电赛无线充电小车创新设计报告

1、福州大学创新设计题目：姓名：学号：专业：指导教师：2021年 7 月 20 日目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1设计任务与要求1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1设计任务2 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.2设计进度安排2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 2系统工作原理22.1整体工作方案4 HYPERLINK l bookmark35 o Cu

2、rrent Document 2.2理论分析与计算42.2.1提高超级电容充电速率42.2.2超级电容充放电43电路设计4 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 3.1主电路设计53.1.1无线充电发射模块和接收模块53.1.2超级电容储能电路5 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.2控制电路设计6 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 4软件设计6 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 5调试过程及结果分

3、析10 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 6收获和体会10 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 参考文献11附录121设计任务与要求1.1设计任务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30cmx26cm，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W2cm），均匀分

4、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。（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。1.2设计进度安排1、查阅相关资料，搜集任务所需的元件大致方向，学习芯片资料等（一周）

5、。2、主电路设计：器件选型，学习MCU基础功能的使用方法（一周）。3、小车车模搭建，焊接电路板，编写程序（一周）。4、调试：按照各项需求测试并记录测试结果，继续调整程序以及硬件；同时撰 写设计报告（三周）。2系统工作原理2.1整体工作原理该系统采用无线充电和超级电容进行储能，用MSP430F5529进行控制、 使其可以快速充电和按照指定要求行驶。小车会自动计时并到规定时间时自 行启动。电动小车无线充电系统主要由无线充电模块，超级电容储能电路，升压降压 模块，循迹模块、电机驱动模块组成。图2无线充电小车系统框图2.1理论分析与计算2.2.1提高超级电容充电速率采用恒流充电法。超级电容充电电压基本

6、满足基本呈线性变化：在充电初始 阶段，超级电容器电压上升很快，中间变化相对平缓，之后上升幅度再次加快， 在充电初始和充电末阶段有明显的电压波动；充电电流越大，满充时间越短，这 也验证了超级电容器大电流快速充电的特点。2.2.2法拉电容充放电在超级电容应用中，遇到的最多问题就是，怎样计算一定容量的超级电容在 以一定电流放电的放电时间，或者根据放电电流及放电时间，怎样选择超级电容 的容量。C(F)：超电容的标称容量；R(Ohms)：超电容的标称内阻；ESR(Ohms)： 1KZ 下等效串联电阻；Vwork(V):正常工作电压；Vmin(V): 截止工作电压；t(s)：在电路中要求持续工作时间；Vd

7、rop(V)：在放电或大电流脉冲结束时，总的电压降；I(A)：负载电流；超电容容量的近似计算公式保持所需能量二超级电容减少的能量保持期间所需能量二1/2I(Vwork+Vmin)t;超级电容减少能量=1/2C(Vwork*Vwork-Vmin*Vmin);因而，可得其容量(忽略由IR引起的压降)电容的储能公式(E为电容能量，。为电容容量，U为电容电压)：电容从电压U1放电到电压U2所放出的能量为： E=。, 5。区一0, 5。片在此期间维持了七时间的I电流，电压变化是时间的函数：释放出的能量积分后化简得：CSU分一20 C+W=0解此方程，并且考虑物理意义，选取较大的值作为实际值，则:_ Ul

8、-Ul电容能量的计算公式为：W=0. 5CV图4电容放电过程图图4电容放电过程3电路设计3.1主电路设计3.1.1无线充电发射和接收模块无线充电发射模块允许5V1A输入，无线充能输出5V1A时过程不断电，高效 率、超大工作区域，使用方便、发热小，充电速度快，接收模块内部具有完善的 过流、超温及防辐射保护电路，并提供5V1A的输出。图5发射端实物图图图5发射端实物图图6接收端实物图3.1.2超级电容储能电路超级电容储能电路为了防止超级电容在充电低电压时接近短路状态，串联肖 特基二极管IN5819，使其最大通过电流为1A，同时利用其反向截止的特性防止 超级电容电流倒灌回无线充电接收端。3.1.3主

9、要器件的选择驱动模块选用TB6612FNG，相较于传统的L298N效率上提高，体积上也大 幅减小，在额定范围内、芯片基本不发热。图8直流减速电机电机使用常规减速直流电机，减速比为1：48，其效率较高转矩较大，方便 控制。图8直流减速电机图 7 TB6612FNG3.2控制电路设计升降压模块:TPS63020是一款高效，单电感，降压-升压转换器。芯片效率 高达96%，工作频率在2.4MHz。该芯片可在降压-升压模式之间自动切换。由该 芯片构成的模块输入电压可在2.5V到5.5V之间。由于超级电容电压降低为一个 过程，当电容电压高于3.3V时为降压模式，当电容电压低于3.3V是为升压模式。 用此电

10、压大大降低了电路复杂程度并为单片机和TB6612提供稳定的3.3V电压。输出电压可固定或调节，范围是1.2V到5.5V之间；静态电流小于50UA， 最大输出电流3A。将输出电路串联IN5819，即可得到不大于1A的电流，以防 止过电流击穿单片机。名称J参数数量超级电容5.5V10F15.5V15F1TPS63020模块3.3V输出1.55.5 楠入肖特基一极管IN58191拨码开关2位1无线充电发射端模块5V1A输入1无线充电接收端模块1A1 TB6612FNG15V以内输入1MSP43OF55291红外循迹模块3. 3V输入2表1电路器件清单4软件设计软件设计主要内容为编写用于定时60s的定

11、时器功能，PWM控制电机转速 的功能，使用外部中断来识别传感器寻黑线的功能。定时器部分：void after_60s()TBCCTL0 = CCIE;TBCCR0 = 49999;TBCTL = TBSSEL_2 + MC_1 + TBCLR;bis_SR_register(GIE);此为tb0定时器初始化，CCTL0为捕获比较控制寄存器，开定时器TB中 断允许CCR0为捕获比较寄存器，计时到CCR0时中断，计时50ms。CTL为控 制寄存器，SMCLK为子系统时钟，频率近似1Mhz, MC1位为选择增计数模式， 从0计数到CCR0为止，清除存放定时的计数器。状态SR寄存器，GIE置位使 所有

12、中断可以处理。_interrupt void TIMERB0_ISR (void)t_60s+;if(t_60s=20*63)&(mode=1)|(mode=2)start_f=1;TBCCTL0 &= CCIE;此为定时器中断函数，每次定时器将计时 50MS, 20次中断应计时1S 20*63次中断时计时为60s，60s后置位小车启动标志位，并关闭TB定时器。PWM控制电机部分void pwm_int()P2DIR |= BIT4+BIT5;P2SEL |= BIT4+BIT5;TA2CCR0 = 128;TA2CCTL1 = OUTMOD_6;TA2CCR1 = 128;TA2CCTL2

13、= OUTMOD_6;TA2CCR2 = 128;TA2CTL |= TASSEL_2 + MC_3;此为pwm初始化，将P2.4、P2.5设为输出模式，可输出PWM信号，选 择P2.4、P2.5功能为第一功能TA0和TA1，也就是定时器的输出口。在捕获比 较控制寄存器中设置输出模式为mode6，该模式下能够简单的配置PWM波，其 占空比公式为占空比=(TACCR0-TACCR1)/TACCR0，初始化时设置占空比为0， TACCR1和TACCR2的值越小，输出的PWM波占空比越高，电压平均值越大， 电机转速越高。在CTL控制寄存器中，设置时钟为SMCLK子系统时钟，MC3 选择模式为增减计数

14、模式，即先增至CCRX再减至0，没有中断。需要改变电机 转速时只需要改变CCR1和CCR2的值就可以调整占空比。外部中断传感器输入实现程序 void io_in()P2DIR &= (BIT6+BIT2);P2REN 1= (BIT6+BIT2);P2IEI=(BIT6+BIT2);P2IES |=(BIT6+BIT2);P2IFG &= (BIT6+BIT2);_enable_interrupt();此为外部中断初始化，将P2.2与P2.6设为输入模式，接收外部信号，REN设 置为给P2.2与P2.6设置上拉电阻，将不确定的信号钳位高低电平，IE为开启中 断，IES置高电平为上升沿触发即红外

15、传感器识别到黑线时输出高电平信号，清 楚中断标志IFG，并打开系统总中断。_interrupt void Port2_ISR(void) if(P2IFG & BIT2P2IFG &=BIT2;if(mode=1)right=83;left=40;else if(mode=2)right=83;left=0;P2IFG &=BIT2;else if(P2IFG & BIT6)P2IFG &=BIT6;if(mode=1)right=40;left=83;else if(mode=2)left=83;right=0;P2IFG &=BIT6;此为外部中断函数，通过IF语句判断是左右侧传感器检测到

16、黑线，判断完 成后改变CCRX的大小并清除中断标志。图9程序流程图5调试过程及结果分析1、 充电时声音提示，使用蜂鸣器模块，无充电时无声音完成2、 第二、三步要求时，能够定时60秒完成3、 第二步定时完后能够走1/4圈小车能停在另一个小圆上完成4、 第三部定时完后小车能够不停行走直至将电容中电能耗尽完成5、 小车充电60s时可以达到将近4V电压完成 调试时问题分析：1、第二步小车行走时，无法停下。解决方案：改变传感器间距，减少传感 器的数量，简化控制的复杂程序，在要求二和要求三种给传感器不同间距。2、充电效率低，充电60s时仅有2.5V。解决方案：改变线路连接方式，由 原来的电源侧和单片机测共

17、地改为不共地连接，将单片机和驱动地全部连至升降 压模块后。可以防止充电时单片机和电源形成通路的情况。不足之处：小车无法从电容完全释放时开始计时，升降压模块最低输入电压为1.5V， 于是从小车开始充电到能够达到1.5V这段时间内单片机无法得电计时，没有使 用另外单独单片机进行计时和控制充电线圈。小车充电电压效率低，原因是没有自制充电线圈而使用模块。6收获和体会这次设计我们选择了这个题目，遇到了很多难题，从一开始完全不了解电容 充电的具体过程，无线充电的具体方式，单片机虽然有先前设计的经验，但是只 是对IO 口的简单运用，对这次程序需要的部分的编写感到迷茫，但是也让我们 收获了很多，学会了单片机的基础运用，也学会了充电电路，控制电路的搭建； 但也有许多遗憾，没能自己制作能够控制充电线圈发射磁场以及用于定时的单片 机，导致对充电线圈的理解不够，在充电效率的提高上没有很好的改进，更换过 一个又一个充电模块，也检查了一遍又一遍电路，更换其中的零件，还是无法解 决，这是我们对于理论知识的残缺，希望能够在接下来的学习中我们能够增进我 们的理论和实践的实力，能够更进一步。参考文献1利尔达.MSP430外围模块功能简介EB/OL. 2011.