CN106448376A - 一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置 - Google Patents

一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置 Download PDF

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CN106448376A CN201610861330.9A CN201610861330A CN106448376A CN 106448376 A CN106448376 A CN 106448376A CN 201610861330 A CN201610861330 A CN 201610861330A CN 106448376 A CN106448376 A CN 106448376A
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傅鹏
杨志刚
李家强
黄懿赟
张健
郭斐
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Abstract

本发明公开了一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，包括电源模块、单片机模块、信号发生模块、高频驱动和发射线圈模块以及接收线圈和整流滤波模块。其特征是电源模块通过芯片78L05和78L12，采用直流+15V电源供电，分别输出直流+5V和+12V；单片机模块采用AT89C51单片机连接LCD1602工业字符型液晶实现对输入信号的显示；信号发生模块使用芯片NE555产生自激振荡的PWM波；高频驱动和发射线圈模块采用三极管和场效应管将高频信号放大，再连接LC谐振电路将电能无线传输至接收线圈；接收线圈和整流滤波模块采用桥式整流电路将磁耦合的能量整流，并通过非极性电容器滤波输出，点亮发光二极管。

Description

一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置
技术领域
本发明涉及线电能传输教学实验装置领域，具体是一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置。
背景技术
无线电能传输又称无线电力传输或非接触电能传输，是通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量（如电磁场能、激光、微波及机械波等），隔空传输一段距离后，在通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。根据其传输原理的不同，无线电能传输可分为：磁耦合式、电耦合式、电磁辐射式、机械波耦合式。其中，磁耦合式是目前研究最为火热的一种无线电能传输方式，也就是将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收线圈在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现无线电能传输。随着电力电子技术的迅猛发展，基于磁耦合式无线电能传输的教学与研究越来越广泛，传统的理论教学已不能满足学生的求知需求，而现存的设计基本存在于高端实验室，方案复杂，模块化差，成本偏高，不利于作为教学实训装置，学生的动手实践能力得不到开发。
发明内容 本发明的目的是提供一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：包括电源模块、单片机模块、信号发生模块、高频驱动和发射线圈模块、接收线圈和整流滤波模块，其中：
电源模块由型号为78L05的稳压芯片U1和型号为78L12的稳压芯片U2构成，稳压芯片U1和稳压芯片U2分别输入直流+15V电压，其中稳压芯片U1将直流+15V电压转换为直流+5V电压后分别供电至单片机模块、信号发生模块，稳压芯片U2将直流+15V电压转换为直流+12V电压后供电至高频驱动和发射线圈模块；
单片机模块由型号为AT89C51的单片机U4及其外围电路、型号为LCD1602的工业字符型液晶U5及其外围电路构成，其中工业字符型液晶U5接入单片机U4，由工业字符型液晶U5实现字符显示；
信号发生模块由型号为NE555的时基集成电路芯片U3及其外围电路构成，时基集成电路芯片U3接入单片机U4，由单片机U4控制时基集成电路芯片U3产生自激振荡的PWM波；
高频驱动和发射线圈模块由三极管和场效应管组成的高频信号放大电路、以及LC谐振电路构成，高频信号放大电路输入端接入时基集成电路芯片U3，高频信号放大电路输出端通过LC谐振电路组成的发射线圈，由高频信号放大电路将时基集成电路芯片U3发出的高频信号放大后，再通过LC谐振电路将电能无线发射出去；
接收线圈和整流滤波模块由桥式整流电路、非极性电容和发光二极管构成，桥式整流电路的交流端连接至接收线圈，桥式整流电路直流端通过非极性电容连接发光二极管，由桥式整流电路将接收线圈磁耦合的能量整流，并通过非极性电容滤波后输出至发光二极管，以点亮发光二极管。
所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：所述电源模块包括型号为78L05的稳压芯片U1和型号为78L12的稳压芯片U2，其中稳压芯片U1的VIN引脚即第1引脚接入直流+15V电压，稳压芯片U1的VOUT引脚即第3引脚通过电感L1输出直流+5V电压，稳压芯片U1的第1引脚还通过相互并联的非极性电容C1、极性电容C2与自身的GND引脚即第2引脚共接接地，稳压芯片U1的第3引脚还通过相互并联的非极性电容C3和极性电容C4与自身的第2引脚共接接地，电感L1输出直流+5V电压的一端还通过相互并联的非极性电容C5、极性电容C6与稳压芯片U1的第2引脚共接接地；
稳压芯片U2的VIN引脚即第1引脚接入直流+15V电压，稳压芯片U2的VOUT引脚即第3引脚通过电感L2输出直流+12V电压，稳压芯片U2的第1引脚还通过相互并联的非极性电容C7、极性电容C8与自身的GND引脚即第2引脚共接接地，稳压芯片U2的第3引脚还通过相互并联的非极性电容C9和极性电容C10与自身的第2引脚共接接地，电感L2输出直流+12V电压的一端还通过相互并联的非极性电容C11、极性电容C12与稳压芯片U2的第2引脚共接接地。
所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：所述单片机模块包括型号为AT89C51的单片机U4、型号为LCD1602的工业字符型液晶U5，单片机U4的(VPP)引脚即第31引脚、VCC引脚即第40引脚分别直接接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，单片机U4的P3.4(T0)引脚即第14引脚与信号发生模块连接，单片机U4的XTAL1引脚即第19引脚、XTAL2引脚即第18引脚一一对应连接至一个晶振Y1的两端，晶振Y1的两端之间串联非极性电容C15、C16后，再通过非极性电容C15、C16之间接地，单片机U4的RST引脚即第9引脚通过非极性电容C17接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，单片机U4的GND引脚即第20引脚通过电阻R3接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，单片机U4的第20引脚还直接接地；
工业字符型液晶U5的VSS引脚即第1引脚、BLK引脚即第15引脚分别直接接地，工业字符型液晶U5的VCC引脚即第2引脚接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，工业字符型液晶U5的VO引脚即第3引脚通过电位器R6与自身第1引脚共接接地，工业字符型液晶U5的BLA引脚即第16引脚通过电阻R5接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，工业字符型液晶U5的RS引脚即第4引脚、RW引脚即第5引脚、E引脚即第6引脚、RB0—RB7引脚即第7—第14引脚，一一对应与单片机U4的P2.2(A10)引脚及第23引脚、P2.1(A9)引脚即第22引脚、P2.0(A8)引脚即第21引脚、P0.0(AD0)—P0.7(AD7)引脚及第39—第32引脚连接。
所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：所述信号发生模块包括型号为NE555的时基集成电路芯片U3，时基集成电路芯片U3的OUT引脚即第3引脚与单片机U4的第14引脚连接，时基集成电路芯片U3的VCC引脚即第8引脚、RESET即第4引脚共接后接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，时基集成电路芯片U3的CVOLT引脚即第5引脚通过非极性电容C13与自身GND引脚即第1引脚共接接地，时基集成电路芯片U3的TRIG引脚即第2引脚通过非极性电容C14与自身第1引脚共接接地，时基集成电路芯片U3的THOLD引脚即第6引脚与自身第2引脚连接，时基集成电路芯片U3的DISCHG引脚即第7引脚依次通过电阻R1、电位器R2与自身第6引脚连接。
5、根据权利要求1或3所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：所述高频驱动和发射线圈模块包括三极管Q1和Q3、场效应管Q2和Q4组成的高频信号放大电路，以及非极性电容C18和电感L3构成的LC谐振电路，三极管Q1和Q3的基极共接后与时基集成电路芯片U3的第3引脚连接，三极管Q1的发射极与三极管Q3的集电极连接，三极管Q1的集电极与场效应管Q2的漏极共接后接入稳压芯片U2输出的直流+12V电压，三极管Q3的发射极与场效应管Q4的源极共接后接地，场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极连接，场效应管Q2的栅极与场效应管Q4的栅极共接后连接至三极管Q1发射极、三极管Q3集电极之间，非极性电容C18和电感L3并联构成LC谐振电路，LC谐振电路一端通过电阻R4连接至场效应管Q2源极、场效应管Q4漏极之间，LC谐振电路另一端与三极管Q3发射极、场效应管Q4源极共接接地。
所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：接收线圈和整流滤波模块包括桥式整流电路D0、非极性电容C20和发光二极管D2，桥式整流电路D0两交流端通过电感L4和非极性电容C19并联构成的LC谐振电路与接收线圈连接，桥式整流电路D0一个直流端依次通过电感L5、电阻R7与发光二极管D2的阳极连接，发光二极管D2的阴极与桥式整流电路D0另一个直流端共接后接地，电感L5与桥式整流电路D0直流端连接的一端与一个二极管D1的阴极连接，该二极管D1的阳极与发光二极管D2的阴极、桥式整流电路D0另一个直流端共接接地，非极性电容C20一端与电感L5、电阻R7之间连接，非极性电容C20另一端与发光二极管D2的阴极、桥式整流电路D0另一个直流端共接接地。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明采用模块化设计，设计方案完整，电路结构简单、清晰，实现成本低，实用性强。
2、本发明采用单片机支撑可调节高频振荡频率，振荡频率为f=1.429/（R1+2R2）C14，非常方便于日常实验教学和研究。
3、本发明采用工业字符型液晶实现对无线电能信号的显示，方便教师及学生在实训过程中对电能传输参数的变化直观认识。
4、本发明采用直流15V及以下的低压供电，保证了教师和学生在实训过程中的人生安全。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的电源模块原理图。
图3为本发明的单片机模块原理图。
图4为本发明的信号发生模块原理图。
图5为本发明的高频驱动和发射线圈模块原理图。
图6为本发明的接收线圈和整流滤波模块原理图。
具体实施方式
如图1-图6所示，一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，包括电源模块1、单片机模块2、信号发生模块3、高频驱动和发射线圈模块4以及接收线圈和整流滤波模块5。电源模块包括型号为78L05和78L12的稳压芯片U1和U2，采用直流+15V电源供电，分别输出直流+5V和+12V；单片机模块采用型号为AT89C51的单片机U4连接型号为LCD1602的工业字符型液晶U5实现字符显示；信号发生模块使用单片机U4控制型号为NE555的时基集成电路芯片U3产生自激振荡的PWM波；高频驱动和发射线圈模块采用三极管和场效应管将高频信号放大，再经LC谐振电路组成的发射线圈将电能无线发射出去；接收线圈和整流滤波模块采用桥式整流电路将磁耦合的能量整流，并通过非极性电容器滤波输出，点亮发光二极管。
如图2所示，本实施例中，电源模块1包括型号为78L05和78L12的稳压芯片U1和U2，稳压芯片U1的第1引脚接+15V电源输出端，稳压芯片U1的第1引脚和+15V电源输出端的连接端与并联的非极性电容C1和极性电容C2的一端相接，稳压芯片U1的第3引脚经电感L1接+5V电源输出端，稳压芯片U1的第3引脚和电感 L1 的连接端与并联的非极性电容C3和极性电容C4的一端相接，电感L1和+5V电源输出端的连接端与并联的非极性电容C5和极性电容C6的一端相接，稳压芯片U1的第2引脚、并联的非极性电容C1和极性电容C2的另一端、并联的非极性电容C3和极性电容C4的另一端以及并联的非极性电容C5和极性电容C6的另一端均接地；稳压芯片U2的第1引脚接+15V电源输出端，稳压芯片U2的第 1 引脚和+15V电源输出端的连接端与并联的非极性电容C7和极性电容C8的一端相接，稳压芯片U2的第3引脚经电感L2接+12V电源输出端，稳压芯片U2的第3引脚和电感L2的连接端与并联的非极性电容C9和极性电容C10的一端相接，电感L2和+12V电源输出端的连接端与并联的非极性电容C11和极性电容C12的一端相接，稳压芯片U2的第2引脚、并联的非极性电容C7和极性电容C8的另一端、并联的非极性电容C9和极性电容C10的另一端以及并联的非极性电容C11和极性电容C12的另一端均接地。
如图3所示，本实施例中，单片机模块2包括型号为AT89C51的单片机U4连接型号为LCD1602的工业字符型液晶U5。单片机U4的第14引脚接时基集成电路芯片U3的第3引脚，单片机U4的第31引脚接+5V,第19引脚接晶振Y1的一端，第18引脚接晶振Y1的另一端，晶振Y1两端分别串联非极性电容C15、C16再接地，单片机U4的第9引脚串联非极性电容C17再接+5V，第20引脚串联电阻R3再接+5V,第40引脚接+5V，第20引脚接地；工业字符型液晶U5的第1引脚和第15引脚接地，第2引脚接+5V,第3引脚串联电位器R6再接地，工业字符型液晶U5的第16引脚串联电阻R5再接+5V，工业字符型液晶U5的第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14引脚分别与单片机U4的第23、22、21、39、38、37、36、35、34、33、32引脚对应连接。
如图4所示，本实施例中，信号发生模块3利用单片机U4和工业字符型液晶U5对时基集成电路芯片U3产生自激振荡的PWM波进行采样处理显示。时基集成电路芯片U3的第1引脚接地；第2引脚接非极性电容C14的一端而C14另一端接地；第3引脚为PWM信号输出端口，引出两条线，一个接单片机U4第14引脚，另一个作为信号输入高频信号放大电路；第4引脚为时基集成电路芯片U3复位端口，接高电平为+5V；第5引脚接非极性电容C13的一端而C13的另一端接地；时基集成电路芯片U3的第6引脚接电位器R2一端，其中R2的另一端接R1的一端；第7引脚接R1的一端；第8引脚接电源+5V。
如图5所示，本实施例中，高频驱动和发射线圈模块包括三极管Q1、三极管Q3、场效应管Q2、场效应管Q4、非极性电容C18和电感L3，三极管Q1的基极和三极管Q3的基极均与时基集成电路芯片U3的第3引脚相接，三极管Q1的集电极与+12V电源输出端相接，场效应管Q2的栅极和场效应管Q4的栅极均与三极管Q1的发射极和三极管Q3的集电极的连接端相接，场效应管Q2的源极和场效应管Q4的漏极均与电阻R4的一端相接，电阻R4的另一端与非极性电容C18的一端和电感L3的一端相连，三极管Q3的发射极、场效应管Q4的源极、非极性电容C18的另一端和电感L3的另一端均接地。
如图6所示，本实施例中，接收线圈和整流滤波模块由电感L4、四个二极管组成的桥式整流电路D0、电感L5、二极管D1以及非极性电容C20组成，桥式整流电路D0的一个交流输入端与电感L4和非极性电容 C19均并联，桥式整流电路D0的另一个交流输入端反并联二极管D1，串联电感L5，并联非极性电容C20，后面带有负载电阻R7以及发光二极管D2，电感L4的一端、非极性电容 C19的一端、二极管D1的正极、非极性电容C20的一端和发光二极管D2的阴极均接地。
具体的，在使用时，使用者通过电源模块1中的稳压芯片U1将+15V直流电源转换成+5V直流电源，为单片机模块2和信号发生模块3供电；通过电源模块1中的稳压芯片U2将+15V直流电源转换成+12V直流电源，为高频驱动和发射线圈模块4供电。这样避免采用单一电源供电，受高频驱动和发射线圈模块4影响，降低系统稳定性和电能传输效率。信号发生模块3采用时基集成电路芯片U3产生自激振荡的PWM波，并且可以手动操作电位器来调节信号的输出频率。使用单片机U4和工业字符型液晶U5构成的单片机模块2结构简单，是实训教学常用器件，通过简单的编程对信号发生模块3发出的信号进行检测并显示，增强实训教学的认识效果。高频驱动和发射线圈模块4对输入信号进行两级驱动，提升输出电流，然后通过LC谐振电路将电能无线传输至接收线圈和整流滤波模块5。接收线圈和整流滤波模块5对接收到的信号进行整流滤波处理，最终向发光二极管供电，点亮发光二极管。

Claims (6)

1.一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：包括电源模块、单片机模块、信号发生模块、高频驱动和发射线圈模块、接收线圈和整流滤波模块，其中：
电源模块由型号为78L05的稳压芯片U1和型号为78L12的稳压芯片U2构成，稳压芯片U1和稳压芯片U2分别输入直流+15V电压，其中稳压芯片U1将直流+15V电压转换为直流+5V电压后分别供电至单片机模块、信号发生模块，稳压芯片U2将直流+15V电压转换为直流+12V电压后供电至高频驱动和发射线圈模块；
单片机模块由型号为AT89C51的单片机U4及其外围电路、型号为LCD1602的工业字符型液晶U5及其外围电路构成，其中工业字符型液晶U5接入单片机U4，由工业字符型液晶U5实现字符显示；
信号发生模块由型号为NE555的时基集成电路芯片U3及其外围电路构成，时基集成电路芯片U3接入单片机U4，由单片机U4控制时基集成电路芯片U3产生自激振荡的PWM波；
高频驱动和发射线圈模块由三极管和场效应管组成的高频信号放大电路、以及LC谐振电路构成，高频信号放大电路输入端接入时基集成电路芯片U3，高频信号放大电路输出端通过LC谐振电路组成的发射线圈，由高频信号放大电路将时基集成电路芯片U3发出的高频信号放大后，再通过LC谐振电路将电能无线发射出去；
接收线圈和整流滤波模块由桥式整流电路、非极性电容和发光二极管构成，桥式整流电路的交流端连接至接收线圈，桥式整流电路直流端通过非极性电容连接发光二极管，由桥式整流电路将接收线圈磁耦合的能量整流，并通过非极性电容滤波后输出至发光二极管，以点亮发光二极管。
2.根据权利要求1所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：所述电源模块包括型号为78L05的稳压芯片U1和型号为78L12的稳压芯片U2，其中稳压芯片U1的VIN引脚即第1引脚接入直流+15V电压，稳压芯片U1的VOUT引脚即第3引脚通过电感L1输出直流+5V电压，稳压芯片U1的第1引脚还通过相互并联的非极性电容C1、极性电容C2与自身的GND引脚即第2引脚共接接地，稳压芯片U1的第3引脚还通过相互并联的非极性电容C3和极性电容C4与自身的第2引脚共接接地，电感L1输出直流+5V电压的一端还通过相互并联的非极性电容C5、极性电容C6与稳压芯片U1的第2引脚共接接地；
稳压芯片U2的VIN引脚即第1引脚接入直流+15V电压，稳压芯片U2的VOUT引脚即第3引脚通过电感L2输出直流+12V电压，稳压芯片U2的第1引脚还通过相互并联的非极性电容C7、极性电容C8与自身的GND引脚即第2引脚共接接地，稳压芯片U2的第3引脚还通过相互并联的非极性电容C9和极性电容C10与自身的第2引脚共接接地，电感L2输出直流+12V电压的一端还通过相互并联的非极性电容C11、极性电容C12与稳压芯片U2的第2引脚共接接地。
3.根据权利要求1所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：所述单片机模块包括型号为AT89C51的单片机U4、型号为LCD1602的工业字符型液晶U5，单片机U4的(VPP)引脚即第31引脚、VCC引脚即第40引脚分别直接接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，单片机U4的P3.4(T0)引脚即第14引脚与信号发生模块连接，单片机U4的XTAL1引脚即第19引脚、XTAL2引脚即第18引脚一一对应连接至一个晶振Y1的两端，晶振Y1的两端之间串联非极性电容C15、C16后，再通过非极性电容C15、C16之间接地，单片机U4的RST引脚即第9引脚通过非极性电容C17接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，单片机U4的GND引脚即第20引脚通过电阻R3接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，单片机U4的第20引脚还直接接地；
工业字符型液晶U5的VSS引脚即第1引脚、BLK引脚即第15引脚分别直接接地，工业字符型液晶U5的VCC引脚即第2引脚接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，工业字符型液晶U5的VO引脚即第3引脚通过电位器R6与自身第1引脚共接接地，工业字符型液晶U5的BLA引脚即第16引脚通过电阻R5接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，工业字符型液晶U5的RS引脚即第4引脚、RW引脚即第5引脚、E引脚即第6引脚、RB0—RB7引脚即第7—第14引脚，一一对应与单片机U4的P2.2(A10)引脚及第23引脚、P2.1(A9)引脚即第22引脚、P2.0(A8)引脚即第21引脚、P0.0(AD0)—P0.7(AD7)引脚及第39—第32引脚连接。
4.根据权利要求1或3所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：所述信号发生模块包括型号为NE555的时基集成电路芯片U3，时基集成电路芯片U3的OUT引脚即第3引脚与单片机U4的第14引脚连接，时基集成电路芯片U3的VCC引脚即第8引脚、RESET即第4引脚共接后接入稳压芯片U1输出的直流+5V电压，时基集成电路芯片U3的CVOLT引脚即第5引脚通过非极性电容C13与自身GND引脚即第1引脚共接接地，时基集成电路芯片U3的TRIG引脚即第2引脚通过非极性电容C14与自身第1引脚共接接地，时基集成电路芯片U3的THOLD引脚即第6引脚与自身第2引脚连接，时基集成电路芯片U3的DISCHG引脚即第7引脚依次通过电阻R1、电位器R2与自身第6引脚连接。
5.根据权利要求1或3所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：所述高频驱动和发射线圈模块包括三极管Q1和Q3、场效应管Q2和Q4组成的高频信号放大电路，以及非极性电容C18和电感L3构成的LC谐振电路，三极管Q1和Q3的基极共接后与时基集成电路芯片U3的第3引脚连接，三极管Q1的发射极与三极管Q3的集电极连接，三极管Q1的集电极与场效应管Q2的漏极共接后接入稳压芯片U2输出的直流+12V电压，三极管Q3的发射极与场效应管Q4的源极共接后接地，场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极连接，场效应管Q2的栅极与场效应管Q4的栅极共接后连接至三极管Q1发射极、三极管Q3集电极之间，非极性电容C18和电感L3并联构成LC谐振电路，LC谐振电路一端通过电阻R4连接至场效应管Q2源极、场效应管Q4漏极之间，LC谐振电路另一端与三极管Q3发射极、场效应管Q4源极共接接地。
6.根据权利要求1或3所述的一种单片机控制的无线电能传输教学实训装置，其特征在于：接收线圈和整流滤波模块包括桥式整流电路D0、非极性电容C20和发光二极管D2，桥式整流电路D0两交流端通过电感L4和非极性电容C19并联构成的LC谐振电路与接收线圈连接，桥式整流电路D0一个直流端依次通过电感L5、电阻R7与发光二极管D2的阳极连接，发光二极管D2的阴极与桥式整流电路D0另一个直流端共接后接地，电感L5与桥式整流电路D0直流端连接的一端与一个二极管D1的阴极连接，该二极管D1的阳极与发光二极管D2的阴极、桥式整流电路D0另一个直流端共接接地，非极性电容C20一端与电感L5、电阻R7之间连接，非极性电容C20另一端与发光二极管D2的阴极、桥式整流电路D0另一个直流端共接接地。
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