1、福州大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)題目：姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)：指導(dǎo)教師：2021年 7 月 20 日目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1設(shè)計(jì)任務(wù)2 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.2設(shè)計(jì)進(jìn)度安排2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 2系統(tǒng)工作原理22.1整體工作方案4 HYPERLINK l bookmark35 o Cu

2、rrent Document 2.2理論分析與計(jì)算42.2.1提高超級(jí)電容充電速率42.2.2超級(jí)電容充放電43電路設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 3.1主電路設(shè)計(jì)53.1.1無線充電發(fā)射模塊和接收模塊53.1.2超級(jí)電容儲(chǔ)能電路5 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.2控制電路設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 4軟件設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 5調(diào)試過程及結(jié)果分

3、析10 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 6收獲和體會(huì)10 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 參考文獻(xiàn)11附錄121設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)無線充電電動(dòng)小車及無線充電系統(tǒng)，電動(dòng)小車可采用成品車 改制，全車重量不小于250 g，外形尺寸不大于30cmx26cm，圓形無線充電裝 置發(fā)射線圈外徑不大于20cm。無線充電裝置的接收線圈安裝在小車底盤上，僅 采用超級(jí)電容（法拉電容）作為小車儲(chǔ)能、充電元件。如圖1所示，在平板上 布置直徑為70cm的黑色圓形行駛引導(dǎo)線（線寬W2cm），均勻分

4、布在圓形引導(dǎo) 線上的A、B、C、D點(diǎn)（直徑為4cm的黑色圓點(diǎn)）上分別安裝無線充電裝置 的發(fā)射線圈。無線充電系統(tǒng)由1臺(tái)5V的直流穩(wěn)壓電源供電，輸出電流不大于 1A。（1）小車能通過聲或光顯示是否處在充電狀態(tài)。（2）小車放置在A點(diǎn)，接通電源充電，60秒時(shí)斷開電源，小車檢測(cè)到發(fā) 射線圈停止工作自行起動(dòng)，沿引導(dǎo)線行駛至B點(diǎn)并自動(dòng)停車。（3）小車放置在A點(diǎn)，接通電源充電，60秒時(shí)斷開電源，小車檢測(cè)到發(fā) 射線圈停止工作自行起動(dòng)，沿引導(dǎo)線行駛直至停車（行駛期間，4個(gè)發(fā)射線圈均 不工作），測(cè)量小車行駛距離L1，L1越大越好。1.2設(shè)計(jì)進(jìn)度安排1、查閱相關(guān)資料，搜集任務(wù)所需的元件大致方向，學(xué)習(xí)芯片資料等（一周）

5、。2、主電路設(shè)計(jì)：器件選型，學(xué)習(xí)MCU基礎(chǔ)功能的使用方法（一周）。3、小車車模搭建，焊接電路板，編寫程序（一周）。4、調(diào)試：按照各項(xiàng)需求測(cè)試并記錄測(cè)試結(jié)果，繼續(xù)調(diào)整程序以及硬件；同時(shí)撰 寫設(shè)計(jì)報(bào)告（三周）。2系統(tǒng)工作原理2.1整體工作原理該系統(tǒng)采用無線充電和超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能，用MSP430F5529進(jìn)行控制、 使其可以快速充電和按照指定要求行駛。小車會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)并到規(guī)定時(shí)間時(shí)自 行啟動(dòng)。電動(dòng)小車無線充電系統(tǒng)主要由無線充電模塊，超級(jí)電容儲(chǔ)能電路，升壓降壓 模塊，循跡模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。圖2無線充電小車系統(tǒng)框圖2.1理論分析與計(jì)算2.2.1提高超級(jí)電容充電速率采用恒流充電法。超級(jí)電容充電電壓基本

6、滿足基本呈線性變化：在充電初始 階段，超級(jí)電容器電壓上升很快，中間變化相對(duì)平緩，之后上升幅度再次加快， 在充電初始和充電末階段有明顯的電壓波動(dòng)；充電電流越大，滿充時(shí)間越短，這 也驗(yàn)證了超級(jí)電容器大電流快速充電的特點(diǎn)。2.2.2法拉電容充放電在超級(jí)電容應(yīng)用中，遇到的最多問題就是，怎樣計(jì)算一定容量的超級(jí)電容在 以一定電流放電的放電時(shí)間，或者根據(jù)放電電流及放電時(shí)間，怎樣選擇超級(jí)電容 的容量。C(F)：超電容的標(biāo)稱容量；R(Ohms)：超電容的標(biāo)稱內(nèi)阻；ESR(Ohms)： 1KZ 下等效串聯(lián)電阻；Vwork(V):正常工作電壓；Vmin(V): 截止工作電壓；t(s)：在電路中要求持續(xù)工作時(shí)間；Vd

7、rop(V)：在放電或大電流脈沖結(jié)束時(shí)，總的電壓降；I(A)：負(fù)載電流；超電容容量的近似計(jì)算公式保持所需能量二超級(jí)電容減少的能量保持期間所需能量二1/2I(Vwork+Vmin)t;超級(jí)電容減少能量=1/2C(Vwork*Vwork-Vmin*Vmin);因而，可得其容量(忽略由IR引起的壓降)電容的儲(chǔ)能公式(E為電容能量，。為電容容量，U為電容電壓)：電容從電壓U1放電到電壓U2所放出的能量為： E=。, 5。區(qū)一0, 5。片在此期間維持了七時(shí)間的I電流，電壓變化是時(shí)間的函數(shù)：釋放出的能量積分后化簡(jiǎn)得：CSU分一20 C+W=0解此方程，并且考慮物理意義，選取較大的值作為實(shí)際值，則:_ Ul

8、-Ul電容能量的計(jì)算公式為：W=0. 5CV圖4電容放電過程圖圖4電容放電過程3電路設(shè)計(jì)3.1主電路設(shè)計(jì)3.1.1無線充電發(fā)射和接收模塊無線充電發(fā)射模塊允許5V1A輸入，無線充能輸出5V1A時(shí)過程不斷電，高效 率、超大工作區(qū)域，使用方便、發(fā)熱小，充電速度快，接收模塊內(nèi)部具有完善的 過流、超溫及防輻射保護(hù)電路，并提供5V1A的輸出。圖5發(fā)射端實(shí)物圖圖圖5發(fā)射端實(shí)物圖圖6接收端實(shí)物圖3.1.2超級(jí)電容儲(chǔ)能電路超級(jí)電容儲(chǔ)能電路為了防止超級(jí)電容在充電低電壓時(shí)接近短路狀態(tài)，串聯(lián)肖 特基二極管IN5819，使其最大通過電流為1A，同時(shí)利用其反向截止的特性防止 超級(jí)電容電流倒灌回?zé)o線充電接收端。3.1.3主

9、要器件的選擇驅(qū)動(dòng)模塊選用TB6612FNG，相較于傳統(tǒng)的L298N效率上提高，體積上也大 幅減小，在額定范圍內(nèi)、芯片基本不發(fā)熱。圖8直流減速電機(jī)電機(jī)使用常規(guī)減速直流電機(jī)，減速比為1：48，其效率較高轉(zhuǎn)矩較大，方便 控制。圖8直流減速電機(jī)圖 7 TB6612FNG3.2控制電路設(shè)計(jì)升降壓模塊:TPS63020是一款高效，單電感，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。芯片效率 高達(dá)96%，工作頻率在2.4MHz。該芯片可在降壓-升壓模式之間自動(dòng)切換。由該 芯片構(gòu)成的模塊輸入電壓可在2.5V到5.5V之間。由于超級(jí)電容電壓降低為一個(gè) 過程，當(dāng)電容電壓高于3.3V時(shí)為降壓模式，當(dāng)電容電壓低于3.3V是為升壓模式。 用此電

10、壓大大降低了電路復(fù)雜程度并為單片機(jī)和TB6612提供穩(wěn)定的3.3V電壓。輸出電壓可固定或調(diào)節(jié)，范圍是1.2V到5.5V之間；靜態(tài)電流小于50UA， 最大輸出電流3A。將輸出電路串聯(lián)IN5819，即可得到不大于1A的電流，以防 止過電流擊穿單片機(jī)。名稱J參數(shù)數(shù)量超級(jí)電容5.5V10F15.5V15F1TPS63020模塊3.3V輸出1.55.5 楠入肖特基一極管IN58191撥碼開關(guān)2位1無線充電發(fā)射端模塊5V1A輸入1無線充電接收端模塊1A1 TB6612FNG15V以內(nèi)輸入1MSP43OF55291紅外循跡模塊3. 3V輸入2表1電路器件清單4軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容為編寫用于定時(shí)60s的定

11、時(shí)器功能，PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 的功能，使用外部中斷來識(shí)別傳感器尋黑線的功能。定時(shí)器部分：void after_60s()TBCCTL0 = CCIE;TBCCR0 = 49999;TBCTL = TBSSEL_2 + MC_1 + TBCLR;bis_SR_register(GIE);此為tb0定時(shí)器初始化，CCTL0為捕獲比較控制寄存器，開定時(shí)器TB中 斷允許CCR0為捕獲比較寄存器，計(jì)時(shí)到CCR0時(shí)中斷，計(jì)時(shí)50ms。CTL為控 制寄存器，SMCLK為子系統(tǒng)時(shí)鐘，頻率近似1Mhz, MC1位為選擇增計(jì)數(shù)模式， 從0計(jì)數(shù)到CCR0為止，清除存放定時(shí)的計(jì)數(shù)器。狀態(tài)SR寄存器，GIE置位使 所有

12、中斷可以處理。_interrupt void TIMERB0_ISR (void)t_60s+;if(t_60s=20*63)&(mode=1)|(mode=2)start_f=1;TBCCTL0 &= CCIE;此為定時(shí)器中斷函數(shù)，每次定時(shí)器將計(jì)時(shí) 50MS, 20次中斷應(yīng)計(jì)時(shí)1S 20*63次中斷時(shí)計(jì)時(shí)為60s，60s后置位小車啟動(dòng)標(biāo)志位，并關(guān)閉TB定時(shí)器。PWM控制電機(jī)部分void pwm_int()P2DIR |= BIT4+BIT5;P2SEL |= BIT4+BIT5;TA2CCR0 = 128;TA2CCTL1 = OUTMOD_6;TA2CCR1 = 128;TA2CCTL2

13、= OUTMOD_6;TA2CCR2 = 128;TA2CTL |= TASSEL_2 + MC_3;此為pwm初始化，將P2.4、P2.5設(shè)為輸出模式，可輸出PWM信號(hào)，選 擇P2.4、P2.5功能為第一功能TA0和TA1，也就是定時(shí)器的輸出口。在捕獲比 較控制寄存器中設(shè)置輸出模式為mode6，該模式下能夠簡(jiǎn)單的配置PWM波，其 占空比公式為占空比=(TACCR0-TACCR1)/TACCR0，初始化時(shí)設(shè)置占空比為0， TACCR1和TACCR2的值越小，輸出的PWM波占空比越高，電壓平均值越大， 電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。在CTL控制寄存器中，設(shè)置時(shí)鐘為SMCLK子系統(tǒng)時(shí)鐘，MC3 選擇模式為增減計(jì)數(shù)

14、模式，即先增至CCRX再減至0，沒有中斷。需要改變電機(jī) 轉(zhuǎn)速時(shí)只需要改變CCR1和CCR2的值就可以調(diào)整占空比。外部中斷傳感器輸入實(shí)現(xiàn)程序 void io_in()P2DIR &= (BIT6+BIT2);P2REN 1= (BIT6+BIT2);P2IEI=(BIT6+BIT2);P2IES |=(BIT6+BIT2);P2IFG &= (BIT6+BIT2);_enable_interrupt();此為外部中斷初始化，將P2.2與P2.6設(shè)為輸入模式，接收外部信號(hào)，REN設(shè) 置為給P2.2與P2.6設(shè)置上拉電阻，將不確定的信號(hào)鉗位高低電平，IE為開啟中 斷，IES置高電平為上升沿觸發(fā)即紅外

15、傳感器識(shí)別到黑線時(shí)輸出高電平信號(hào)，清 楚中斷標(biāo)志IFG，并打開系統(tǒng)總中斷。_interrupt void Port2_ISR(void) if(P2IFG & BIT2P2IFG &=BIT2;if(mode=1)right=83;left=40;else if(mode=2)right=83;left=0;P2IFG &=BIT2;else if(P2IFG & BIT6)P2IFG &=BIT6;if(mode=1)right=40;left=83;else if(mode=2)left=83;right=0;P2IFG &=BIT6;此為外部中斷函數(shù)，通過IF語句判斷是左右側(cè)傳感器檢測(cè)到

16、黑線，判斷完 成后改變CCRX的大小并清除中斷標(biāo)志。圖9程序流程圖5調(diào)試過程及結(jié)果分析1、 充電時(shí)聲音提示，使用蜂鳴器模塊，無充電時(shí)無聲音完成2、 第二、三步要求時(shí)，能夠定時(shí)60秒完成3、 第二步定時(shí)完后能夠走1/4圈小車能停在另一個(gè)小圓上完成4、 第三部定時(shí)完后小車能夠不停行走直至將電容中電能耗盡完成5、 小車充電60s時(shí)可以達(dá)到將近4V電壓完成 調(diào)試時(shí)問題分析：1、第二步小車行走時(shí)，無法停下。解決方案：改變傳感器間距，減少傳感 器的數(shù)量，簡(jiǎn)化控制的復(fù)雜程序，在要求二和要求三種給傳感器不同間距。2、充電效率低，充電60s時(shí)僅有2.5V。解決方案：改變線路連接方式，由 原來的電源側(cè)和單片機(jī)測(cè)共

17、地改為不共地連接，將單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)地全部連至升降 壓模塊后。可以防止充電時(shí)單片機(jī)和電源形成通路的情況。不足之處：小車無法從電容完全釋放時(shí)開始計(jì)時(shí)，升降壓模塊最低輸入電壓為1.5V， 于是從小車開始充電到能夠達(dá)到1.5V這段時(shí)間內(nèi)單片機(jī)無法得電計(jì)時(shí)，沒有使 用另外單獨(dú)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)時(shí)和控制充電線圈。小車充電電壓效率低，原因是沒有自制充電線圈而使用模塊。6收獲和體會(huì)這次設(shè)計(jì)我們選擇了這個(gè)題目，遇到了很多難題，從一開始完全不了解電容 充電的具體過程，無線充電的具體方式，單片機(jī)雖然有先前設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，但是只 是對(duì)IO 口的簡(jiǎn)單運(yùn)用，對(duì)這次程序需要的部分的編寫感到迷茫，但是也讓我們 收獲了很多，學(xué)會(huì)了單片機(jī)的基礎(chǔ)運(yùn)用，也學(xué)會(huì)了充電電路，控制電路的搭建； 但也有許多遺憾，沒能自己制作能夠控制充電線圈發(fā)射磁場(chǎng)以及用于定時(shí)的單片 機(jī)，導(dǎo)致對(duì)充電線圈的理解不夠，在充電效率的提高上沒有很好的改進(jìn)，更換過 一個(gè)又一個(gè)充電模塊，也檢查了一遍又一遍電路，更換其中的零件，還是無法解 決，這是我們對(duì)于理論知識(shí)的殘缺，希望能夠在接下來的學(xué)習(xí)中我們能夠增進(jìn)我 們的理論和實(shí)踐的實(shí)力，能夠更進(jìn)一步。參考文獻(xiàn)1利爾達(dá).MSP430外圍模塊功能簡(jiǎn)介EB/OL. 2011.