一種智能無(wú)線充電爬坡小車設(shè)計(jì)

摘要：本文闡述了一種無(wú)線充電爬坡小車設(shè)計(jì)分析，本設(shè)計(jì)主要包括stm32嵌入式控制模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線充電模塊、傳感器采集模塊、超級(jí)法拉電容模塊、電源轉(zhuǎn)化模塊等。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新在于小車上不采用電池等其他儲(chǔ)能供電器件，電動(dòng)車使用適當(dāng)容量超級(jí)電容（法拉電容）儲(chǔ)能，經(jīng)DC-DC變換給電動(dòng)車供電。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成充電，測(cè)試電動(dòng)小車能達(dá)到最大的距離，及上坡的高度。本設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度高，大大提高了能源轉(zhuǎn)化效率，線充電電動(dòng)小車有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電小車；嵌入式；法拉電容

中圖分類號(hào)：G 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，充電電動(dòng)車普遍用于日常生交通出行。傳統(tǒng)的電動(dòng)車大多使用有線充電，而這種充電方式存在諸多缺點(diǎn)，體現(xiàn)在時(shí)間長(zhǎng)、充電效率低、充電不方便等問(wèn)題。本智能無(wú)線充電小車設(shè)計(jì)，功能多，智能化程度高，是數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域51單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與傳感器技術(shù)的一種創(chuàng)新，重點(diǎn)體現(xiàn)在電路功能設(shè)計(jì)方面，具體表現(xiàn)在無(wú)線充的功能上。具體設(shè)計(jì)如下：

一、設(shè)計(jì)任務(wù)要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)無(wú)線充電電動(dòng)車，包括無(wú)線充電裝置一套。外形尺寸不大于30cm 26cm，高度重量不限。功能要求如下：

（1）制作一套無(wú)線充電裝置，其發(fā)射器線圈放置在路面。發(fā)射器采用具有恒流恒壓模式自動(dòng)切換的直流穩(wěn)壓電源供電，供電電壓為5V，供電電流不大于1A。無(wú)線充電接收器安裝在小車底盤上。每次充電時(shí)間限定1分鐘。

（2）制作一個(gè)無(wú)線充電電動(dòng)車。電動(dòng)車使用適當(dāng)容量超級(jí)電容（法拉電容）儲(chǔ)能，經(jīng)DC-DC變換給電動(dòng)車供電。車上不得采用電池等其他儲(chǔ)能供電器件。

（3）充電1分鐘后，當(dāng)電動(dòng)車檢測(cè)到無(wú)線充電發(fā)射器停止充電時(shí)，立即自行啟動(dòng)，向前水平直線行駛，直至能量耗盡，行駛距離不小于1m。

（4）充電1分鐘后，電動(dòng)車沿傾斜木工板路面直線爬坡行駛，路面長(zhǎng)度不大于1m，斜坡傾斜角度θ自定。綜合多方因素設(shè)計(jì)，使電動(dòng)車在每次充電1分鐘后，電動(dòng)車爬升高度h=lsinθ最大。式中l(wèi)為小車直線行駛的距離。

二、硬件電路總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件電路包括無(wú)線充電裝置和電動(dòng)小車兩部分。無(wú)線充電裝置電路由直流電源、無(wú)線充電發(fā)送模塊、stm32嵌入式控制模塊、顯示與按鍵模塊構(gòu)成；而電動(dòng)小車由接收線圈、無(wú)線充電接收模塊、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊、stm32嵌入式控制模塊、直流電機(jī)、超級(jí)電容組成。

1.無(wú)線充電裝置設(shè)計(jì)

無(wú)線充電裝置的功能通過(guò)直流電源供電給無(wú)線充電發(fā)送模塊，電能再通過(guò)發(fā)送線圈無(wú)線發(fā)送給接收電路，按任務(wù)按要求給電動(dòng)小車充電。stm32嵌入式模塊電路則控制無(wú)線充電發(fā)送模塊供電時(shí)間、供電電壓、電流，實(shí)現(xiàn)具有恒流恒壓模式自動(dòng)切換的直流穩(wěn)壓電源供電。過(guò)程的狀態(tài)信息則通過(guò)液晶顯示屏顯示。

2.無(wú)線充電發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線充電發(fā)送模塊原分為主控部分和驅(qū)動(dòng)以及檢測(cè)電路2部分。主控電路如圖2所示，調(diào)試主控IC時(shí)請(qǐng)注意一下幾點(diǎn)：（1）原理圖上RTC1（熱敏電阻）應(yīng)盡量靠近外殼表面（可以更加真實(shí)的檢查出產(chǎn)品整體的溫度）；（2）主控IC周圍電容器應(yīng)該盡量靠近主IC，注意主IC散熱。（3）預(yù)留IC燒錄程序接觸點(diǎn)。

驅(qū)動(dòng)以及檢測(cè)電路如圖3所示，調(diào)試驅(qū)動(dòng)電路時(shí)請(qǐng)注意一下幾點(diǎn)：（1）原理圖R13為采樣電阻，采樣線盡量靠近采樣電阻，減少電路板上銅線內(nèi)阻引起的誤差，如果采樣線引入LM358過(guò)長(zhǎng)，可以增加C17提高精度。（2）此部分包括FOD功能，F(xiàn)OD又名異物檢測(cè)，功能是指無(wú)線充電過(guò)程中功率損耗過(guò)大而保護(hù)報(bào)警，從而避免過(guò)熱帶來(lái)的隱患，接收電流大，如果效率低，發(fā)熱會(huì)很嚴(yán)重。

3.電動(dòng)小車設(shè)計(jì)

電動(dòng)小車的功能主要通過(guò)無(wú)線充電接收模塊充電，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)直線行走及直線爬坡行駛。stm32嵌入式模塊檢測(cè)充電結(jié)束后控制充電直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)小車任務(wù)。

3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。L298N的5、7、10、12四個(gè)引腳接到stm32單片機(jī)上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)等功能。

3.2無(wú)線充電接收模塊

無(wú)線充電接收電路安裝在小車上，對(duì)無(wú)線發(fā)送電路發(fā)送過(guò)來(lái)的能量進(jìn)行接收，并DC-DC轉(zhuǎn)換模塊升壓后存放在法拉電容上存儲(chǔ)。

3.3 DC-DC轉(zhuǎn)換模

DCM是一個(gè)隔離式、穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，可在未穩(wěn)壓寬范圍輸入運(yùn)行，以產(chǎn)生隔離輸出。憑借其高頻零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，DCM轉(zhuǎn)換器一直致力于為整個(gè)輸入電壓范圍提供高效率。模塊DCM轉(zhuǎn)換器和下游DC-DC產(chǎn)品支持高效配電，為未穩(wěn)壓電源到負(fù)載點(diǎn)提供卓越的電源系統(tǒng)性能和連接性。

三、電路測(cè)試操作

3.1水平直線行駛

把小車水平放置在無(wú)線充電裝置的發(fā)送線圈上，接通電源，stm32嵌入式控制模塊工作，按下按鍵1選擇充電模式，按下按鍵2啟動(dòng)充電并開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)液晶顯示屏上顯示充電計(jì)時(shí)的時(shí)間、充電電壓、充電模式等信息。充電60秒后，無(wú)線充電發(fā)送模塊電路停止工作。同時(shí)小車上的stm32嵌入式控制模塊檢測(cè)到接收線圈無(wú)充電電流后，控制直流電機(jī)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平直線行駛。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，充電小車水平直線行駛距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1米的任務(wù)要求，最遠(yuǎn)距離達(dá)到了8米，效果較理想。

3.2爬坡直線行駛

爬坡直線行駛操作與水平直線行操作類似，不同之處需要把小車放置在斜坡上面的無(wú)線充電裝置的發(fā)送線圈上，并調(diào)整好斜坡的角度。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，充電小車直線爬坡行駛距離超過(guò)1米的任務(wù)要求，最大爬坡角度達(dá)到了55度，效果較理想。

作者簡(jiǎn)介：黎有好（1983-），男，漢族，廣西南寧人，研究生學(xué)歷，廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣自動(dòng)化專業(yè)講師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)、電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)。

【基金項(xiàng)目】2018年度廣西壯族自治區(qū)中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目課題“糖廠離心泵巡檢機(jī)器人的研制與開(kāi)發(fā)”（課題立項(xiàng)號(hào)：2018KY1230）

（作者單位：廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）