智能小車(chē)教學(xué)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

曹 蘭

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，福建 漳州 363000)

0 引言

為了解決能源的利用率低、減少對(duì)環(huán)境的污染等問(wèn)題，電動(dòng)型小車(chē)受到世界各國(guó)越來(lái)越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的電動(dòng)小車(chē)充電時(shí)需要有特定的充電車(chē)位，并且每個(gè)品牌的車(chē)都有其對(duì)應(yīng)的充電器，彼此之間并不通用。所以有線(xiàn)充電存在著一系列問(wèn)題：充電車(chē)位被占、必須采用匹配的充電器、插拔充電導(dǎo)線(xiàn)時(shí)具有漏電危險(xiǎn)等等，因此，無(wú)線(xiàn)充電小車(chē)不需要各種連接設(shè)備，具有使用方便，安全性好的特點(diǎn)[1～3]就成為有效解決此問(wèn)題的方法之一。

1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)充電對(duì)象是小車(chē)，并不要求太遠(yuǎn)的傳輸距離，只需較高的傳輸功率，讓小車(chē)自啟動(dòng)后可以行駛更長(zhǎng)路程。因此，選擇電磁感應(yīng)式充電技術(shù)。由XKT-412、T3169、XKT-335和兩個(gè)線(xiàn)圈組成無(wú)線(xiàn)充電電路[4，5]。用單片機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)充電電源的通斷，進(jìn)而控制超級(jí)電容的充放電，實(shí)現(xiàn)小車(chē)充電的斷電自啟動(dòng)，超級(jí)電容放電后經(jīng)DC-DC升降壓模塊為小車(chē)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)[6]。本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)[7，8]如圖1.

圖1 系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)采用STC15單片機(jī)最小系統(tǒng)作為定時(shí)控制繼電器的通斷，同時(shí)通過(guò)電流傳感器測(cè)量充電電流，并在數(shù)碼管上顯示；繼電器模塊控制無(wú)線(xiàn)充電模塊的電源通斷；無(wú)線(xiàn)充電接收模塊對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能；自啟動(dòng)模塊通過(guò)MOS開(kāi)關(guān)管控制小車(chē)的自啟動(dòng)；超級(jí)電容放電經(jīng)DC-DC升降壓模塊為小車(chē)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

STC15最小系統(tǒng)硬件上包含供電、時(shí)鐘、燒寫(xiě)、數(shù)碼管顯示。由于本設(shè)計(jì)的控制較為簡(jiǎn)單，不需要其他復(fù)雜的功能，只需要1分鐘的定時(shí)，時(shí)間到則用I/O口來(lái)控制繼電器斷開(kāi)。綜上，考慮用STC15單片機(jī)。

1.1 繼電器模塊

繼電器控制如圖2所示。I/O口輸出經(jīng)過(guò)三極管Q1放大驅(qū)動(dòng)繼電器工作，當(dāng)I/O口輸出“1”時(shí)，NPN管導(dǎo)通，繼電器閉合，無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射端的電源接通；1分鐘定時(shí)到，I/O口輸出“0”， NPN管截止，繼電器切換至常開(kāi)，當(dāng)電源斷開(kāi)，則停止充電。在斷電時(shí)所產(chǎn)生的繼電器線(xiàn)圈自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)被二極管4148吸收，以防止過(guò)大的自感電動(dòng)勢(shì)擊穿三極管。

圖2 繼電器模塊電路

1.2 HCS-LTS-06A電流傳感器

HCS-LTS系列傳感器是磁場(chǎng)傳感器，當(dāng)一條電流多次穿過(guò)傳感器就會(huì)使得產(chǎn)生的電磁場(chǎng)加倍，其疊加效果與穿過(guò)次數(shù)有關(guān)。在傳感器的空心部分用漆包線(xiàn)繞18圈實(shí)現(xiàn)電流傳感器以1 A的量程。在傳感器監(jiān)測(cè)到6 A的電流強(qiáng)度時(shí)，實(shí)際通過(guò)單根線(xiàn)的電流約為6/18 A=1/3 A，每單位IPN的電流電壓變化為0.625 V，傳感器所能達(dá)到的最大輸出電壓為4.5 V，所以理論上可以測(cè)量電流范圍：(4.5-2.5)/0.625*6=19.2 A.轉(zhuǎn)換為單根通過(guò)的電流為19.2/18=1.066 A.滿(mǎn)足其作為1 A量程的傳感器使用。測(cè)量傳感器在實(shí)際使用中電流與輸出電壓的關(guān)系，如表1所示：

表1 實(shí)際電流與輸出電壓關(guān)系表

1.3 無(wú)線(xiàn)充電模塊

無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射模塊如圖3所示，由XKT-412、XKT-335芯片及少量外圍元器件組成，電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。XKT-412和XKT335主要功能將直流轉(zhuǎn)換成交流，然后通過(guò)電感線(xiàn)圈將電能發(fā)射，由頻率的計(jì)算公式：

(1)

代入數(shù)值可計(jì)算，本設(shè)計(jì)所選模塊的發(fā)射頻率f約為107 kHz.

其搭配的通用接收模塊由XKT-3169芯片和少量外圍電路組成[9，10]，接收到的交流通過(guò)二極管整流，電容濾波，芯片將輸出電壓穩(wěn)定在5 V.圖3模塊工作電壓為9～12 V，實(shí)際工作電流隨著接收負(fù)載電流的變化而變化；接收模塊如圖4所示，其最大輸出為5 V、2 A.但是在本次設(shè)計(jì)中，采用9 V、不大于1 A的電源輸入，所以達(dá)不到理論上的最大輸出值。

圖3 無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射模塊

圖4 無(wú)線(xiàn)充電接收模塊

1.4 超級(jí)電容

超級(jí)電容是一種介于傳統(tǒng)電容和電池之間充放電速度極快的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。在充電時(shí)，容量可以在幾十秒內(nèi)達(dá)到95%；且大電壓下也不易損壞，安全性強(qiáng)；循環(huán)使用時(shí)間長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)上萬(wàn)次充放電。無(wú)線(xiàn)充電模塊最大輸出為5 V、2 A，充電時(shí)間為1 min.由能量公式：

E1=UIt

(2)

代入數(shù)值可計(jì)算，輸出最大能量為600 W.

超級(jí)電容存儲(chǔ)能量時(shí)，電壓從0 V升至耐壓值U2，所存儲(chǔ)的能量值：

(3)

令E1=E2，即可計(jì)算出超級(jí)電容的容量。超級(jí)電容的耐壓值根據(jù)無(wú)線(xiàn)充電模塊的最大輸出，應(yīng)大于5 V.由公式計(jì)算可知，當(dāng)耐壓值為5.5 V時(shí)，超級(jí)電容容量為39 F左右。但實(shí)際上，無(wú)線(xiàn)充電模塊的輸出根本達(dá)不到2 A的電流，經(jīng)多次測(cè)量顯示，選用單個(gè)超級(jí)電容為5.5 V、15 F時(shí)，充電結(jié)束后超級(jí)電容兩端的電壓最大不超過(guò)為4 V.綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇15 F、5.5 V的超級(jí)電容。

1.5 DC-DC升降壓模塊

如圖5所示，超級(jí)電容放電時(shí)，電壓逐漸降低，電壓過(guò)低時(shí)，需將電壓升高才能有效利用超級(jí)電容的儲(chǔ)能特性，更好地驅(qū)動(dòng)電機(jī)[11,12]。本設(shè)計(jì)采用由TPS63020芯片及外圍電路構(gòu)成的升降壓模塊，它能自動(dòng)切換Buck、Boost模式，VIN范圍在1.8 V～5.5 V內(nèi)，VOUT可保證穩(wěn)定，同時(shí)效率高達(dá)96%.參考TPS63020的芯片手冊(cè)，VFB為0.5V，輸出電壓由R1、R2決定：

(4)

本設(shè)計(jì)中VOUT為5 V，所以R1為470 kΩ，R2為4.7 MΩ.TPS63020模塊如圖2～6所示：

圖5 TPS63020模塊

1.6 自啟動(dòng)模塊

小車(chē)充電1 min后自行啟動(dòng)，在無(wú)線(xiàn)充電接收端設(shè)計(jì)一個(gè)充電檢測(cè)電路，檢測(cè)到低電平時(shí)，小車(chē)自行啟動(dòng)。充電檢測(cè)電路采用MOS管作為開(kāi)關(guān)管，MOS價(jià)格較貴，但功耗低，常用作電源開(kāi)關(guān)以及大電流場(chǎng)合開(kāi)關(guān)電路。考慮到消耗的能量大小問(wèn)題，二極管為耗能較少的肖特基二極管[13]。具體電路如圖6所示：

圖6 自啟動(dòng)模塊

該電路由P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管SI2301、二極管及其他外圍電路組成。充電開(kāi)始時(shí)，無(wú)線(xiàn)充電接收輸出為高電平，D4、D5正向?qū)ǎ珼6反向阻斷，PMOS管截止，充電開(kāi)始；1 min后充電結(jié)束，輸出為低電平，D4、D5反向阻斷，D6正向?qū)ǎ琍MOS管導(dǎo)通，超級(jí)電容經(jīng)過(guò)TPS63020模塊為電機(jī)供電，達(dá)到小車(chē)自啟動(dòng)的目的[14]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)充電小車(chē)是用STC15單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，在數(shù)碼管上顯示充電電流值。定時(shí)1 min開(kāi)始，單片機(jī)P0.0口輸出高電平，繼電器閉合，接通無(wú)線(xiàn)充電模塊電源為超級(jí)電容充電，同時(shí)P1.0開(kāi)始對(duì)充電電流進(jìn)行采樣，并在數(shù)碼管上顯示值；計(jì)時(shí)1 min到，P0.0口輸出低電平，繼電器斷開(kāi)，切斷無(wú)線(xiàn)充電的電源，超級(jí)電容放電為電機(jī)供電，小車(chē)自啟動(dòng)。主流程圖如圖7所示：

圖7 主流程圖

3 測(cè)試結(jié)果與分析

小車(chē)的機(jī)械部分由兩輪亞克力板玩具小車(chē)組裝而成，總重量約300 g.在測(cè)試過(guò)程中，如果兩線(xiàn)圈距離太近(小于1.5 mm)時(shí)，會(huì)造成充電電流超過(guò)1A，即不滿(mǎn)足測(cè)試條件。所以，所有測(cè)試均基于兩線(xiàn)圈間隔不小于1.5 mm的情況。經(jīng)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，充電過(guò)程受環(huán)境因素影響較大，特別是電子產(chǎn)品、金屬的影響，所以測(cè)試過(guò)程中減少這類(lèi)物體的靠近，以免降低測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。

3.1 線(xiàn)圈距離和水平行駛距離測(cè)試

測(cè)試前，小車(chē)先充電、放電運(yùn)行數(shù)次，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量超級(jí)電容兩端的電壓為零。提供9 V、不大于1 A的電源，兩線(xiàn)圈的間隔為1.5 mm，對(duì)超級(jí)電容充電1 min，充電結(jié)束，小車(chē)自啟動(dòng)開(kāi)始水平向前行駛，速度為零時(shí)，測(cè)量小車(chē)水平運(yùn)動(dòng)距離。多次改變兩線(xiàn)圈距離的距離，重復(fù)上述測(cè)試。測(cè)量數(shù)據(jù)如表2.

表2 線(xiàn)圈距離和水平行駛距離測(cè)試

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)充電線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈距離為1～3 mm時(shí)，充電的效果較好，小車(chē)最遠(yuǎn)可行駛約18 m；當(dāng)充電線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈距離為8 mm時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量為1.76 V，TPS63020模塊在輸入電壓不小于1.8 V時(shí)，才能輸出穩(wěn)定5 V，所以此時(shí)無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)，小車(chē)不能行駛。

3.2 爬坡測(cè)試

提供9V、不大于1 A的電源，對(duì)超級(jí)電容充電1 min，開(kāi)始爬坡測(cè)試，直至小車(chē)停止。小車(chē)受自身重量、輪子及斜坡的光滑程度影響，小車(chē)最大爬坡角度約為13°，爬坡長(zhǎng)度約2 m.

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用電磁感應(yīng)充電技術(shù)及超級(jí)電容儲(chǔ)能特性，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)定時(shí)充電1 min，放電后自行啟動(dòng)，水平行駛距離可達(dá)約18 m，在傾斜角為13°的斜坡可行駛約2 m.實(shí)踐證明了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可行性。本設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的問(wèn)題：由于無(wú)線(xiàn)充電輸出電壓恒定，電流受負(fù)載影響的特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)充電模塊對(duì)超級(jí)電容充電效率會(huì)有所限制。其次，小車(chē)的爬坡能力有待提高。

Classification approach based on conditional database covering

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