基于STM32芯片自行車胎磨式智能發電系統設計

文/黃曉琦 莫鉅詩 梁立亮 李哲 易施光

（玉林師范學院物理與電信工程學院 廣西壯族自治區玉林市 537000）

隨著社會、科技、文明的提高，傳統的自行車已經越來越滿足不了人們對生活出行的高要求。在全球能源資源稀缺、環境污染越來越嚴重的情況下，綠色、環保、增效的理念越來越深入人心。因此，人們越來越注重環保型工具的應用，環保型交通工具逐漸成為交通的新主角。隨著城市的發展日新月異，綠色出行，低碳生活成為了當今時代的潮流。而自行車作為小巧輕便、交通便捷的代步工具，頗受騎行愛好者的青睞，但人們對自行車的功能需求已經不再僅限于代步，人們更關注的是自行車的附帶功能。

本設計以STM32F103芯片為核心控制芯片，結合發電機模塊、整流穩壓模塊、充電模塊、信息顯示模塊、測速模塊等組成的自行車胎磨式智能發電系統，實現了自行車通過騎行使之發電并儲能，并可供應車燈系統、手機、MP3等移動設備的使用。通過液晶顯示屏還可實時監控當前發電機的發電功率、充電電量、車速等相關信息。本設計具有操作簡單、穩定性高、綠色環保、智能等優點，在節約能源的同時也進一步提高對能源的利用，因此具有一定的應用價值。

1 系統的整體設計

本設計系統結構框圖和實物圖分別如圖1和圖2所示。本設計有以下幾部分組成：發電模塊、整流穩壓模塊、充電模塊、STM32芯片、液晶顯示模塊、測速模塊。當自行車行駛時可將輪胎帶動產生的交流電[1]，再經過整流濾波穩壓產生穩定電壓的直流電，存儲到充電寶中，以備車燈、系統和移動設備等使用。液晶屏還可實時監控發電機功率、蓄電池充電量，本設計還加上了自行車測速功能。

2 硬件設計

2.1 自行車發電機發電

自行車發電機作為本系統的核心，采用12 V 6 W的自行車發電機，鋁外殼，便于更好的散熱。自行車發電機是利用輪胎轉動帶動發電機轉動從而產生交流電[2]，再經過整流濾波穩壓產生穩定電壓的直流電，以供車燈、移動設備等其他設備使用。

2.2 系統的核心控件

本系統采用STM32F103芯片作為主控芯片，是一款32位ARM微控制器，內核是高性能的Cortex-M3，工作頻率可達72 MHz，擁有的FLASH容量為64 K字節[3,4]。其資源豐富，可利用性強，共擁有9個定時器，除了通常必用的系統定時器，其中1個16位帶死區控制的PWM高級定時器，大學生常用于調逆變電壓，解決盲區的難點問題。其內部通信接口有兩個I2C接口、三個串口接口和兩個SPI接口。此外其片內擁有DMA控制，它就像為CPU跑腿的小助手，進而緩解了CPU運行壓力，使得數據傳輸速度更快。STM32在各個領域上應用廣闊，很多的大小公司以其作為核心開發板。本設計采用STM32F103作為主控芯片，利用該芯片對電壓采樣，對反饋回來的電壓通過整流濾波穩壓產生穩定電壓的直流電，經剖析反饋回來的電壓所包含的信息有實時監測發電機功率、蓄電池的電量、自行車的速度等。

2.3 整流穩壓電路的設計

圖1：本設計系統結構框圖

圖2：本設計整體外形實物圖

整流穩壓電路圖見圖3。此部分的設計是將輪胎帶動產生的交流電轉為直流電，輸出的直流電隨著電壓的變化而變化[5,6]，經過整流穩壓電路輸出穩定的直流電壓。整流電路的任務是利用二極管的單向導電性，把正、負交變的50Hz電網電壓變成單方向脈動的直流電壓。整流濾波后的電壓是不穩定的，在電網電壓或負載變化時，該電壓都會產生變化。在經過整流濾波后，還須經過穩壓電路，才能使輸出電壓在一定的范圍內穩定不變[7,8]。

2.4 測速模塊的設計

測速模塊電路圖見圖4。此部分的設計是利用電機馬達測速傳感器模塊，主要用于電機轉速檢測。測速模塊的工作原理是在于電機同軸的碼盤上有很多開孔，編碼器相當于光敏元件。碼盤隨著小車輪子的運動轉動時，碼盤會不斷遮擋光敏元件發出的光波，這時候編碼器就會根據光柵的遮擋不斷的產生方波信號，方波信號會從“OUT”引腳輸出，我們只需不斷檢測“OUT”引腳的輸出，根據方波信號的周期簡介計算出小車運行的速度[9]。

表1：不同速度下充電電量對比測試數據

圖3：整流穩壓電路圖

圖4：測速模塊電路圖

3 本設計軟件設計

系統軟件設計主要是AD采集電壓和速度采集模塊，將模擬信號轉換為數字信號，進行信息處理輸出，經分析反饋回來的電信號所蘊含的外界信息對系統其它硬件設施進行相應的動作控制程序。系統有AD采集電壓，進行模數轉換，監測充電寶電量以及發電機功率等執行程序，利用測速模塊監測自行車實時行駛速度，然后在液晶上顯示出來，方便騎行的人實時了解行車速度。系統軟件設計的流程圖如圖5所示。

4 測試驗證

為了產品質量的保證，進行了如表1的測試。

實驗結果：從表1中數據可以證實，本設計系統工作正常，滿足設計的初衷，并且當速度增大時，實時充電功率增大、充電速度變快。

5 結束語

圖5：系統軟件設計框圖

自行車胎磨式發電系統可以通過騎行發電并將電能儲存，以供車燈、系統、移動設備等使用，方便了夜間出行時的照明，不僅大大減少了能源的損耗，還進一步充分利用了能源。本設計實時監測發電機功率、蓄電池儲電情況以及測量車速的功能，有效地解決了出行移動設備電量不足帶來的不便和不安。該系統使現有的傳統自行車與綠色功能系統相結合，得到了進一步的優化和提高，讓人們的出行有了更高的保障，從節能的角度出發提高了用電效率，為發展節能環保工程的推動起到了積極的作用，具有廣闊的應用前景。