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中国矿业大学 2018-2019 学年电子设计大赛之无线充电自启动小车.pdf

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.63M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    《校级电子设计竞赛》 设计总结报告 参赛作品编号： 设计题目及编号： 无线充电小车 （ B 题 ） 学 院：机电工程学院 专业与班级： 机械工程 2016-7 组长姓名： 学 号： 学 院：机电工程学院 专业与班级： 机械工程 2016-1 组员姓名： 学 号： 学 院：机电工程学院 专业与班级： 机械工程 2016-7 组员姓名： 学 号： 作品完成时间： 2018 年 3 月 24 日 评阅教师： 成 绩： 日 期：
    目录 正文 .................................................................................................................................................. 1 一. 课题任务 ........................................................................................................................... 1 1.任务....................................................................................................................................... 1 2．要求 ..................................................................................................................................... 1 3．说明 ..................................................................................................................................... 1 二．方案比较与选择 ....................................................................................................................... 2 1.1 主控板模块的论证与选择 ................................................................................................ 2 1.2 无线充电模块的选择 ....................................................................................................... 2 1.3 无线充电接收端的方案论证与选择 ............................................................................... 2 1.3.1 无线接收端模块的选择 ......................................................................................... 2 1.3.2 无线接收端的整流电路选择 ................................................................................. 3 1.4 电动车小车运动的能量存储与控制方案论证 ............................................................... 3 1.4.1 小车储能元件的选择 ............................................................................................. 3 1.4.2 小车运动控制电路的选择 ..................................................................................... 3 1.4 电机驱动模块的论证与选择 ............................................................................................ 4 三.电路设计 ..................................................................................................................................... 5 3.1 无线发送端原理图 ............................................................................................................. 5 3.2 无线发送端 PCB ................................................................................................................. 5 3.无线接收端原理图 ................................................................................................................ 6 3.4 无线接收端 PCB ................................................................................................................. 6 3.5 继电器原理图 ..................................................................................................................... 6 3.6 继电器 PCB ......................................................................................................................... 7 四.程序设计 ..................................................................................................................................... 7 五.测试方案 ..................................................................................................................................... 8 1. 硬件测试 ： ............................................................................................................... 8 2. 软件测试 ： ............................................................................................................... 8 六. 系统调试 ................................................................................................................................... 8 七．数据测试与处理 ....................................................................................................................... 8 7.1 调试方案 ............................................................................................................................ 8 7.2 测试结果 ............................................................................................................................ 8 7.2.1 电容数量的测试 .................................................................................................... 8 7.2.2 发射端与接收端距离确定 .................................................................................... 9 7.2.3 斜坡角度确定 ........................................................................................................ 9 7.3 测试结果与分析 ............................................................................................................... 9 八．总结........................................................................................................................................... 9 参考文献......................................................................................................................................... 11 附录： ............................................................................................................................................ 12 相关实物图 ..................................................................................................................... 12
    正文 一. 课题任务 1.任务 设计并制作一个无线充电电动车，包括无线充电装置一套。电动小车机械 部分可采用成品四轮玩具车改制。外形尺寸不大 30cmX26cm，高度重量不限。 2．要求 （1）制作一套无线充电装置，其发射器线圈放置在路面。发射器采用具有恒流 恒压模式自动切换的直流稳压电源供电，供电电压为 5V，供电电流不大于 1A。 无线充电接收器安装在小车底盘上。每次充电时间限定 1 分钟。 （10 分） （2）制作一个无线充电电动车。电动车使用适当容量超级电容（法拉电容）储 能，经 DC-DC 变换给电动车供电。车上不得采用电池等其他储能供电器件。（10 分） （3）充电 1 分钟后，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，向前水平直线行驶，直至能量耗尽，行驶距离不小 1m。 （20 分） （4）充电 1 分钟后，电动车沿倾斜木工板路面直线爬坡行驶，路面长度不大于 1m，斜坡倾斜角度 θ 自定。综合多方因素设计，使电动车在每次充电 1 分钟 后，电动车爬升高度 h=lsinθ 最大。式中 l 为小车直线行驶的距离（50 分） （5）其他。 （10 分） （6）设计报告：（20 分） 3．说明 （1）DC-DC 变换建议采用 TI 公司 TPS63020 芯片。 （2）超级电容的容量可根据充电器在 1 分钟时间充入的电荷量及小车行驶所需 电流、时间和重量等因素综合考虑。 （3）行驶距离以小车后轮触地点为定位点。倾斜坡度 θ 自定。 （4）测试时，要求小车先充电、放电运行数次。保证测试时，小车无预先额外 储能。以保证测试公平性。正式测试允许运行两次，取最好成绩记录。违规车 辆不予测试。 （5）无线充电电动车是一个比较复杂的工程问题，通过提高充、放电效率，减 轻车重，优化电机驱动，适当选取超级电容（法拉电容）容量及路面倾斜角度 θ 等，提高电动车的爬升高度。 （6）通过设置直流稳压电源的输出电压为 5V，最大输出电流为 1A，确保发射 器供电为 5V，电流不大于 1A。 （7）路面倾斜角度 θ 可以采用具有角度测量功能 APP（如“指南针”）的手 机，平放在斜坡上测量。 1
    二．方案比较与选择 1.1 主控板模块的论证与选择 方案一 ： 采用由 ST（意法半导体）开发的一种高性能微控制器 ，此款单片机 功耗低，接口较多，内部外设较多，中断较多，操作比 51 系列单片机复杂，价 格稍贵，性能远大于 51 系列单片机，集成了新的 DSP 和 FPU 指令，168MHz 的高 速性能使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新的水平。提升控制算 法的执行速度和代码效率。 方案二 ： 采用 ATMAL 公司的 STC89c52 单片机，价格低廉，应用普遍，操作 简单，但是外设端口较少，多适合于初学者。 方案三：采用 Arduino，它是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品，具有丰 富的接口，有数字 I/O 口，模拟 I/O 口，同时支持 SPI,IIC,UART 串口通信。它 没有复杂的单片机底层代码，没有难懂的汇编，只是简单而实用的函数。而且具 有简便的编程环境 IDE，极大的自由度，可拓展性能非常高！ 由于本赛题对单片机性能要求不是特别的高，我们选择比较容易操控的 Arduino， 便于简化程序设计。 1.2 无线充电模块的选择 方案一：采用对现在市面上流行的手机无线充电器进行改造，然后进行加 入单片机的控制，使得时间控制精度在 1min 以为，但因手机无线充电器体积较 大，要求输入的电压和电流的数值较大，所以在本设计中不适合。 方案二：采用无线充电模块，通过对其进行改造，与我们设计的充电小车 的接收端正好相匹配。输入端的充电电压电流要求均符合，然后再次基础上加 入 1min 控制电路的设计，这样便就可以完成对本设计中电动车的 1min 无线充 电了。 综上所述，采用方案二作为本设计的主要方案。 1.3 无线充电接收端的方案论证与选择 1.3.1 无线接收端模块的选择 采用现在市面上最为流行的无线充电手机中的充电接收线圈，通过初步改 造然后自制能够跟无线充电发射端想匹配的无线充电接收端模块。从而使得无 线充电的接收端的电源转化效率达到一个很高的百分比。 2
    1.3.2 无线接收端的整流电路选择 方案一：运用倍压整流的方式对无线充电的接收端电源进行整流处理，倍 压整流的方式适合运用在一些需要高电压、小电流的地方，通过倍压整流能够 整流出高电压。 方案二：采用桥式整流的方式作为处理无线充电接收端的电源整流处理方 式，整流滤波。桥式整流时对二极管半波整流的一种本质上的改进，同时桥式 整流在大多数电源电路里面是应用最为广泛的一项，对电压电流没有限制。 综上所述，采用方案二作为在本设计中的第一选择方案，方案二作为备选 方案。 1.4 电动车小车运动的能量存储与控制方案论证 1.4.1 小车储能元件的选择 方案一：采用单个普通大容量电容进行组合在一起，然后将其安装在电动 小车上。因普通电容的容值较小，需要组合的数量较大，应用在本文所设计的 电动小车上是不适合的。 方案二：选用超级电容（法拉电容）作为电动小车的储能电路元件，该储 能元件充电时间短、使用寿命长、温度特性好，并且容量较普通电容容值大， 所以在设计时组合量少，体积重量小。 所以采用方案二作为本设计小车储能元件的主选方案。 1.4.2 小车运动控制电路的选择 方案一：直接利用无线充电接收端的电压信号作为继电器的控制端输入信 号，当接收到磁场信号的时候，输入端通入高电平，继电器常开端口接通，继 电器对电容充电当磁场信号消失的时候，输入端接入低电平，继电器常闭端口 接通，电容开始对小车电机供电。 方案二：选用一个小型单片机进行定时一分钟的设计，因小车的充电过程 能量转化效率并不是很高，加用单片机会增加小车能量的损耗，同时单片机的 外围电路也会增加小车上面的空间。 综上所述，所以采用方案一作为主选方案，方案二作为备选方案。 3
    1.4 电机驱动模块的论证与选择 方案一：使用集成电机驱动芯片 L298N，该芯片采用桥式驱动电路，内部包 含四通道逻辑驱动电路，可以直接驱动两个直流电机，并且体积较小，需要接的 外部器件也比较小，因此板子可以做的比较小，方便在小车上安装与使用，但是 会有一定的损耗。 方案二：由于只要求小车直线前进，不需要驱动来控制小车运行方向与速度， 所以可以去掉驱动，输出直接连接电机，这样能够减小损耗，同时又能减重，综 上分析，采用方案二 1.6 小车选择 方案一：设计小车为四轮小车，小车采用四轮驱动，每一个车轮都由一个直 流电机控制。底盘为坚固的亚克力板，以防止小车变型；该小车优点在于抓地性 比较好，直线行驶过程中方向不易改变，但耗费电量速度较快，影响其爬坡能力。 图 1-4 四轮小车模型 方案二：设计小车车体为三轮小车，小车采用两轮驱动，两轮各用一个直流 电机执行，前轮为一万向轮。耗费电量速度慢，但方向容易改变，我们将万向轮 固定住，综合考虑采用方案二 。 1.7 自动开关的选择 方案一：使用 PMOS 管 IRF9540 作为开关，优点在于基本没有损耗，经过 测试，IRF9540N 栅级电压不够，mos 管的 DS 一直处于导通状态，升高电压即 可，但充电小车无法达到其启动电压，IRF9540 做开关电路图如下所示 方案二：使用继电器作为控制开关，当线圈通电，动铁芯在电磁力作用下动 作吸合，带动动触点动作，使常闭触点分开，常开触点闭合；从而实现超级电容 充电的目的，当线圈断电，动铁芯在弹簧的作用下带动动触点复位，超级电容开 始供电给电机，从而实现控制小车断电后自动前进的目的。 综上分析，采用方案二。 4
    三.电路设计 无线充电发射端由震荡电路产生交流信号，经波形电路处理后，最后由功率放大 器将波形放大，形成交流电，发射端线圈以交流电推动而产生交流电磁场，电路 图如下所示 ： 3.1 无线发送端原理图 3.2 无线发送端 PCB 5
    3.无线接收端原理图 3.4 无线接收端 PCB 3.5 继电器原理图 6
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