一種智能無線充電爬坡小車設(shè)計

摘要：本文闡述了一種無線充電爬坡小車設(shè)計分析，本設(shè)計主要包括stm32嵌入式控制模塊，電機驅(qū)動模塊、無線充電模塊、傳感器采集模塊、超級法拉電容模塊、電源轉(zhuǎn)化模塊等。本設(shè)計的創(chuàng)新在于小車上不采用電池等其他儲能供電器件，電動車使用適當(dāng)容量超級電容（法拉電容）儲能，經(jīng)DC-DC變換給電動車供電。在規(guī)定的時間內(nèi)完成充電，測試電動小車能達到最大的距離，及上坡的高度。本設(shè)計自動化程度高，大大提高了能源轉(zhuǎn)化效率，線充電電動小車有廣泛的應(yīng)用價值，節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：無線充電小車；嵌入式；法拉電容

中圖分類號：G 文獻標(biāo)識碼：A

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

一、設(shè)計任務(wù)要求

設(shè)計并制作一個無線充電電動車，包括無線充電裝置一套。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。無線充電接收器安裝在小車底盤上。每次充電時間限定1分鐘。

（2）制作一個無線充電電動車。電動車使用適當(dāng)容量超級電容（法拉電容）儲能，經(jīng)DC-DC變換給電動車供電。車上不得采用電池等其他儲能供電器件。

（3）充電1分鐘后，當(dāng)電動車檢測到無線充電發(fā)射器停止充電時，立即自行啟動，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，電動車沿傾斜木工板路面直線爬坡行駛，路面長度不大于1m，斜坡傾斜角度θ自定。綜合多方因素設(shè)計，使電動車在每次充電1分鐘后，電動車爬升高度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

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

1.無線充電裝置設(shè)計

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

2.無線充電發(fā)送模塊設(shè)計

無線充電發(fā)送模塊原分為主控部分和驅(qū)動以及檢測電路2部分。主控電路如圖2所示，調(diào)試主控IC時請注意一下幾點：（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。

驅(qū)動以及檢測電路如圖3所示，調(diào)試驅(qū)動電路時請注意一下幾點：（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過長，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，功能是指無線充電過程中功率損耗過大而保護報警，從而避免過熱帶來的隱患，接收電流大，如果效率低，發(fā)熱會很嚴重。

3.電動小車設(shè)計

電動小車的功能主要通過無線充電接收模塊充電，實現(xiàn)自動直線行走及直線爬坡行駛。stm32嵌入式模塊檢測充電結(jié)束后控制充電直流電機，實現(xiàn)小車任務(wù)。

3.1電機驅(qū)動電路

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

3.2無線充電接收模塊

無線充電接收電路安裝在小車上，對無線發(fā)送電路發(fā)送過來的能量進行接收，并DC-DC轉(zhuǎn)換模塊升壓后存放在法拉電容上存儲。

3.3 DC-DC轉(zhuǎn)換模

DCM是一個隔離式、穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，可在未穩(wěn)壓寬范圍輸入運行，以產(chǎn)生隔離輸出。憑借其高頻零電壓開關(guān)（ZVS）拓撲結(jié)構(gòu)，DCM轉(zhuǎn)換器一直致力于為整個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)壓電源到負載點提供卓越的電源系統(tǒng)性能和連接性。

三、電路測試操作

3.1水平直線行駛

把小車水平放置在無線充電裝置的發(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啟動充電并開始計時，同時液晶顯示屏上顯示充電計時的時間、充電電壓、充電模式等信息。充電60秒后，無線充電發(fā)送模塊電路停止工作。同時小車上的stm32嵌入式控制模塊檢測到接收線圈無充電電流后，控制直流電機啟動，實現(xiàn)水平直線行駛。

經(jīng)過測試，充電小車水平直線行駛距離遠遠超過1米的任務(wù)要求，最遠距離達到了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)過測試，充電小車直線爬坡行駛距離超過1米的任務(wù)要求，最大爬坡角度達到了55度，效果較理想。

作者簡介：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)院電氣自動化專業(yè)講師，研究方向為自動控制技術(shù)、電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)。

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

（作者單位：廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）