智能小车教学实训项目设计

曹 兰

(漳州职业技术学院 电子信息学院，福建 漳州 363000)

0 引言

为了解决能源的利用率低、减少对环境的污染等问题，电动型小车受到世界各国越来越多的关注。传统的电动小车充电时需要有特定的充电车位，并且每个品牌的车都有其对应的充电器，彼此之间并不通用。所以有线充电存在着一系列问题：充电车位被占、必须采用匹配的充电器、插拔充电导线时具有漏电危险等等，因此，无线充电小车不需要各种连接设备，具有使用方便，安全性好的特点[1～3]就成为有效解决此问题的方法之一。

1 硬件设计

本设计无线充电对象是小车，并不要求太远的传输距离，只需较高的传输功率，让小车自启动后可以行驶更长路程。因此，选择电磁感应式充电技术。由XKT-412、T3169、XKT-335和两个线圈组成无线充电电路[4，5]。用单片机控制继电器实现无线充电电源的通断，进而控制超级电容的充放电，实现小车充电的断电自启动，超级电容放电后经DC-DC升降压模块为小车提供动力，驱动电机[6]。本系统整体结构[7，8]如图1.

图1 系统框图

本设计采用STC15单片机最小系统作为定时控制继电器的通断，同时通过电流传感器测量充电电流，并在数码管上显示；继电器模块控制无线充电模块的电源通断；无线充电接收模块对超级电容进行储能；自启动模块通过MOS开关管控制小车的自启动；超级电容放电经DC-DC升降压模块为小车提供动力，驱动电机。

STC15最小系统硬件上包含供电、时钟、烧写、数码管显示。由于本设计的控制较为简单，不需要其他复杂的功能，只需要1分钟的定时，时间到则用I/O口来控制继电器断开。综上，考虑用STC15单片机。

1.1 继电器模块

继电器控制如图2所示。I/O口输出经过三极管Q1放大驱动继电器工作，当I/O口输出“1”时，NPN管导通，继电器闭合，无线充电发射端的电源接通；1分钟定时到，I/O口输出“0”， NPN管截止，继电器切换至常开，当电源断开，则停止充电。在断电时所产生的继电器线圈自感电动势会被二极管4148吸收，以防止过大的自感电动势击穿三极管。

图2 继电器模块电路

1.2 HCS-LTS-06A电流传感器

HCS-LTS系列传感器是磁场传感器，当一条电流多次穿过传感器就会使得产生的电磁场加倍，其叠加效果与穿过次数有关。在传感器的空心部分用漆包线绕18圈实现电流传感器以1 A的量程。在传感器监测到6 A的电流强度时，实际通过单根线的电流约为6/18 A=1/3 A，每单位IPN的电流电压变化为0.625 V，传感器所能达到的最大输出电压为4.5 V，所以理论上可以测量电流范围：(4.5-2.5)/0.625*6=19.2 A.转换为单根通过的电流为19.2/18=1.066 A.满足其作为1 A量程的传感器使用。测量传感器在实际使用中电流与输出电压的关系，如表1所示：

表1 实际电流与输出电压关系表

1.3 无线充电模块

无线充电发射模块如图3所示，由XKT-412、XKT-335芯片及少量外围元器件组成，电路简单，稳定性好。XKT-412和XKT335主要功能将直流转换成交流，然后通过电感线圈将电能发射，由频率的计算公式：

(1)

代入数值可计算，本设计所选模块的发射频率f约为107 kHz.

其搭配的通用接收模块由XKT-3169芯片和少量外围电路组成[9，10]，接收到的交流通过二极管整流，电容滤波，芯片将输出电压稳定在5 V.图3模块工作电压为9～12 V，实际工作电流随着接收负载电流的变化而变化；接收模块如图4所示，其最大输出为5 V、2 A.但是在本次设计中，采用9 V、不大于1 A的电源输入，所以达不到理论上的最大输出值。

图3 无线充电发射模块

图4 无线充电接收模块

1.4 超级电容

超级电容是一种介于传统电容和电池之间充放电速度极快的电化学储能装置。在充电时，容量可以在几十秒内达到95%；且大电压下也不易损坏，安全性强；循环使用时间长，可实现上万次充放电。无线充电模块最大输出为5 V、2 A，充电时间为1 min.由能量公式：

E1=UIt

(2)

代入数值可计算，输出最大能量为600 W.

超级电容存储能量时，电压从0 V升至耐压值U2，所存储的能量值：

(3)

令E1=E2，即可计算出超级电容的容量。超级电容的耐压值根据无线充电模块的最大输出，应大于5 V.由公式计算可知，当耐压值为5.5 V时，超级电容容量为39 F左右。但实际上，无线充电模块的输出根本达不到2 A的电流，经多次测量显示，选用单个超级电容为5.5 V、15 F时，充电结束后超级电容两端的电压最大不超过为4 V.综上所述，本设计选择15 F、5.5 V的超级电容。

1.5 DC-DC升降压模块

如图5所示，超级电容放电时，电压逐渐降低，电压过低时，需将电压升高才能有效利用超级电容的储能特性，更好地驱动电机[11,12]。本设计采用由TPS63020芯片及外围电路构成的升降压模块，它能自动切换Buck、Boost模式，VIN范围在1.8 V～5.5 V内，VOUT可保证稳定，同时效率高达96%.参考TPS63020的芯片手册，VFB为0.5V，输出电压由R1、R2决定：

(4)

本设计中VOUT为5 V，所以R1为470 kΩ，R2为4.7 MΩ.TPS63020模块如图2～6所示：

图5 TPS63020模块

1.6 自启动模块

小车充电1 min后自行启动，在无线充电接收端设计一个充电检测电路，检测到低电平时，小车自行启动。充电检测电路采用MOS管作为开关管，MOS价格较贵，但功耗低，常用作电源开关以及大电流场合开关电路。考虑到消耗的能量大小问题，二极管为耗能较少的肖特基二极管[13]。具体电路如图6所示：

图6 自启动模块

该电路由P沟道MOS场效应管SI2301、二极管及其他外围电路组成。充电开始时，无线充电接收输出为高电平，D4、D5正向导通，D6反向阻断，PMOS管截止，充电开始；1 min后充电结束，输出为低电平，D4、D5反向阻断，D6正向导通，PMOS管导通，超级电容经过TPS63020模块为电机供电，达到小车自启动的目的[14]。

2 系统软件设计

本设计的无线充电小车是用STC15单片机的内部定时器进行定时，在数码管上显示充电电流值。定时1 min开始，单片机P0.0口输出高电平，继电器闭合，接通无线充电模块电源为超级电容充电，同时P1.0开始对充电电流进行采样，并在数码管上显示值；计时1 min到，P0.0口输出低电平，继电器断开，切断无线充电的电源，超级电容放电为电机供电，小车自启动。主流程图如图7所示：

图7 主流程图

3 测试结果与分析

小车的机械部分由两轮亚克力板玩具小车组装而成，总重量约300 g.在测试过程中，如果两线圈距离太近(小于1.5 mm)时，会造成充电电流超过1A，即不满足测试条件。所以，所有测试均基于两线圈间隔不小于1.5 mm的情况。经多次测试发现，充电过程受环境因素影响较大，特别是电子产品、金属的影响，所以测试过程中减少这类物体的靠近，以免降低测试结果准确性。

3.1 线圈距离和水平行驶距离测试

测试前，小车先充电、放电运行数次，用数字万用表测量超级电容两端的电压为零。提供9 V、不大于1 A的电源，两线圈的间隔为1.5 mm，对超级电容充电1 min，充电结束，小车自启动开始水平向前行驶，速度为零时，测量小车水平运动距离。多次改变两线圈距离的距离，重复上述测试。测量数据如表2.

表2 线圈距离和水平行驶距离测试

由测试数据可知，当充电线圈与接收线圈距离为1～3 mm时，充电的效果较好，小车最远可行驶约18 m；当充电线圈与接收线圈距离为8 mm时，超级电容储存的能量为1.76 V，TPS63020模块在输入电压不小于1.8 V时，才能输出稳定5 V，所以此时无法驱动电机，小车不能行驶。

3.2 爬坡测试

提供9V、不大于1 A的电源，对超级电容充电1 min，开始爬坡测试，直至小车停止。小车受自身重量、轮子及斜坡的光滑程度影响，小车最大爬坡角度约为13°，爬坡长度约2 m.

4 结论

本设计利用电磁感应充电技术及超级电容储能特性，实现了小车定时充电1 min，放电后自行启动，水平行驶距离可达约18 m，在倾斜角为13°的斜坡可行驶约2 m.实践证明了本系统的设计可行性。本设计需要改进的问题：由于无线充电输出电压恒定，电流受负载影响的特点，无线充电模块对超级电容充电效率会有所限制。其次，小车的爬坡能力有待提高。

Classification approach based on conditional database covering

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