基于STM32的電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)

鄭佳蕙 厲俊

摘 ?要： 本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為主控，超級(jí)電容為儲(chǔ)能核心控件，采用無(wú)線充電技術(shù)，將電感線圈的耦合能量傳遞給超級(jí)電容，利用超級(jí)電容儲(chǔ)存的電能作為電源驅(qū)動(dòng)小車。并且通過(guò)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了小車的紅外循跡功能。系統(tǒng)共包括：低功耗的STM32主控模塊、超級(jí)電容組儲(chǔ)能模塊、無(wú)線充電模塊、定時(shí)充電模塊、自啟動(dòng)模塊、自動(dòng)升壓電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。該電動(dòng)小車實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)無(wú)線充電及定時(shí)自啟動(dòng)完成軌道循跡的功能。

關(guān)鍵詞： STM32單片機(jī);超級(jí)電容;無(wú)線充電;軌道循跡;定時(shí)自啟動(dòng)

中圖分類號(hào)： TP242 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.052

本文著錄格式：鄭佳蕙，厲俊. 基于STM32的電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)[J]. 軟件，2020，41（01）：240244

【Abstract】： The design is dominated by STM32 single-chip microcomputer. The super capacitor is the energy storage core control. The wireless charging technology is used to transfer the coupling energy of the inductor coil to the super capacitor， and the electric energy stored by the super capacitor is used as the power source to drive the trolley. And by improving the mechanical structure， the infrared tracking function of the trolley is realized. The system includes： low-power STM32 main control module， super capacitor group energy storage module， wireless charging module， timing charging module， self-starting module， automatic boosting power module and motor driving module. The electric trolley realizes the function of dynamic wireless charging and timing self-starting to complete track tracking.

【Key words】： STM32 microcontroller; Super capacitor; Wireless charging; Track tracking; Timing self-starting

0 ?引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，智能電動(dòng)小車已經(jīng)慢慢進(jìn)入我們的生活，例如倉(cāng)庫(kù)貨運(yùn)的物流小車、防盜巡查的安保小車、排除險(xiǎn)情的探測(cè)小車、智能家居的服務(wù)小車等[1]，能夠自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并躲避障礙物，選擇正確的行進(jìn)路線，在安全防范、物流交通、檢測(cè)評(píng)估、生活便利方面都提供了很大的幫助。但是傳統(tǒng)的電動(dòng)小車多采用有線模式，充電易受電源線老化、電池容量過(guò)小、插電火花，插頭磨損等影響，無(wú)法持續(xù)、安全工作，而超級(jí)電容儲(chǔ)能特性和無(wú)線充電技術(shù)的迅速發(fā)展為這一問(wèn)題提供了解決辦法。

無(wú)線充電主要利用能量發(fā)送裝置和能量接收裝置進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，擺脫了傳輸線束縛[2]。雙向DC-DC電路通過(guò)控制功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的通斷，加大輸出端的電壓、電流，能從根本上提高電動(dòng)小車?yán)m(xù)航能力。而同時(shí)超級(jí)電容的迅猛發(fā)展，使得它在新能源汽車領(lǐng)域備受關(guān)注，不僅其充電速度快、存儲(chǔ)容量大，還能量轉(zhuǎn)換率高，更符合電動(dòng)小車對(duì)于輕便、節(jié)能電源的要求。

1 ?電動(dòng)小車總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在硬件結(jié)構(gòu)上對(duì)小車的車身搭載電路進(jìn)行了充分設(shè)計(jì)改造，軟件上利用STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM波輸出、定時(shí)和采樣檢測(cè)的功能，將單片機(jī)實(shí)體作為硬件的一部分搭建進(jìn)電路模塊。由此，硬、軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)小車紅外循跡、車輪智能變速、高續(xù)航能力、無(wú)線充電斷電自啟動(dòng)等功能[3]。超級(jí)電容充電時(shí)，小車車身上搭載的無(wú)線充電線圈接收端感應(yīng)到發(fā)射端產(chǎn)生持續(xù)的直流電，將其作為超級(jí)電容的充電電源。超級(jí)電容放電時(shí)，電容本身作為電源，通過(guò)雙向DC-DC的升壓端進(jìn)行升壓后，電壓分別給單片機(jī)穩(wěn)定供電和為電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 ?電動(dòng)小車的模塊設(shè)計(jì)與選擇

2.1 ?主控模塊單片機(jī)的選用

采用超低功耗的STM32單片機(jī)作為無(wú)線電動(dòng)小車的核心主控模塊，STM32是低電壓、高性能的ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器。STM32外設(shè)豐富，功能齊全，有高達(dá)112個(gè)的快速I/O端口、11個(gè)定時(shí)器、13個(gè)通信接口[5]，相對(duì)于其他單片機(jī)，主頻高，集成廣，低能耗，適應(yīng)強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。它能通過(guò)內(nèi)置定時(shí)器產(chǎn)生三路占空比不同的PWM波，從而實(shí)時(shí)改變PWM波的頻率，實(shí)現(xiàn)小車的自啟動(dòng)功能。并且能精準(zhǔn)采樣，調(diào)整兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)智能變速。

2.2 ?紅外循跡電路模塊的選用

電動(dòng)小車總體電路主要由光電傳感電路、電壓比較電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3個(gè)部分組成，LED發(fā)光二極管投射到黑色和白色部分的反射率不同，即反射回來(lái)的光線亮度不一樣，光敏電阻接收到的光線亮度不一樣，導(dǎo)致阻值會(huì)產(chǎn)生變化，分壓得到的電壓值也隨著變化。LM393比較兩路光敏電阻分壓的大小，如果正向輸入IN+的電壓大于反向輸入IN-的電壓，對(duì)應(yīng)的OUT就輸出高電平，反之輸出低電平。輸出兩路電平信號(hào)到三極管8550的基極[8]，控制兩側(cè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而修正小車行進(jìn)的方向，使得小車沿著黑色軌跡前進(jìn)。紅外循跡模塊電路圖如圖2所示。

2.3 ?無(wú)線充電模塊的選用

無(wú)線充電模塊由無(wú)線充電發(fā)射端線圈和無(wú)線充電接收端線圈構(gòu)成，若要小車上的接收線圈獲取電壓，則必須產(chǎn)生高頻率的電磁波。而選用產(chǎn)生高頻PWM波的芯片或者直接利用直流電源結(jié)合ZVS變換系數(shù)[6]都是實(shí)現(xiàn)難度較大和安全系數(shù)較低的方案。由于市場(chǎng)上手機(jī)無(wú)線充電設(shè)備的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，安全系數(shù)較高，直接改造現(xiàn)成的手機(jī)無(wú)線充電配套線圈是最理想的方案，因此我們選用手機(jī)無(wú)線充電配套線圈作為無(wú)線充電模塊，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)小車。

2.4 ?超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊的選用

儲(chǔ)能模塊選用了5.5 V的超級(jí)電容，實(shí)現(xiàn)電池充放電的性能。超級(jí)電容本身原理與普通電容相似，而它的優(yōu)點(diǎn)在于充電速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、過(guò)程損失小、能量循環(huán)效率≥90%、安全系數(shù)高以及容量大，不僅輕便耐用，還綠色環(huán)保。利用標(biāo)稱電壓5.5 V，即最大單個(gè)超級(jí)電容能夠承受5.5 V的電壓的特點(diǎn)，串聯(lián)兩個(gè)同樣的超級(jí)電容，使整體耐受電壓達(dá)到10 V左右。將超級(jí)電容接到無(wú)線充電線圈的接收端[4]，利用線圈上獲得的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容的穩(wěn)定充電。雖然串聯(lián)兩個(gè)超級(jí)電容會(huì)使得其總電容容量縮小一半，但是超級(jí)電容能更高效地釋放電機(jī)的額定電壓才是續(xù)航的核心。

2.5 ?升壓模塊的設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步增強(qiáng)電動(dòng)小車的續(xù)航能力，將升壓電路接入超級(jí)電容，以滿足電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)的需求。升壓模塊采用雙向DC-DC模塊中的升壓部分，相比于純Boost電路，它的優(yōu)點(diǎn)在于二極管兩端并聯(lián)了一個(gè)MOS管，自舉回路不會(huì)變成低阻回路，解決了電路在小電流時(shí)無(wú)法滿足 的線性條件[7]。CSD19535KCS是一個(gè)非常合適的MOS場(chǎng)效應(yīng)管，柵源電壓在2.7V的小電壓下就能導(dǎo)通，適合移動(dòng)中的電動(dòng)小車，因此用CSD19535KCS替代了常用的IRF540。穩(wěn)壓模塊電路原理圖如圖3所示。

2.6 ?穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)

由于過(guò)大的輸出電壓直接輸入單片機(jī)的供電接口，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞單片機(jī)的性能，甚至使其中途停止工作。因此，穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)采用L7809和AMS1117模塊，L7809穩(wěn)壓輸出9 V，AMS117將5 V及以上的電壓轉(zhuǎn)3.3 V，將5 V的輸入電壓輸入IN口，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊在OUT口出穩(wěn)定的3.3 V電壓，用于STM32供電。使得該模塊能夠正常工作的輸入電壓在直流4.5 V-7 V時(shí)，輸出3.3 V，800 mA。穩(wěn)壓模塊無(wú)需額外的電源[5]給它供電，并帶有電源指示燈，使用方便，同時(shí)安全性較高，電源擴(kuò)展接口豐富。穩(wěn)壓模塊電路原理圖如圖4所示。

3 ?電動(dòng)小車的軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)小車的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用Keil5作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用于處理電機(jī)轉(zhuǎn)速和定時(shí)自啟動(dòng)的功能及控制電動(dòng)小車的運(yùn)行。系統(tǒng)程序采用模塊化方式設(shè)計(jì)，主要包括PWM輸出，ADC電壓采樣和定時(shí)自啟動(dòng)程序等，根據(jù)流程圖各功能模塊的算法程序設(shè)計(jì)：在程序開(kāi)始對(duì)各功能模塊進(jìn)行初始化，啟動(dòng)電動(dòng)小車。小車在前進(jìn)的過(guò)程中，不停的檢測(cè)與紅外探頭采樣和電機(jī)采樣相連的單片機(jī)I/O 口，一旦查詢到I/O 口有信號(hào)[13]，就進(jìn)入相應(yīng)的子程序其執(zhí)行程序，控制小車的運(yùn)行。在小車運(yùn)行的過(guò)程中，不斷的重復(fù)上述過(guò)程，使小車在行使過(guò)程中實(shí)現(xiàn)智能變速和高續(xù)航的功能。圖5為電動(dòng)小車軟件設(shè)計(jì)流程圖。

3.1 ?PWM波的輸出

車輪轉(zhuǎn)速取決于電機(jī)兩端電壓的大小，通過(guò)STM32單片機(jī)采樣檢測(cè)電機(jī)兩端電壓大小和前端紅外探頭并聯(lián)的電容電壓大小來(lái)控制單片機(jī)輸出PWM波的頻率，PWM波在高電平時(shí)導(dǎo)通CSD19535KCS的MOS管，小車車輪轉(zhuǎn);PWM波在低電平時(shí)，CSD19535KCS的MOS管不導(dǎo)通[7]，小車車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，PWM高低電平相互交替，由此達(dá)到控制車輪開(kāi)關(guān)。脈沖寬度調(diào)制模式可以生成一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)頻率由ARR寄存器值決定，其占空比則由CCR寄存器值決定。程序片段如下：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;

//設(shè)置在下一個(gè)更新事件裝入活動(dòng)的自動(dòng)重載寄存器周期的值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;

//設(shè)置用來(lái)作為TIM1時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//TIM向上計(jì)數(shù)模式

void TIM_SetCompare3（TIM_TypeDef* TIMx， uint16_t Compare3）

{

/* Check the parameters */

assert_param（IS_TIM_LIST3_PERIPH（TIMx））;

/* Set the Capture Compare3 Register value */

TIMx->CCR3 = Compare3;

}

3.2 ?ADC電壓采樣

在動(dòng)態(tài)充電過(guò)程當(dāng)中，電動(dòng)小車遇到黑色充電線圈，紅外探頭的光敏電阻兩端電壓就會(huì)大幅減小，STM32單片機(jī)通過(guò)ADC采樣的兩個(gè)通道同時(shí)檢測(cè)到兩端紅外的電阻電壓減小，則通過(guò)改變寄存器CCR的值來(lái)降低PWM波的輸出頻率，使電動(dòng)小車在經(jīng)過(guò)充電線圈的車速放慢[1]，延長(zhǎng)充電時(shí)間。程序片段如下：

u16 Get_Adc（u8 ch）

{ unsigned int result=0;

unsigned char i;

//設(shè)置指定ADC的規(guī)則組通道，設(shè)置他們的轉(zhuǎn)化順序和采樣時(shí)間

ADC_RegularChannelConfig（ADC1， ch， 1， ADC_SampleTime_239Cycles5 ）;

//ADC1，ADC通道ch，規(guī)則采樣順序值序列為1，采樣時(shí)間為239.5周期

for（i=0;i<8;i++）

{

ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1， ENABLE）;

// 使能指定的ADC1的軟件轉(zhuǎn)換啟動(dòng)功能

while（！ADC_GetFlagStatus（ADC1， ADC_FLAG_EOC ））;//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 ? ? ? ?result+=ADC_GetConversionValue（ADC1）;

}

result=result/8; //取8次采樣的平均值

return result; //返回平均值

}

3.3 ?定時(shí)自啟動(dòng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)小車充電一分鐘后自行啟動(dòng)的功能，需要STM32單片機(jī)完成1分鐘的定時(shí)設(shè)置。SysTick是一個(gè)24位的倒計(jì)數(shù)定時(shí)器[11]，當(dāng)計(jì)到0時(shí)，將從RELOAD寄存器中自動(dòng)重裝載定時(shí)初值。程序片段如下：

void delay_ms（u16 nms）

{

u32 temp;

SysTick->LOAD=（u32）nms*fac_ms; ?//時(shí)間加載（SysTick->LOAD為24bit）

SysTick->VAL =0x00; ? ?//清空計(jì)數(shù)器

SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ; //開(kāi)始倒數(shù)

do

{temp=SysTick->CTRL;}

while（（temp&0x01）&&！（temp&（1<<16）））; //等待時(shí)間到達(dá)

SysTick->CTRL&=～SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //關(guān)閉計(jì)數(shù)器

SysTick->VAL =0X00; ? ? //清空計(jì)數(shù)器

}

4 ?測(cè)試方案與結(jié)果

首先進(jìn)行充電檢測(cè)，對(duì)超級(jí)電容無(wú)線充電一分鐘，二極管指示燈亮起表明處于充電狀態(tài)，使用萬(wàn)用表記錄測(cè)量結(jié)果。超級(jí)電容充電電壓記錄如表1所示。

充電電源開(kāi)啟，單片機(jī)定時(shí)一分鐘后，小車立即自行啟動(dòng)，向前水平直線行駛，直至能量耗盡，重復(fù)六次操作記錄數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

電動(dòng)小車整體實(shí)物圖如圖6所示。

5 ?結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于STM32單片機(jī)的電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)模塊的選用和軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，具有良好的擴(kuò)展性和可升級(jí)性。該系統(tǒng)利用無(wú)線充電技術(shù)結(jié)合雙向DC-DC升壓電路和超級(jí)電容儲(chǔ)能特性，通過(guò)STM32控制，完成電動(dòng)小車長(zhǎng)距離行駛。經(jīng)過(guò)多次無(wú)線充電測(cè)試以及水平軌道行駛，超級(jí)電容充電效率穩(wěn)定在85%以上，電動(dòng)小車表現(xiàn)穩(wěn)定，續(xù)航能力可觀，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

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