一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置，基于感应耦合电能传输技术，结合近场通信技术设计的一款新型定向运动打卡装置。由于该装置使用非接触式的ICPT技术，并建立PS型单管逆变ICPT技术系统等效模型进行了优化设计，在保证能量高效传输的同时取消了外置的充电接口和USB接口，满足了定向运动中的户外防水需求和供电需求。该装置内置微处理器电路模块、NFC通信模块、计时电路模块、声光报警模块和供电模块，微处理器电路模块与NFC通信模块连接，供电模块分别与微处理器电路模块、NFC通信模块、计时电路模块和声光报警模块连接，供电模块设有可充电锂电池，可充电锂电池与该装置后部的无线充电接收线圈相连。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置
本专利技术涉及感应耦合电能传输技术在定向运动打卡装置上的运用领域，特别是涉及一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置。
技术介绍
定向运动是一项由体能和认知技能主导的智慧性体育竞技项目，作为一项新兴的体育项目，不仅可以锻炼参与者的体能，而且可以培养参与者的读图识图、野外生存等能力，普及开展定向运动具有很大的现实意义。定向运动中，要求参赛者在自然地形中通过佩戴具有读卡器功能的计时卡戴在手指上(指卡)，根据提供的含有打卡站点的地图，在尽可能短的时间内找出并沿着最佳路线通过未知地带，依次寻找各个站点，用时最短的参赛者获胜。因此，定向运动员需具备在高速奔跑中准确读图、评估路线，操作指北针，以及在比赛的高压下集中精力做出快速决策的能力。定向运动适合各个年龄段的人和不同群体，定向运动具有提高体能和提升智力的优点，通过定向越野运动能够培养人的综合素质。定向运动训练场地具有多变复杂性的特点，活动地形和活动路段都比较复杂、多变。通常组织定向活动需要选择在野外、森林、山区等环境中进行，这是一项与自然紧密联系的一项户外运动项目。同时这也是它不同于其它项目运动的地方，很多运动在体育场或者体育馆就可以进行，但是定向运动需要在特殊的环境中进行，所以这对于定向运动中需要用到的体育器材要求较高，需要具有良好的防水性和保持长时间待机状态。定向运动中需要用到的器材主要有打卡装置和指卡，指卡一般采用RFID或者NFC技术进行工作，而且使用树脂材料将内置芯片进行封装，具有非常可靠的防水性能，在较为恶劣的环境下还能正常工作。定向运动中另一个重要的装备是打卡装置，但现在市场上基本所有的打卡装置都是采用外部接口进行充电，有些打卡装置外部还安装了USB接口，严重降低了打卡装置的防水性能，在下雨天非常容易导致打卡装置出现故障，进而影响定向比赛的正常进行。为解决这一问题，本专利技术提出了一种全密闭封装的基于感应耦合电能传输技术的新型定向运动打卡装置。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术提供一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置，结合NFC技术设计的一款新型定向运动打卡装置。由于该装置使用非接触式的ICPT技术，并建立PS型单管逆变ICPT技术系统等效模型进行了优化设计，在保证能量高效传输的同时取消了外置的充电接口和USB接口，满足了定向运动中的户外防水需求和供电需求，为达此目的，本专利技术提供一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置，所述装置包括控制电路、可充电锂电池、无线充电接收线圈、外壳和底座，所述外壳和底座内有控制电路、可充电锂电池和无线充电接收线圈，所述控制电路包括微处理器电路模块、NFC通信模块、计时电路模块、声光报警模块和供电模块，微处理器电路模块与NFC通信模块连接，供电模块分别与微处理器电路模块、NFC通信模块、计时电路模块和声光报警模块连接，供电模块连接可充电锂电池，可充电锂电池与该装置后部的无线充电接收线圈相连，所述无线充电接收线圈采用平面螺旋线圈，作为ICPT系统的耦合线圈，线圈安装在装置后面外壳的槽内，并建立PS型单管逆变ICPT技术系统等效模型进行优化：所述无线充电接收线圈优化设计如下：(1)PS型单管逆变ICPT系统主电路拓扑，Uin为直流输入电压，LT和LR分别为发射线圈和接收线圈，CT为原边电路并联补偿电容，CR为副边电路串联补偿电容，Cin和Co分别为输入滤波电容和输出滤波电容，M为耦合线圈间互感，Ro为阻性负载；根据互感等效原理，可得PS型单管逆变ICPT电路等效模型，UCT是Uin逆变后发射线圈并联补偿电容两端电压，RL为整流器、滤波器和等效负载RO折算到虚线位置的等效电阻，ZRF为二次回路阻抗和互感抗反映到一次侧的等效阻抗，UTR为接收线圈产生的互感电压，rT和rR分别为发射线圈和接收线圈的交流内阻，IT为流经LT的电流，IR为流经LR的电流：无线充电系统互感模型进行分析，系统的传输效率为：式(1)表明，系统的传输效率与线圈间互感成正比，与发射、接收线圈的等效内阻成反比；(2)综合考虑互感与线圈内阻对传输效率的影响，引入强耦合系数的概念：其中：k为耦合系数；QT为发射线圈的品质因数；QR为接收线圈的空载品质因数：进一步整理可得，运用均值不等式对式(5)求解，当且仅当：RL为最优负载，此时系统传输效率取得最大值：(3)由式(5)～(7)可知，不同负载条件下，系统传输效率与强耦合系数的关系是：增大强耦合系数，可以有效的提高传输效率，随着强耦合系数的增大，对于传输效率的提升作用越来越小；强耦合系数较大时，负载变化对传输效率的影响不明显，选择强耦合系数作为优化目标，在给定传输距离下，对发射线圈与接收线圈间的尺寸匹配关系进行分析；(4)由于平面螺旋线圈的品质因数较高，磁场分布较为均匀，选择平面螺旋线圈作为ICPT系统的耦合线圈；其中，x1为线圈的外半径，x2为线圈的内半径，为线圈的平均半径，两同轴放置的单匝平行线圈，其互感大小由诺依曼公式推得：其中，式中：xi为接收线圈半径；xj为发射线圈半径；d为两耦合线圈圆心间距；K(n)、E(n)分别是具有模式n的第一类、第二类椭圆积分；(5)两同轴放置的多匝平行线圈，其互感大小可由多组不同半径的单匝环形线圈间互感叠加而得，若发射线圈的匝数为NT，接收线圈的匝数为NR，则平面螺旋线圈间互感表示为：平面螺旋线圈的等效内阻由两部分组成，分别是欧姆电阻rohm和辐射电阻rrad，各参数的计算公式如下：式中：ω为线圈的自谐振角频率；σ铜的电导率；l为导线长度；a为利兹线半径；N为线圈的匝数；为线圈的平均半径；λ为工作频率下所对应的波长；(6)欧姆电阻和辐射电阻的大小与系统工作频率有关，在100kHz的工作频率下，辐射电阻远小于欧姆电阻，将式(10)、(11)代入式(2)，构造出强耦合系数kQ关于发射线圈平均半径接收线圈平均半径以及传输距离d的目标函数：(7)强耦合系数kQ随发射线圈平均半径的变化曲线，可知随着发射线圈平均半径的增大，强耦合系数kQ呈现出先上升后下降的趋势；存在唯一的使kQ取得最大值，越大，kQ取得最大值时所对应的越大，强耦合系数kQ取得峰值时，发射线圈平均半径总是略大于接收线圈平均半径(8)选择平面螺旋线圈作为接收线圈，根据流经接收线圈电流大小，选用0.1mm×200股的利兹线绕制；强耦合系数kQ取得最大值时发射线圈的平均半径为7.0cm，建立发射、接收线圈的有限元模型，保持平均半径不变，改变发射线圈外半径，仿真得出不同平均半径下互感M随着发射线圈外半径xT1的变化曲线，将互感M的仿真数值代入式(2)、(3)，即可得到耦合系数k与强耦合系数kQ随着发射线圈外半径xT1的变化规律：耦合系数k和强耦合系数kQ取得最大值时对应的发射线圈尺寸不同，发射线圈外半径xT1＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置，所述装置包括控制电路、可充电锂电池(6)、无线充电接收线圈(7)、外壳(9)和底座(10)，其特征在于：所述外壳(9)和底座(10)内有控制电路、可充电锂电池(6)和无线充电接收线圈(7)，所述控制电路包括微处理器电路模块(1)、NFC通信模块(2)、计时电路模块(3)、声光报警模块(4)和供电模块(5)，微处理器电路模块(1)与NFC通信模块(2)连接，供电模块(5)分别与微处理器电路模块(1)、NFC通信模块(2)、计时电路模块(3)和声光报警模块(4)连接，供电模块(5)连接可充电锂电池(6)，可充电锂电池(6)与该装置后部的无线充电接收线圈相连，所述无线充电接收线圈(7)采用平面螺旋线圈，作为ICPT系统的耦合线圈，线圈安装在装置后面外壳的槽内，并建立PS型单管逆变ICPT技术系统等效模型进行优化：/n所述无线充电接收线圈(7)优化设计如下：/n(1)PS型单管逆变ICPT系统主电路拓扑，U

【技术特征摘要】
1.一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置，所述装置包括控制电路、可充电锂电池(6)、无线充电接收线圈(7)、外壳(9)和底座(10)，其特征在于：所述外壳(9)和底座(10)内有控制电路、可充电锂电池(6)和无线充电接收线圈(7)，所述控制电路包括微处理器电路模块(1)、NFC通信模块(2)、计时电路模块(3)、声光报警模块(4)和供电模块(5)，微处理器电路模块(1)与NFC通信模块(2)连接，供电模块(5)分别与微处理器电路模块(1)、NFC通信模块(2)、计时电路模块(3)和声光报警模块(4)连接，供电模块(5)连接可充电锂电池(6)，可充电锂电池(6)与该装置后部的无线充电接收线圈相连，所述无线充电接收线圈(7)采用平面螺旋线圈，作为ICPT系统的耦合线圈，线圈安装在装置后面外壳的槽内，并建立PS型单管逆变ICPT技术系统等效模型进行优化：
所述无线充电接收线圈(7)优化设计如下：
(1)PS型单管逆变ICPT系统主电路拓扑，Uin为直流输入电压，LT和LR分别为发射线圈和接收线圈，CT为原边电路并联补偿电容，CR为副边电路串联补偿电容，Cin和Co分别为输入滤波电容和输出滤波电容，M为耦合线圈间互感，Ro为阻性负载；
根据互感等效原理，可得PS型单管逆变ICPT电路等效模型，UCT是Uin逆变后发射线圈并联补偿电容两端电压，RL为整流器、滤波器和等效负载RO折算到虚线位置的等效电阻，ZRF为二次回路阻抗和互感抗反映到一次侧的等效阻抗，UTR为接收线圈产生的互感电压，rT和rR分别为发射线圈和接收线圈的交流内阻，IT为流经LT的电流，IR为流经LR的电流：
无线充电系统互感模型进行分析，系统的传输效率为：



式(1)表明，系统的传输效率与线圈间互感成正比，与发射、接收线圈的等效内阻成反比；
(2)综合考虑互感与线圈内阻对传输效率的影响，引入强耦合系数的概念：



其中：k为耦合系数；QT为发射线圈的品质因数；QR为接收线圈的空载品质因数：






进一步整理可得，



运用均值不等式对式(5)求解，当且仅当：



RL为最优负载，此时系统传输效率取得最大值：



(3)由式(5)～(7)可知，不同负载条件下，系统传输效率与强耦合系数的关系是：增大强耦合系数，可以有效的提高传输效率，随着强耦合系数的增大，对于传输效率的提升作用越来越小；强耦合系数较大时，负载变化对传输效率的影响不明显，选择强耦合系数作为优化目标，在给定传输距离下，对发射线圈与接收线圈间的尺寸匹配关系进行分析；
(4)由于平面螺旋线圈的品质因数较高，磁场分布较为均匀，选择平面螺旋线圈作为ICPT系统的耦合线圈；
其中，x1为线圈的外半径，x2为线圈的内半径，为线圈的平均半径，两同轴放置的单匝平行线圈，其互感大小由诺依曼公式推得：



其中，
式中：xi为接收线圈半径；xj为发射线圈半径；d为两耦合线圈圆心间距；K(n)、E(n)分别是具有模式n的第一类、第二类椭圆积分；
(5)两同轴放置的多匝平行线圈，其互感大小可由多组不同半径的单匝环形线圈间互感叠加而得，若发射线圈的匝数为NT，接收线圈的匝数为NR，则平面螺旋线圈间互感表示为：



平面螺旋线圈的等效内阻由两部分组成，分别是欧姆电阻rohm和辐射电阻rrad，各参数的计算公式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：徐维傲，叶晴，董洪芳，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32