基于STM32芯片自行车胎磨式智能发电系统设计

文/黄晓琦 莫钜诗 梁立亮 李哲 易施光

（玉林师范学院物理与电信工程学院 广西壮族自治区玉林市 537000）

随着社会、科技、文明的提高，传统的自行车已经越来越满足不了人们对生活出行的高要求。在全球能源资源稀缺、环境污染越来越严重的情况下，绿色、环保、增效的理念越来越深入人心。因此，人们越来越注重环保型工具的应用，环保型交通工具逐渐成为交通的新主角。随着城市的发展日新月异，绿色出行，低碳生活成为了当今时代的潮流。而自行车作为小巧轻便、交通便捷的代步工具，颇受骑行爱好者的青睐，但人们对自行车的功能需求已经不再仅限于代步，人们更关注的是自行车的附带功能。

本设计以STM32F103芯片为核心控制芯片，结合发电机模块、整流稳压模块、充电模块、信息显示模块、测速模块等组成的自行车胎磨式智能发电系统，实现了自行车通过骑行使之发电并储能，并可供应车灯系统、手机、MP3等移动设备的使用。通过液晶显示屏还可实时监控当前发电机的发电功率、充电电量、车速等相关信息。本设计具有操作简单、稳定性高、绿色环保、智能等优点，在节约能源的同时也进一步提高对能源的利用，因此具有一定的应用价值。

1 系统的整体设计

本设计系统结构框图和实物图分别如图1和图2所示。本设计有以下几部分组成：发电模块、整流稳压模块、充电模块、STM32芯片、液晶显示模块、测速模块。当自行车行驶时可将轮胎带动产生的交流电[1]，再经过整流滤波稳压产生稳定电压的直流电，存储到充电宝中，以备车灯、系统和移动设备等使用。液晶屏还可实时监控发电机功率、蓄电池充电量，本设计还加上了自行车测速功能。

2 硬件设计

2.1 自行车发电机发电

自行车发电机作为本系统的核心，采用12 V 6 W的自行车发电机，铝外壳，便于更好的散热。自行车发电机是利用轮胎转动带动发电机转动从而产生交流电[2]，再经过整流滤波稳压产生稳定电压的直流电，以供车灯、移动设备等其他设备使用。

2.2 系统的核心控件

本系统采用STM32F103芯片作为主控芯片，是一款32位ARM微控制器，内核是高性能的Cortex-M3，工作频率可达72 MHz，拥有的FLASH容量为64 K字节[3,4]。其资源丰富，可利用性强，共拥有9个定时器，除了通常必用的系统定时器，其中1个16位带死区控制的PWM高级定时器，大学生常用于调逆变电压，解决盲区的难点问题。其内部通信接口有两个I2C接口、三个串口接口和两个SPI接口。此外其片内拥有DMA控制，它就像为CPU跑腿的小助手，进而缓解了CPU运行压力，使得数据传输速度更快。STM32在各个领域上应用广阔，很多的大小公司以其作为核心开发板。本设计采用STM32F103作为主控芯片，利用该芯片对电压采样，对反馈回来的电压通过整流滤波稳压产生稳定电压的直流电，经剖析反馈回来的电压所包含的信息有实时监测发电机功率、蓄电池的电量、自行车的速度等。

2.3 整流稳压电路的设计

图1：本设计系统结构框图

图2：本设计整体外形实物图

整流稳压电路图见图3。此部分的设计是将轮胎带动产生的交流电转为直流电，输出的直流电随着电压的变化而变化[5,6]，经过整流稳压电路输出稳定的直流电压。整流电路的任务是利用二极管的单向导电性，把正、负交变的50Hz电网电压变成单方向脉动的直流电压。整流滤波后的电压是不稳定的，在电网电压或负载变化时，该电压都会产生变化。在经过整流滤波后，还须经过稳压电路，才能使输出电压在一定的范围内稳定不变[7,8]。

2.4 测速模块的设计

测速模块电路图见图4。此部分的设计是利用电机马达测速传感器模块，主要用于电机转速检测。测速模块的工作原理是在于电机同轴的码盘上有很多开孔，编码器相当于光敏元件。码盘随着小车轮子的运动转动时，码盘会不断遮挡光敏元件发出的光波，这时候编码器就会根据光栅的遮挡不断的产生方波信号，方波信号会从“OUT”引脚输出，我们只需不断检测“OUT”引脚的输出，根据方波信号的周期简介计算出小车运行的速度[9]。

表1：不同速度下充电电量对比测试数据

图3：整流稳压电路图

图4：测速模块电路图

3 本设计软件设计

系统软件设计主要是AD采集电压和速度采集模块，将模拟信号转换为数字信号，进行信息处理输出，经分析反馈回来的电信号所蕴含的外界信息对系统其它硬件设施进行相应的动作控制程序。系统有AD采集电压，进行模数转换，监测充电宝电量以及发电机功率等执行程序，利用测速模块监测自行车实时行驶速度，然后在液晶上显示出来，方便骑行的人实时了解行车速度。系统软件设计的流程图如图5所示。

4 测试验证

为了产品质量的保证，进行了如表1的测试。

实验结果：从表1中数据可以证实，本设计系统工作正常，满足设计的初衷，并且当速度增大时，实时充电功率增大、充电速度变快。

5 结束语

图5：系统软件设计框图

自行车胎磨式发电系统可以通过骑行发电并将电能储存，以供车灯、系统、移动设备等使用，方便了夜间出行时的照明，不仅大大减少了能源的损耗，还进一步充分利用了能源。本设计实时监测发电机功率、蓄电池储电情况以及测量车速的功能，有效地解决了出行移动设备电量不足带来的不便和不安。该系统使现有的传统自行车与绿色功能系统相结合，得到了进一步的优化和提高，让人们的出行有了更高的保障，从节能的角度出发提高了用电效率，为发展节能环保工程的推动起到了积极的作用，具有广阔的应用前景。