无线充电循迹小车硬件仿真和代码.pdf-资料库

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1、绪论随着新能源汽车的迅猛发展以及无人驾驶技术的需求。无线充电技术和超级电容储能技术必会成为未来的发展趋势。本设计为一款动态无线充电电动循迹小车。可用于快递公司智能分货小车。该设计由无线充电模块，超级电容储能模块，运动控制模块和电机驱动模块四大部分构成。通过 MSP430-G2 控制其运动。通过时间继电器来设定充电时间，由无线充电装置给车体储能元件超级电容充电，当到达设定充电时间后，小车检测到充电结束，继电器工作使超级电容转换为放电状态给小车供电，小车得电由处理器发送相应的指令，电机驱动小车前行，控制模块会根据循迹模块检测输出的信号完成小车的循迹控制。 2、实践完成的主要目标和内容 2.1 主要目标设计并制作一个无线充电电动小车及无线充电系统，电动小车可采用成品车改制，全车重量不小于 250 g，外形尺寸不大于 30cm×26cm，圆形无线充电装置发射线圈外径不大于 20cm。无线充电装置的接收线圈安装在小车底盘上，仅采用超级电容（法拉电容）作为小车储能、充电元件。如图 1 所示，在平板上布置直径为 70cm 的黑色圆形行驶引导线（线宽≤2cm），均匀分布在圆形引导线上的 A、B、C、D 点（直径为 4cm 的黑色圆点）上分别安装无线充电装置的发射线圈。无线充电系统由 1 台 5V 的直流稳压电源供电，输出电流不大于 1A。 B A C D 图 1. 电动小车行驶区域示意图 - -

2.2 内容 2.2.1 基本内容（1）小车能通过声或光显示是否处在充电状态。（2）小车放置在 A 点，接通电源充电，60 秒时断开电源，小车检测到发射线圈停止工作自行起动，沿引导线行驶至 B 点并自动停车。（3）小车放置在 A 点，接通电源充电，60 秒时断开电源，小车检测到发射线圈停止工作自行起动，沿引导线行驶直至停车（行驶期间，4 个发射线圈均不工作），测量小车行驶距离 L1，L1 越大越好。 2.2.2 发挥部分（1）小车放置在 A 点，接通电源充电并开始计时；60 秒时，小车自行起动（小车超过 60 秒起动按超时时间扣分），沿引导线单向不停顿行驶直至停车（沿途由 4 个发射线圈轮流动态充电）；180 秒时，如小车仍在行驶，则断开电源，直至停车。测量小车行驶距离 L2，计算 L=L2-L1，L 越大越好。（2）在发挥部分（1）测试中，测量直流稳压电源在小车开始充电到停驶时间段内输出的电能 W，计算 K= L2/W，K 越大越好。（3）其他。 2.2.3 说明（1）本题所有控制器必须使用 TI 公司处理器。（2）小车行驶区域可采用表面平整的三夹板等自行搭建，4 个发射线圈可放置在板背面，发射线圈的圆心应分别与 A、B、C、D 圆点的圆心同心。（3）作品采用的处理器、小车全车重量、外形尺寸、发射线圈最大外形尺寸及安装位置不满足题目要求的作品不予测试。（4）每次测试前，要求对小车的储能元件进行完全放电，从而确保测试时小车无预先额外储能。（5）题中距离 L 的单位为 cm，电能 W 的单位为 Wh。（6）测试小车行驶距离时，统一以与引导线相交的小车最后端为测量点。（7）基本要求（2）测试中，小车停车后，其投影任一点与 B 点相交即认为到达 B 点。（8）在测试小车行驶距离时，如小车偏离引导线（即小车投影不与引导线相交），则以该驶离点为该行驶距离的结束测试点。 - -

3.实施方案（数学模型、物理模型等） 3.1 可选方案方案一：小车采用亚克力板组装，双电机驱动，采用红外线循迹。充电时间控制装置安装在小车无线充电接收端上，当到达设定的时间后，小车自动切断电源，继电器转换，使得超级电容为小车供电，小车得电后自启动，处理器发送指令，小车按设定方案运动。方案二：小车采用亚克力班组装，双电机驱动，采用超声波循迹。充电时间控制装置安装在无线充电发射端，当设定时间到达后，继电器切断电源，小车感应到充电停止，继电器动作，超级电容供电，小车得电后自启动，处理器发送指令，小车按设定的方案运动。 3.1.1 方案论证及选择对比两种方案，主要区别在于充电时间控制装置安装位置。方案一安装在无线充电的接收端，整个系统只需要一个时间继电器，器件少，控制灵敏，故障排除与维修较为简单，方案二需要在每一个无线充电装置发送端安装时间继电器，且小车上还需要再加一个控制继电器，需要的器件多而杂，故障排除困难，且在实际应用中可能还会发生一系列的连带作用。此外红外线循迹模块具有反应灵敏，抗干扰性强，功耗低等优点。综上所述，选择方案一。 3.2 具体方案设计理论分析和计算电动小车构成模块如图 2。图 2.电动小车模块图 - -

（1）无线充电模块：无线充电装置由发射端和接收端构成。发射端采用电磁 5V,1A 线圈输出。通过电磁感应，接收端线圈产生感应电压，通过 DC-DC 升降压稳压模块稳定接收端输出电压，提高充电效率，然后为超级电容充电。充电时间由通电延时关断时间继电器控制。（2）超级电容储能模块：采用超级电容进行储能和供电。超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽。（3）本次设计采用两个 10F 电容并联来提高容量以扩大能量储存。电容连接：无线充电装置输出为 5V 电压，但是由于线路阻抗等外加因素使得施加在电容两侧的充电电压小于 5V。所以在充电装置和电容之间连接一个 DC-DC 模块，DC-DC 转换电路由开关稳压芯片及其外围电路组成，其主要功能为将全桥整流电路输出的 5V 直流电压进行一定的高，使得电容两侧电压稳定在 5V 附近，在规定范围内提高充电效率。（3）继电器，处理器模块：该模块采用通电延时关断继电器控制充电时间。继电器有常开和常闭两个部分。常开端接电容充电模块，常闭端接电机驱动模块。当充电时，继电器接受到电平信号，常闭端开路，常开端闭合，充电模块接通，充电装置给电容充电。设定延时时间到后，常闭触点闭合，常开触点断开，充电线圈断开，电容放电，小车得电自启动，处理器发送相应指令，小车按程序设定运动。（4）电机驱动，红外循迹模块：处理器发送相应指令到达电机驱动模块，驱动装置采用两个个普通 5V 永磁直流电机。当停止充电后继电器形成导通，超级电容为小车供电后，电机驱动模块接收到处理器的指令驱动电机，电机带动机械传动装置驱动小车前行，小车底部有两路红外循迹模块，实时反馈给处理器黑色引导线位置，处理器根据反馈信号实时改变两电机的转速，使得小车可以沿着黑色引导线一直运动。 3.3 电路与程序设计 3.3.1 硬件电路设计该部分设计包括充电，储能，控制，驱动四个大的模块。设计初期对所需的元器件及其参数进行分析计算选择。设计电路图利用 Proteus 仿真软件搭建电路图进行仿真试验检测。其中无线充电用直流电源代替，忽略控制时间，手动切断电源。当闭合开关电路给电容充电，一分钟后断开开关电容放电驱动电机转动。仿真电路如图三所示。 - -

图 3.电动小车仿真电路图 3.3.2 程序设计 #include void GPIO_init(); //函数声明 void turn1(); void go(); void l(); void r(); void s(); int main(void) //主函数 { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; GPIO_init(); go(); //前进函数 __delay_cycles(150000); //延时用于 pwm 调制使小车减速 __delay_cycles(150000); while(1) //循环 { turn1(); //调用左转函数 switch (P1IN & (BIT0+BIT6)) //swith 语句检测 0-6io 口电平状态 { case 0x00: //io 口为 00 go(); Break - -

case 0x01: l(); turn1(); break; case 0x40: r(); turn1(); break; case 0x41: s(); break; turn1(); } } } void turn1() //pwm 调速函数 { __delay_cycles(15000); P1OUT ^= BIT4; __delay_cycles(10000); P1OUT ^= BIT5; __delay_cycles(10000); P1OUT ^= BIT4; P1OUT ^= BIT5; } void GPIO_init() //io 口定义 { P1DIR &=~ BIT6+BIT0; P1DIR |=BIT4+BIT5; P2DIR |= BIT0+BIT1+BIT2+BIT3; P1OUT |=BIT4+BIT5; } void go() //前进 { P2OUT &=~ BIT1;//调用小车前进 P2OUT &=~BIT2; P2OUT|=BIT0; P2OUT|=BIT3; } - -

void l() //左转 { P2OUT &=~ BIT1;//调用小车前进 P2OUT &=~BIT3; P2OUT|=BIT0; P2OUT &=~BIT2; } void r() //右转 { P2OUT &=~ BIT0;//调用小车前进 P2OUT &=~BIT2; P2OUT&=~BIT1; P2OUT|=BIT3; } void s() //停止 { P2OUT &=~ BIT0;//调用小车前进 P2OUT &=~BIT1; P2OUT&=~BIT2; P2OUT&=~BIT3; } 4.解决的主要问题 4.1 小车无线充电系统的搭建硬件电路包括一个无线充电系统和一个小车循迹控制电路。无线充电系统使用的是目前市面上用的手机无线充电线圈和接收线圈如图 4。图 4.无线充电线圈 - -

4.2 小车控制和驱动系统的搭建小车使用的是 IT 公司生产的 MSP430-G2 芯片进行所有的信号输入输出控制，由循迹模块根据地面情况采集信号并且输出到芯片。芯片接收到循迹模块发出的信号。循迹模块由左右两个红外线信号接收器组成，当某一边的信号检测到黑色区域时发出高电平信号，由芯片对接收到的信号作出反应。控制驱动模块对电机进行控制，驱动模块根据 out1 和 out2 的高低电平对控制电机转动。00 11 为停止 01 正转 10 反转。Out3 和 out4 同理，实现左右两轮不同速从而达到转弯的目的，由此来控制小车沿着黑色胶带运动以实现小车的循迹效果，如图 5 所示。图 5.小车控制和驱动系统仿真 4.3 充电模块和控制模块的结合充电模块和控制模块要通过继电器结合才能实现独立工作。充电时应该断开控制电路的回路，充完电后小车行进时要断开充电回路。实现电容对芯片供电实现小车的循迹控制。把两部分有效的结合在一起需要用到继电器。为了更自动的实现这个过程，使用一个延时继电器就可以使小车在充电到一定时间之后自动断电前进，如图 6 所示。图 6 充电模块仿真 - -

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