2018年TI杯大学生电子设计竞赛 C题：无线充电电动小车（本科

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2018年TI杯大学生电子设计竞赛 C题：无线充电电动小车（本科 [复制链接]

 

 

1. 任务 设计并制作一个无线充电电动车，包括无线充电装置一套。电动小车机械部分可采用成品四轮玩具车改制。外形尺寸不大于30cm                              26cm，高度重量不限。 2．要求 （1）制作一套无线充电装置，其发射器线圈放置在路面。发射器采用具有恒流恒压模式自动切换的直流稳压电源供电，供电电压为5V，供电电流不大于1A。无线充电接收器安装在小车底盘上。每次充电时间限定1分钟。                                  （10分） （2）制作一个无线充电电动车。电动车使用适当容量超级电容（法拉电容）储能，经DC-DC变换给电动车供电。车上不得采用电池等其他储能供电器件。           （10分） （3）充电1分钟后，当电动车检测到无线充电发射器停止充电时，立即自行启动，向前水平直线行驶，直至能量耗尽，行驶距离不小于1m。                         （20分） （4）充电1分钟后，电动车沿倾斜木工板路面直线爬坡行驶，路面长度不大于1m，斜坡倾斜角度θ自定。综合多方因素设计，使电动车在每次充电1分钟后，电动车爬升高度h=lsinθ最大。式中l为小车直线行驶的距离。                                  （50分） （5）其他。                                                        （10分） （6）设计报告：                                                    （20分）    项目       主要内容       满分       方案论证       比较与选择，方案描述       3       理论分析与计算       系统相关参数设计       5       电路与程序设计       系统组成，原理框图与各部分的电路图，系统软件与流程图       5       测试方案与测试结果       测试结果完整性，测试结果分析       5       设计报告结构及规范性       摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。       2       总分       20    3．说明 （1）DC-DC变换建议采用TI公司TPS63020芯片。 （2）超级电容的容量可根据充电器在1分钟时间充入的电荷量及小车行驶所需电流、时间和重量等因素综合考虑。 （3）行驶距离以小车后轮触地点为定位点。倾斜坡度θ自定。 （4）测试时，要求小车先充电、放电运行数次。保证测试时，小车无预先额外储能。以保证测试公平性。正式测试允许运行两次，取最好成绩记录。违规车辆不予测试。 （5）无线充电电动车是一个比较复杂的工程问题，通过提高充、放电效率，减轻车重，优化电机驱动，适当选取超级电容（法拉电容）容量及路面倾斜角度θ等，提高电动车的爬升高度。 （6）通过设置直流稳压电源的输出电压为5V，最大输出电流为1A，确保发射器供电为5V，电流不大于1A。 （7）路面倾斜角度θ可以采用具有角度测量功能APP（如“指南针”）的手机，平放在斜 坡上测量。

具体理论和设计方法如下：

第 1 章 方案论证

1.1 比较与选择

1.1.1 无线充电套件模块的比较选择

方案一，本模块发射线圈与接收线圈：外径 88mm。输出 5V、1A 的电流，如果接收加上整流和稳压电路部分的损耗，发射传输效率高达百分之九十。发射供电电压：12V，发射工作电流：600mA。正常使用距离：15~25mm。15mm 时输出 5V/1A，20mm 时输出 5V/800mA，25mm 时输出 5V/500mA。使用时一定不要低于 14mm，放近将会过压损坏。

方案二，本模块发射线圈与接收线圈：外径 43mm。发射模块最大发射功率可到 15W，配不同的接收输出不同的电流，此接收模块配的最大 1.5A 输出电路最为简单输出电流，USB 5V 低压电源供电的情况下也能在接收感应输出 5V，1.5A 的电流，发射传输效率高达百分之九十。发射供电电压：5V，发射工作电流：2A；接收最大输出电流 1.5A。收发线圈：3mm 时,接收输出 5V/1A 电流，使用距离：0~10mm 距离远电流就变小。我们选用了方案二，在两个方案几乎差别不大，作用相似的情况下，结合现实，由于我们小车车身的大小，我们选用更适合安置在车身上较小的无线充电模块。

1.1.2 电机的比较选择

方案一，DC3V-6V 直流减速电机。其尺寸：70*22*18.5mm；电压：3-7.2V宽电压；3v 电压时，电流 170ma，转速约 115 转/分钟。特点：强磁、带抗干扰、高转速、大扭力。

方案二，130 直流小电机。其尺寸：25*15*20mm；轴长：8mm，轴径：2mm；电压：1~6V；参考电流：0.35~0.4A；3V 转速：17000~18000 转每分钟。

方案三，GA12-N20 直流减速电机。其尺寸：12*10*24mm；轴长：9mm；电压：1.5~12V；选用转速约 100 转/分钟。我们选用了方案三，DC3V-6V 直流减速电机的体积太大，不适用于我们搭建的小车；130 直流小电机的体积小但是转速太快了，无法减小速度，于小车本身不安全。最终我们选用了体积小，转速一般的GA12-N20 直流减速电机。

1.1.3 TPS63020 选择

DC-DC 变换由于官方推荐，我们直接选取 TI 公司 TPS63020 芯片。

1.1.4 主控芯片的比较选择

方案一，STM32F103C8T6。它是一款基于 ARM Cortex-M 内核 STM32 系列的 32 位的微控制器，程序存储器容量是 64KB，需要电压 2V~3.6V，工作温度为-40°C ~ 85°C。

方案二，STM32F103ZET6。它是一款基于 ARM Cortex-M 内核 STM32 系列的 32 位的微控制器，工内置高速存储器高达 512K 字节的闪存和 64K 字节的SRAM，供电电压 2.0V 至 3.6V，工作于-40°C 至+105°C 的温度范围。

我们选用方案一，结合现实中，STM32F103C8T6  芯片所属的单片机比STM32F103ZET6 芯片所属的单片机体积小很多，非常适用于我们所搭建的小车。

1.2 方案描述

方案一，利用无线充电模块，将超级电容充满电。发射端上的主控芯片进行1 分钟计时，1 分钟后，停止供电。接收端上的主控芯片检测电流电压值，是否达到阀值，达到开启输出的条件。超级电容开始放电，充当电池的作用，给电机与主控板供电。开启输出条件后，电机转动，小车开始行驶，利用小车本身的硬件条件，让小车直线行驶。

方案二，与方案一基本相同，但是通过陀螺仪来调控矫正小车的方向，让小车直线行驶。

方案三，电源开启时，发射端继电器开启，用以充电，接收端继电器关闭，让小车保持静止，除此之外，还加有语音模块及液晶显示模块用以了解充电时的状态。接收端接受发射端传输的电量，给超级电容充电。在规定时间到达时，由主控芯片计时关闭发射端继电器或是指示停止发射端充电。这时发射端停止充电。接收端的继电器开启，超级电容开始放电，让小车开始移动。

我们选用方案三，在比较了方案一和方案二后，确定方案三在小车行驶时的误差为最小方案，由于时间限制，我们无法找出前两个方案的漏洞，于是决定选用方案三为最终方案。

第 2 章 理论分析与计算

2.1 系统相关参数设计

根据电路的等效阻抗，在形成并联谐振状态时，通常电感的电阻较小，可以认为电阻对频率的影响忽略不计。因此：其中，L 为线圈电感，C 为电容匹配值，为发射频率

                       (1)

在有高频交流电通过时，导体中电流密度随指数衰减，其中， 1为导体表明的电流密度， 为距离导体表面 d 处的电流密度。有如下关系：

     (2)

δ为导体内部电流密度下降至导体表面电流密度 1的 −1时，距表面的距离。其中，ρ为导体的电阻率，ω为交流电的角频率，μ为导体的绝对磁导率。而δ的估算公式为：

                      (3)

在发射端与接收端分别采用并联电容匹配使得电路工作时产生几乎完全的谐振。N 为线圈匝数，μ1 为真空磁导率，Ｒ为线圈的半径，a 为线圈横截面的半径。发射方与接收方线圈电感量 L 计算采用经验公式:

    (4)

小车在倾斜木工板路面时的受力分析，功过计算出小车重量：

图 2.1 物体斜面受力分析

                             (5)

第 3 章 电路与程序设计

3.1 系统组成

整体系统由继电器、MCU、DC-DC 稳压电路、超级电容、GA12-N20 直流减速电机、无线充电装置、语音模块、液晶显示模块。

3.2 原理框图

系统框图：

图 3.1  系统整体框图

3.3 各部分电路图

各部分电路图在附录一 8~  9中，请参考清晰原理图。

3.4 系统软件与流程图

我们由方案三确定了系统的软件与流程图，电源开启后，发射端继电器开启，用以充电，接收端继电器关闭，让小车保持静止，另加有语音模块提示供电完成及液晶显示模块显示充电时间和充电状态，这样可以更直观的观测数据。接收端接受发射端传输的电量，给超级电容充电。在规定时间到达时，由主控芯片计时关闭发射端继电器或是指示停止发射端充电。这时发射端停止充电。接收端的继电器开启，超级电容开始放电，让小车开始移动。

图 3.6 系统软件流程图

王达业

感谢分享

alan000345

王达业 发表于 2018-11-29 16:18
感谢分享

不客气了，应该的，感觉ti竞赛题还是很经典的。

纯色流云

感谢感谢，和我的研究方向真是很相似呢

alan000345

纯色流云 发表于 2018-12-3 20:50
感谢感谢，和我的研究方向真是很相似呢

是吗，太好了，可以一起讨论问题啦。

abacbbh

楼主关于仿真这块有没有什么比较好的方案或者思路啊？

殇丶梦

感谢分享