桥驱动器U9的高电平输入端HIN分别与场效应管Q9的漏极以及电桥驱动器U10的低电平输入端LIN相连，并作为电桥驱动电路(7)的第一个控制输入端，记为端口TsV_IN1,与光耦隔离电路(8)的端口TsV_OUT1相连，电桥驱动器U9的VB端分别与二极管D6的阴极以及电容C15一端相连，电桥驱动器U9的高电平输出端HO分别与电容C15的另一端以及电阻R32一端相连，并作为电桥驱动电路(7)的第二个输出端，记为端口Drv_OUT2，与能量发射电路(3)的端口Drv_IN2相连，电桥驱动器U9的VS端与电阻R31一端相连，电阻R31的另一端与电阻R32的另一端相连，并作为电桥驱动电路(7)的第一个输出端，记为端口Drv_OUT1，与能量发射电路(3)的端口Drv_IN1相连，二极管D6的阳极与电阻R29一端相连，电阻R29的另一端接电源VDD，电桥驱动器U9的低电平输出端LO与电阻R34一端相连，电阻R34的另一端作为电桥驱动电路(7)的第三个输出端，记为端口Drv_OUT3，与能量发射电路(3)的端口Drv_IN3相连；电桥驱动器U10的电压输入端Vcc以及电容C14一端接电源VDD，电容C14的另一端以及电桥驱动器U10的COM端接地，电桥驱动器U10的高电平输入端HIN分别与场效应管Q10的漏极以及电桥驱动器U9的低电平输入端LIN相连，并作为电桥驱动电路(7)的第二个控制输入端，记为端口TsV_IN2,与光耦隔离电路(8)的端口TsV_OUT2相连，电桥驱动器U10的VB端分别与二极管D7的阴极以及电容C16一端相连，电桥驱动器U10的高电平输出端HO分别与电容C16的另一端以及电阻R35一端相连，并作为电桥驱动电路(7)的第五个输出端，记为端口Drv_OUT5，与能量发射电路(3)的端口Drv_IN5相连，电桥驱动器U10的VS端与电阻R34一端相连，电阻R34的另一端与电阻R35的另一端相连，并作为电桥驱动电路(7)的第四个输出端，记为端口Drv_OUT4，与能量发射电路(3)的端口Drv_IN4相连，二极管D7的阳极与电阻R30一端相连，电阻R30的另一端接电源VDD，电桥驱动器U10的低电平输出端LO与电阻R36一端相连，电阻R36的另一端作为电桥驱动电路(7)的第六个输出端，记为端口Drv_OUT6，与能量发射电路(3)的端口Drv_IN6相连；场效应管Q9的源极以及场效应管Q10的源极接地，场效应管Q9的栅极与场效应管Q10的栅极相连并作为电桥驱动电路(7)的第三个控制输入端，记为端口CtrlV_IN，与输出自动控制电路(6)的端口CtrlV-OUT相连；

所述光耦隔离电路(8)的结构为，单片机(11)分别与电阻R35一端以及电阻R36一端相连，电阻R35的另一端与光电耦合器U1的输入端1A相连，电阻R36的另一端与光电耦合器U1的输入端2A相连，光电耦合器U1的电压输入端VCC接电源VDD，光电耦合器U1的输入端1N与光电耦合器U1的输入端2N相连并接地，光电耦合器U1的输出端1_O与电阻R37一端相连，并作为光耦隔离电路(8)的第一个控制输出端，记为端口TsV_OUT1，与电桥驱动电路(7)的端口TsV_IN1相连；光电耦合器U1的输出端2_O与电阻R38一端相连，并作为光耦隔离电路(8)的第二个控制输出端，记为端口TsV_OUT2，与电桥驱动电路(7)的端口TsV_IN2相连；光电耦合器U1的接地端GND与电容C17一端相连并接地，电容C17的另一端分别与电阻R37的另一端以及电阻R38的另一端相连并接电源VDD。