智能小車無線充電系統

陳子童 劉霈源 張丹童 楊文靜

（長安大學汽車學院 陜西省西安市 710018）

1 總體方案選擇

本方案在硬件架構上針對小車需要實現的目標功能進行了設計，我們通過使用STM32 單片機來實現PWM 波的輸出、定時和數據采樣等檢測功能，將單片機的實體模塊作為控制系統硬件的一個組成部分，搭建到轉換器中進入控制電路。小車采用三輪兩驅裝置，利用雙紅外傳感器來檢測識別路線，并通過PWM 算法控制左右兩輪的轉速，改變萬向輪角度，使小車按照指定黑色軌跡前進并實現定點停車。

基于硬、軟件的相互結合可以實現電動小車的紅外快速循跡、自動對正充電線圈、無線充電、充電定時自啟動等功能。在給小車超級電容進行充電時，其充電電源是不同頻率的直流電，該直流電由小車車身上所搭載的無線充電系統的接收端產生；超級電容在高速放電時，電容本身可以充當輸出電源，其經雙向DC-DC 的升壓模塊進行高速升壓后，電壓可分別向單片機和小車的兩個驅動電機提供穩定的電壓。

2 系統的模塊設計與選擇

2.1 無線充電小車的設計

2.1.1 主控模塊單片機

選用STM32 單片機作為無線電動智能小車的一個重要核心部件：主控控制系統。STM32 運行最高速度72 MHz，外設接口條件豐富，功能齊全，有一個端口高達51 個的快捷高速I/O 傳輸端口，相對于其他的小型單片機，主頻高，集成廣，能耗低，適應力強，操作簡單，調試方便。并且能精準采樣，來調整兩個電機轉速，以此實現變速轉向。

2.1.2 紅外循跡電路模塊

我們選擇TCRT5000 傳感器，通過發射接收二極管不斷地發射接收的紅外信號，來實現方向調整。當檢測到反射紅外信號強度不夠時，光敏三極管保持在已關斷狀態，此時該傳感模塊輸入端是高電平，指示二極管始終保持在熄滅狀態；當檢測到足夠的信號強度時，光敏三極管達到了飽和，該傳感模塊的信號輸入端由高電平變成了低電平狀態，指示二極管此時為點亮狀態。即當小車底部紅外接收器的一側的接收管遇到黑帶軌跡時，可以檢測到輸入電平為高電平，反之，輸入電平為低電平。

根據單片機的工作方式，利用程序控制兩側驅動電機的轉速，可以改變小車的行駛方向，使小車通過連續檢測和方向調整，沿著黑線行駛。本項目創新的采用了雙尋跡模塊的方法來實現小車的精準停車，其中一個模塊負責實現小車的直線行駛，另一個模塊則識別停車線，當其識別到停車線時，小車自動停車。

2.1.3 無線充電模塊

圖1：身份識別與智能計費裝置電路圖

圖2：身份識別與智能計費裝置

無線小車充電控制模塊由無線小車充電的發射端充電線圈和接收端充電線圈這兩個部分組成。為從小車上的接收端線圈中獲得額定電壓，必須在此充電過程中同時產生一個非常高頻率的無線電磁波。即選擇能夠產生高頻的PWM 諧波的高頻芯片，或直接通過使用高頻交流電源與ZVS 波進行信號轉換，都是可降低實現技術難度且較為安全的理想解決辦法。經過嘗試，我們選擇購買使用QI標準，最大輸出功率為10w，直徑5cm 的線圈作為無線充電模塊，來給小車充電。

2.1.4 超級電容儲能模塊

我們采用大小為10F 的超級電容作為儲能模塊，利用了超級電容電壓與電量成正比的特點，對其進行電量估計，避免了電池SOC閾值難以估計的問題。將其連接到無線充電接收線圈的一端，利用該線圈上所獲得的電壓，對電容進行充電。

圖3：軟件設計示意圖

2.1.5 穩壓降壓模塊

由于輸出電壓過大很有可能會對單片機控制電路造成一定的破壞，因而選擇了AMS1117 穩壓模塊的設計，使得輸出電壓保持穩定在3.3V，輸出電流保持在800mA。

2.1.6 自動升降壓模塊

考慮到電容輸出電壓存在一定的不穩定性且電壓較低，我們設計了自動升降壓模塊。采用 TPS63020 模塊，它是一種高效的單電感降壓-升壓轉換器，可在降壓-升壓模式之間自動切換。由該芯片構成的模塊輸入電壓可在2.5V 到5.5V 之間，輸出電壓可調節，范圍是2.8V 到5.5V 之間；靜態電流小于50μA，最大輸出電流3A。我們選用兩個TPS63020 模塊，無線電源充電器的接收器和線圈的一個兩路模塊輸入輸出電壓分別被輸送到兩個兩路模塊間的in口，其中一路模塊通過自動方式升高下降壓縮器模塊在out 兩口之間輸出穩定的5V 輸出電壓，用于兩路驅動直流電機對該模塊進行供電。另一路模塊輸出5V 的直流電壓后，經過電壓減少的直流降壓電路模塊AMS1117，將獲得的3.3V 的直流電壓供給STM32 單片機電路。

2.1.7 電機驅動模塊

電機元件驅動控制模塊選擇L9110S 型的芯片組，來實現對驅動電機的控制。L9110S 是專用于驅動集成電路的重要元件，可以大大提高驅動整機的工作可靠性。該處理單元控制芯片共同時配備兩個終端TTL/CMOS，可以兼容高頻隨機電平的峰值輸入，具有良好的機械耐磨性和較高的抗干擾能力；兩個峰值輸出控制端均有良好的輸入電流電壓驅動控制能力，可直接實現驅動一臺高頻電機的正反向高速運動，每個峰值輸出控制通道都應擁有一個終端能夠同時經歷800mA 的連續輸入電流，峰值飽和輸出輸入電流的電壓驅動控制能力最高精度可以保持到1.5A；同時它們也同樣具有比較低的峰值輸入電流飽和輸出壓降，使得智能小車的驅動更加穩定平順。

2.1.8 OLED 顯示模塊

我們選用了大小為0.96 寸的OLED 顯示模塊來顯示充電指示信息。指示信息包括充電狀態（未充電、正在充電），電容電量百分比，已充電時長等信息。該款OLED 顯示屏具有分辨率高，可視角度大的特點，且支持STM32 單片機，功耗較低，通信方式簡單。

2.2 身份識別與智能計費系統設計

身份識別與智能計費裝置電路圖如圖1 所示。

2.2.1 主控模塊單片機

采用高性能89C52 單片機作為身份識別系統的核心主控模塊，89C52 操作簡單，調試方便，能夠讀取RFID-RC522 射頻卡信號并發送到串口上，實現身份信息的處理和識別顯示。

2.2.2 RFID-RC522 感應模塊

這款通信芯片，具有低電壓、低成本、體積小的特點，集成了13.56MHz 下所有類型的被動非接觸式電子閱讀卡通信的調制方式和通信協議。模塊的連接通訊系統主板采用的輸出、輸入電壓的控制范圍一般為0~3.3V，通過連接SPI 兩個接口的幾條簡單的連接線，便能夠直接與模塊系統主板中的每個用戶的任意一個CPU 或者多個主板接口進行通信，可以確保整個模塊系統運行工作的穩定性和可靠性。而且這款感應模塊的感應距離遠，符合我們的要求。

2.2.3 顯示模塊

LCD12864 是一種互動圖形顯示點陣式中文液晶數字顯示器，內置有多種中文拼音字庫，可以自動配合其他數字單片機的軟件實現各種中文拼音、漢字、英文注音字符和字體圖形等的顯示。因為該顯示模塊具有系統功耗低、顯示快和顯示內容豐富等優點，在許多工業顯示領域已經得到了廣泛的應用。硬件通過CGROM 中文來選定目標輸出的各種字體符號類型并將其在屏幕上進行顯示。

我們結合射頻卡模塊的感應信號，將無線充電系統的充電狀態，小車的充電時長，處于充電中的小車身份（序號）等信息顯示在這塊LCD 屏幕上。我們還設定了小車的充電計費規則，即“每分鐘兩元”（示意），使得小車充電結束駛離停車位的時候，屏幕上可以顯示出小車充電的費用。

2.2.4 按鍵功能與工作過程

圖2 所示的LCD 屏幕正處于系統未識別到小車信號時的初始界面。初始界面顯示“充電計費系統”、“請駛入車位”、以及充電價格等字樣。當小車駛入無線充電車位后，RFID-RC522 感應模塊開始識別小車所攜帶的身份信息卡，LED屏幕會顯示識別到的“小車序號”以及小車的“充電時長”等信息；當小車駛離無線充電車位后，RFID-RC522 感應模塊對小車所攜帶的身份信息卡識別終止，LED 屏幕會顯示“充電完成”字樣，以及總充電時長和充電費用。

圖中按鍵“1”為智能無線充電車位收費價格下調按鍵，摁下按鍵“1”2s 后即可下調LED 屏幕中顯示的單價。按鍵“2”為智能無線充電車位收費價格上調按鍵，同理，摁下按鍵“2”2s 后即可上調單價。

3 系統軟件設計

我們設計的系統的主控芯片采用STM32 單片機，輔助芯片采用52 單片機，軟件上可以利用STM32 來實現PWM 波的輸出、數據采樣檢測以及定時等特殊功能，將單片機的實體化作為主要硬件的組成部分，搭建并配置進來控制電路的模塊。基于硬、軟件相互結合可以實現電動小車的紅外循跡行駛、自動停車、充電線圈自動校準、無線充電等功能。單片機的運行電壓為3V，由電容提供。此外，STM32 單片機還具有較多的庫函數，為我們編程提供了便利。

軟件設計示意圖如圖3 所示。