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无线充电电动小车 C题.docx

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.46M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    2.3.4 角度检测模块设计
    2018 年 TI 杯大学生电子设计竞赛 【本科组】 20180376 C 题：无线充电电动小车 时间：2018 年 7 月 20 日
    无线充电电动小车（C 题） 摘要：本系统基于无线充电装置，采用 STC12C5A60S2 单片机作为主控模块， 设计了主要包含空心杯电机、超级电容、MPU6050 传感器、小车启动模块和电源 的无线充电电动小车系统。其中，单片机最小系统主要实现 60 秒计时和人机交 互等功能。无线充电装置由 XKT-335/412 构成的无线发送电路和 T3168 构成的无 线接收电路两部分组成，负责电能的无线传输。电能储存模块由 15F/2.7V 的超 级电容和充放电管理电路构成，为小车提供能量。MPU6050 传感器负责斜坡角度 的测量，由单片机发送到 OLED 上显示，通过一次函数计算电动小车所爬的斜坡 的高度。小车启动模块由电磁铁和弹性开关构成，当充电一分钟后，电磁铁控制 弹性开关闭合，从而启动小车直线行走。经测试，小车的性能指标满足题目要求， 并具有良好的稳定性。 关键词：无线充电装置 超级电容 空心杯电机 STC12C5A60S2 MPU6050
    1 引言 1.1 简述 无线充电技术源于无线电能传输技术，利用磁共振在充电器与设备之间的空 气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能高效传 输技术。 1.2 整体设计思路 本设计要求制作一个无线充电电动小车及一套无线充电装置。电动小车需使 用适当容量的超级电容储存电能给电动车供电。并且当电动车检测到无线充电发 射器停止充电时，立即自行启动。无线充电装置为电动小车充电提供行驶的动力。 经过一番讨论之后我们预想利用 XKT-335、XKT-412 和 T3168 芯片组成无线充电 装置的发射器和接收器，使用超级电容储存电能，超级电容直接给空心杯电机供 电，通过单片机控制其他外设检测超级电容是否充满电及停止充电，驱动小车前 进。角度检测传感器检测斜坡的倾斜角并通过显示屏显示出来。 2 方案设计 2.1 方案论证与选择 2.1.1 控制器模块 方案一：采用传统 89C51 芯片为控制核心，具有 4KB 的程序存储器，128KB 的数据存储器，64KB 的片外存储器寻址能力，64KB 的片外数据存储器寻址能力， 32 根输入/输出线，1 个全双工异步串行口，2 个 16 位定时/计数器，5 个中断源， 两个优先级。但没有 ISP 下载线及 SPI 接口，功能单一，运算速度慢，控制过程 比较繁琐，故放弃该方案。 方案二：STC12C5A60S2 系列单片机是单时钟的单片机，是高速/低功耗/超 强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8--12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 转换(250k/s, 即 25 万次每秒），针对电机控制，强干扰场合,且价格合理。 综上所述，采用方案二作为控制器模块方案。因为 STC12C5A60S2 单片机处 理速度快，功耗低，符合我们选取的标准。 2.1.2 无线充电装置方式的选择 方案一：无线电波原理是将环境电磁波转换为电流,通过电路传输电流。 这种无线充电方式传输距离大于 10 米，适用于远距离小功率充电。不过，因为 转换效率较低的原因，如果用这一方式，充电时间将比较长，成本较高。 方案二：电磁感应原理是电流通过线圈，线圈产生磁场，对附近线圈产生 感应电动势，产生电流。具有传输距离短，转换效率高的优点，使用位置相对固 定且技术简单，很适合作为无线充电技术使用。 综上所述，结合成本和实际功能考虑，采用方案二的电磁感应原理实现对 电动小车无线充电。 2.1.3 角度检测模块的选择 方案一：使用具有角度测量功能 APP 的手机，此方法使用简单。 1
    方案二：使用 MPU605 传感器测量角度根据题目要求无线充电装置每次限 定充电时间为一分钟，为了方便计时与测量角度，使用 MPU6050 传感器测量角度 可以和时间共同在 OLED 显示屏上显示。并且 MPU-6050 为整合性 6 轴运动处理组 件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了 大量的封装空间。 综上所述，采用方案二作为角度检测模块。 2.1.4 开关的选择 方案一：继电器是一种电控制器件，它实际上是用小电流去控制大电流运 作的一种"自动开关"。但是固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断 器或 RC 阻尼电路对其进行过在保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关， 温度升高，负载能力将迅速下降。半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏 电流，因此不能实现理想的电隔离。 方案二：开关三极管具有完成断路和接通的作用，被广泛应用于各种开关 电路中，如常用的开关电源电路、驱动电路、及输出电路等。具有安全可靠、开 关速度快等特点，但由于三极管基极触发电压过大，电容上的电压达不到触发状 态，不适用于我们的电路故放弃该方案。 方案三：使用自制电池开关，内含电磁铁，在磁场的作用下，两个簧 片被磁化互相吸引接触 而 吸合 在一起，使结点所接的电路连 。外磁力消 失后，两个簧片由于本身的弹 性而分开，线路断开 。 具有比一般开关结 构简单、体积小 、工作寿命长等优 点 ，不会多余的消耗超级电容上的电能实 现最大程度的利用小车电能。 综上所述，因为自制电池开关不会消耗电容上的电能，故采用方案三中的 自制电池开关作为开关。 2.1.5 方案总体论述 经过一系列的方案论证之后，我们决定使用 XKT-335/412 和 T3168 芯片组 成无线充电装置的无线发送电路和无线接收电路，15F/2.7V 的超级电容储存电 能，超级电容直接给空心杯电机供电，MPU6050 传感器检测斜坡的倾斜角并通过 OLED 显示屏显示出来，使用 STC12C5A60S2 系列单片机控制充电时间，当充电一 分钟后，电磁铁控制弹性开关闭合，启动小车直线行走。小车本体模块由空心杯 电机四驱小车改装而来，采用 64：1 的减速器，以实现转速和扭矩的均衡。 2.2 系统设计 2.2.1 系统总体设计 经题目分析，要使电动小车沿倾斜 木工板爬升的高度更高，应设计质量尽量 轻的小车，且小车轮胎需要轻、软，特别 是摩擦力要大，选取橡胶材料轮胎，且车 轮大小适中。 如图 1 所示为此无线充电电动小车 平台设计效果图。 图 1 电动小车平台设计效果图 2
    2.2.2 系统详细框图 本系统以单片机 STC12C5A60S2 为主控芯片的系统详细框图如图 2 所示。 图 2 系统总体设计框图 2.3 硬件电路设计 2.3.1 电源模块电路设计 电源的输出电压为 12V，而单片机系统需 要的电压为 5V，为了防止电压过高导致单片机故 障，因此设计了分压板将 12V 电压转为 5V 电压。 电路原理图如图 3 所示。 2.3.2 控制器电路 主控单元采用 STC12C5A60S2 单片机控制 继电器，使单片机内的时钟控制一分钟，在一 分钟之后继电器关闭，从而实现无线充电装置 的发射器在充电一分钟时断电。无线充电装置 给法拉电容充电时，三极管控制电机不转，当 充电一分钟时，无线充电装置将断电，这时二 极管使法拉容电机导通，从而实现小车的发 动。控制器电路图如图 4 所示。 图 3 电源原理图 图 4 单片机最小系统原理图 3
    2.3.3 无线充电装置的设计 本小车直线行走的电能由无线充电装置提供，无线供电装置由发 射器和接收器组成，发射器采用具有恒流恒压模式自动切换的直流稳压 5V 1A 的电源供电，无线充电装置接收器接收电能。无线充电装置给超级 电容充电时，三极管不导通电流，电机不转动，当充电一分钟时，无限 充电装置将断电，这时三极管导通电流，电机转动，从而使小车发动。 无线充电装置的原理图如图 5 所示。 图 5 无线充电装置原理图 2.3.4 角度检测模块设计 MPU6050 传感器，内带 3 轴陀螺仪和 3 轴加速度传感器，并且 含有一个第二个 IIC 接口，可用于连接外部磁力传感器，利用 自带数字 运动处理器硬件加速引擎，通过主 IIC 接口，可以向应用端输出完整的 9 轴姿态融合演算数据。使用运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算， 使用 MPU6050 传感器可以较为精确的测量斜坡角度并且在 OLED 显示屏上 显示。MPU6050 传感器原理图如附录三所示。 2.4 软件部分设计 2.4.1 程序流程图 图 6 主程序控制流程图 本系统中的程序主要是通过单片机控制继电器进而控制自制电磁铁开关， 由 OLED 显示屏显示时间和角度。本系统主程序控制流程图如图 6 所示。 2.4.2 无线充电电动小车爬坡理论计算分析 无线充电电动小车充电一分钟后，电动车沿倾斜木工板路面直线爬坡行 驶，路面长度 L 不大于 1m,电动小车爬升的高度 h=Lsinθ,电动小车爬升高度 h 和倾角θ成线性关系，即θ 越大，h 越大，为使电动小车爬升的高度尽可能的 高，取斜坡路面长度为 1m,则计算公式 h=sinθ ,斜面倾角θ越大，电动小车爬 升高度越高,具体斜坡角度变化图如图 7 所示。 图 7 斜坡效果图及斜坡侧面效果图 4
    2.4.3 超级电容理论分析 电容采用 2.7V 的超级电容，实验测试的时候充一分钟刚好充到 2.3V,线 圈匝数接收比发射 1：1。 3 设计实现 3.1 无线充电装置的设计与实现 无线充电装置的发射器和接收器由 XKT-335、XKT-412 和 T3168 芯片组成， 在无线充电装置的发射器向接收器供电的过程中，发现转化效率比较低，接收器 接受的电能达不到期望值。后来尝试拉近两个线圈之间的距离，让两个线圈达到 谐振，从而解决了传递效率低的问题。 3.2 无线充电电动小车的设计与实现 在给电动小车充电的过程中，空心杯电机转速速度过快，这样会导致小车在 直线行走过程中难以保持稳定的状态，因此经过讨论之后加了三个减速齿轮减慢 空心杯电机转动的速度使空心杯电机的速度适中，小车最终可以稳定直线行走。 在小车上安装三极管开关控制电机的转动，发现三极管基极触发电压经过负载后 过高，一分钟充电后无法达到其触发值，后来选择继电器作为开关，发现继电器 消耗的功耗比较大，减少通向电容的电能，经过一系列思考，决定采用自制电池 开关来达到电容控制电机的效果。实现了可以精准的控制电机运转的效果。 3.3 发挥部分 本系统增加 MPU6050 传感器测量斜坡的角度，并在 OLED 显示屏上显示；自 制分离式继电开关，使单片机在不消耗充电电容电能的情况下，控制小车的开启 和关闭。 4 测试 4.1 测试设备及方法 所用的的测试设备有：电动小车、陀螺仪、卷尺、秒表、万能表。 测试方法： (1)定时测试，用秒表计时一分钟，无线充电装置给超级电容充电，超级 电容给小车供电，测量小车行驶的距离。 (2)控制变量法：根据公式 h=Lsinθ(L=1), 不断增加斜面的角度θ，测量 相应的斜坡高度 h。 4.2 测试数据及测试结果 4.2.1 超级电容大小对无线充电装置影响的测试 随着超级电容的容量的变化无线充电装置的转化效率也在不断变化。测 量结果如表 1 所示： 表 1：电容大小对无线充电装置效率的影响 电容大小（F) 60 30 20 15 10 5
    电压（V) 时间(min) 1 1 1.6 1 1.9 1 2.3 1 2.5 1 4.2.2 电动小车充放电的运行测试 测试结果如表 2 所示： 表 2：电动小车充放电运行测试数据 测试次数 充电时间（min) 1 1 2 1 小车行驶距离(m) 5.6 4.2.3 电动小车行驶斜坡角度的测试。 7.4 3 1 8.1 4 1 6.2 当充电一分钟后，电动车沿倾斜面直线爬坡行驶角度,路面长度取 1 米， 电动车要求在每次充电一分钟后爬升的高度 h 最大。当斜坡倾角θ变化时,斜坡 高度 h 随之变化。测试结果如表 3 所示： 表 3：电动小车行驶斜坡角度测试数据 L=1m h=LSinθ 测试次数 1 斜 坡 倾 角 θ /° 爬升高度 h/m 30° 0.5 5 总结与心得 2 45° 0.71 3 60° 0.87 4 75° 0 本系统设计制作了一个无线充电电动小车和一个无线充电装置，采用 STC12C5A60S2 单片机作为主控模块，实现检测无线充电装置对法拉电容充电。 利用 XKT-335、XKT-412 和 T3168 芯片组成无线充电装置的发射器和接收器；使 用 15F 的超级电容储存电能，超级电容直接给空心杯电机供电，实现了对电动小 车无线充电。系统达到了设计要求中的标准，并且我们利用所学知识增加了 OLED 将 MPU6050 角度传感器检测的角度和充电时间显示在显示屏上。 在这次参加比赛的过程中，四天三夜我们收获了很多。虽然期间遇到了一些 意想不到的难题，但是最终都沉下心来冷静思考分析，尽自己最大的努力去解决 问题。通过这次比赛我们深刻体会到学好专业知识以及勤于思考善于动手的的重 要性，同时作为一个团队，我们明白了团结协作的意义，在以后的学习中，我们 将更加努力，不断进步，争取做的更好。 6
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