智能小車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)

陳子童 劉霈源 張丹童 楊文靜

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院 陜西省西安市 710018）

1 總體方案選擇

本方案在硬件架構(gòu)上針對(duì)小車(chē)需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，我們通過(guò)使用STM32 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM 波的輸出、定時(shí)和數(shù)據(jù)采樣等檢測(cè)功能，將單片機(jī)的實(shí)體模塊作為控制系統(tǒng)硬件的一個(gè)組成部分，搭建到轉(zhuǎn)換器中進(jìn)入控制電路。小車(chē)采用三輪兩驅(qū)裝置，利用雙紅外傳感器來(lái)檢測(cè)識(shí)別路線，并通過(guò)PWM 算法控制左右兩輪的轉(zhuǎn)速，改變?nèi)f向輪角度，使小車(chē)按照指定黑色軌跡前進(jìn)并實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)停車(chē)。

基于硬、軟件的相互結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小車(chē)的紅外快速循跡、自動(dòng)對(duì)正充電線圈、無(wú)線充電、充電定時(shí)自啟動(dòng)等功能。在給小車(chē)超級(jí)電容進(jìn)行充電時(shí)，其充電電源是不同頻率的直流電，該直流電由小車(chē)車(chē)身上所搭載的無(wú)線充電系統(tǒng)的接收端產(chǎn)生；超級(jí)電容在高速放電時(shí)，電容本身可以充當(dāng)輸出電源，其經(jīng)雙向DC-DC 的升壓模塊進(jìn)行高速升壓后，電壓可分別向單片機(jī)和小車(chē)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供穩(wěn)定的電壓。

2 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)與選擇

2.1 無(wú)線充電小車(chē)的設(shè)計(jì)

2.1.1 主控模塊單片機(jī)

選用STM32 單片機(jī)作為無(wú)線電動(dòng)智能小車(chē)的一個(gè)重要核心部件：主控控制系統(tǒng)。STM32 運(yùn)行最高速度72 MHz，外設(shè)接口條件豐富，功能齊全，有一個(gè)端口高達(dá)51 個(gè)的快捷高速I(mǎi)/O 傳輸端口，相對(duì)于其他的小型單片機(jī)，主頻高，集成廣，能耗低，適應(yīng)力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。并且能精準(zhǔn)采樣，來(lái)調(diào)整兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)變速轉(zhuǎn)向。

2.1.2 紅外循跡電路模塊

我們選擇TCRT5000 傳感器，通過(guò)發(fā)射接收二極管不斷地發(fā)射接收的紅外信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)方向調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到反射紅外信號(hào)強(qiáng)度不夠時(shí)，光敏三極管保持在已關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)該傳感模塊輸入端是高電平，指示二極管始終保持在熄滅狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到足夠的信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，光敏三極管達(dá)到了飽和，該傳感模塊的信號(hào)輸入端由高電平變成了低電平狀態(tài)，指示二極管此時(shí)為點(diǎn)亮狀態(tài)。即當(dāng)小車(chē)底部紅外接收器的一側(cè)的接收管遇到黑帶軌跡時(shí)，可以檢測(cè)到輸入電平為高電平，反之，輸入電平為低電平。

根據(jù)單片機(jī)的工作方式，利用程序控制兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變小車(chē)的行駛方向，使小車(chē)通過(guò)連續(xù)檢測(cè)和方向調(diào)整，沿著黑線行駛。本項(xiàng)目創(chuàng)新的采用了雙尋跡模塊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的精準(zhǔn)停車(chē)，其中一個(gè)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的直線行駛，另一個(gè)模塊則識(shí)別停車(chē)線，當(dāng)其識(shí)別到停車(chē)線時(shí)，小車(chē)自動(dòng)停車(chē)。

2.1.3 無(wú)線充電模塊

圖1：身份識(shí)別與智能計(jì)費(fèi)裝置電路圖

圖2：身份識(shí)別與智能計(jì)費(fèi)裝置

無(wú)線小車(chē)充電控制模塊由無(wú)線小車(chē)充電的發(fā)射端充電線圈和接收端充電線圈這兩個(gè)部分組成。為從小車(chē)上的接收端線圈中獲得額定電壓，必須在此充電過(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)非常高頻率的無(wú)線電磁波。即選擇能夠產(chǎn)生高頻的PWM 諧波的高頻芯片，或直接通過(guò)使用高頻交流電源與ZVS 波進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，都是可降低實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度且較為安全的理想解決辦法。經(jīng)過(guò)嘗試，我們選擇購(gòu)買(mǎi)使用QI標(biāo)準(zhǔn)，最大輸出功率為10w，直徑5cm 的線圈作為無(wú)線充電模塊，來(lái)給小車(chē)充電。

2.1.4 超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊

我們采用大小為10F 的超級(jí)電容作為儲(chǔ)能模塊，利用了超級(jí)電容電壓與電量成正比的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行電量估計(jì)，避免了電池SOC閾值難以估計(jì)的問(wèn)題。將其連接到無(wú)線充電接收線圈的一端，利用該線圈上所獲得的電壓，對(duì)電容進(jìn)行充電。

圖3：軟件設(shè)計(jì)示意圖

2.1.5 穩(wěn)壓降壓模塊

由于輸出電壓過(guò)大很有可能會(huì)對(duì)單片機(jī)控制電路造成一定的破壞，因而選擇了AMS1117 穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)，使得輸出電壓保持穩(wěn)定在3.3V，輸出電流保持在800mA。

2.1.6 自動(dòng)升降壓模塊

考慮到電容輸出電壓存在一定的不穩(wěn)定性且電壓較低，我們?cè)O(shè)計(jì)了自動(dòng)升降壓模塊。采用 TPS63020 模塊，它是一種高效的單電感降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，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，輸出電壓可調(diào)節(jié)，范圍是2.8V 到5.5V 之間；靜態(tài)電流小于50μA，最大輸出電流3A。我們選用兩個(gè)TPS63020 模塊，無(wú)線電源充電器的接收器和線圈的一個(gè)兩路模塊輸入輸出電壓分別被輸送到兩個(gè)兩路模塊間的in口，其中一路模塊通過(guò)自動(dòng)方式升高下降壓縮器模塊在out 兩口之間輸出穩(wěn)定的5V 輸出電壓，用于兩路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)對(duì)該模塊進(jìn)行供電。另一路模塊輸出5V 的直流電壓后，經(jīng)過(guò)電壓減少的直流降壓電路模塊AMS1117，將獲得的3.3V 的直流電壓供給STM32 單片機(jī)電路。

2.1.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)元件驅(qū)動(dòng)控制模塊選擇L9110S 型的芯片組，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。L9110S 是專用于驅(qū)動(dòng)集成電路的重要元件，可以大大提高驅(qū)動(dòng)整機(jī)的工作可靠性。該處理單元控制芯片共同時(shí)配備兩個(gè)終端TTL/CMOS，可以兼容高頻隨機(jī)電平的峰值輸入，具有良好的機(jī)械耐磨性和較高的抗干擾能力；兩個(gè)峰值輸出控制端均有良好的輸入電流電壓驅(qū)動(dòng)控制能力，可直接實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)高頻電機(jī)的正反向高速運(yùn)動(dòng)，每個(gè)峰值輸出控制通道都應(yīng)擁有一個(gè)終端能夠同時(shí)經(jīng)歷800mA 的連續(xù)輸入電流，峰值飽和輸出輸入電流的電壓驅(qū)動(dòng)控制能力最高精度可以保持到1.5A；同時(shí)它們也同樣具有比較低的峰值輸入電流飽和輸出壓降，使得智能小車(chē)的驅(qū)動(dòng)更加穩(wěn)定平順。

2.1.8 OLED 顯示模塊

我們選用了大小為0.96 寸的OLED 顯示模塊來(lái)顯示充電指示信息。指示信息包括充電狀態(tài)（未充電、正在充電），電容電量百分比，已充電時(shí)長(zhǎng)等信息。該款OLED 顯示屏具有分辨率高，可視角度大的特點(diǎn)，且支持STM32 單片機(jī)，功耗較低，通信方式簡(jiǎn)單。

2.2 身份識(shí)別與智能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

身份識(shí)別與智能計(jì)費(fèi)裝置電路圖如圖1 所示。

2.2.1 主控模塊單片機(jī)

采用高性能89C52 單片機(jī)作為身份識(shí)別系統(tǒng)的核心主控模塊，89C52 操作簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，能夠讀取RFID-RC522 射頻卡信號(hào)并發(fā)送到串口上，實(shí)現(xiàn)身份信息的處理和識(shí)別顯示。

2.2.2 RFID-RC522 感應(yīng)模塊

這款通信芯片，具有低電壓、低成本、體積小的特點(diǎn)，集成了13.56MHz 下所有類型的被動(dòng)非接觸式電子閱讀卡通信的調(diào)制方式和通信協(xié)議。模塊的連接通訊系統(tǒng)主板采用的輸出、輸入電壓的控制范圍一般為0~3.3V，通過(guò)連接SPI 兩個(gè)接口的幾條簡(jiǎn)單的連接線，便能夠直接與模塊系統(tǒng)主板中的每個(gè)用戶的任意一個(gè)CPU 或者多個(gè)主板接口進(jìn)行通信，可以確保整個(gè)模塊系統(tǒng)運(yùn)行工作的穩(wěn)定性和可靠性。而且這款感應(yīng)模塊的感應(yīng)距離遠(yuǎn)，符合我們的要求。

2.2.3 顯示模塊

LCD12864 是一種互動(dòng)圖形顯示點(diǎn)陣式中文液晶數(shù)字顯示器，內(nèi)置有多種中文拼音字庫(kù)，可以自動(dòng)配合其他數(shù)字單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)各種中文拼音、漢字、英文注音字符和字體圖形等的顯示。因?yàn)樵擄@示模塊具有系統(tǒng)功耗低、顯示快和顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)，在許多工業(yè)顯示領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。硬件通過(guò)CGROM 中文來(lái)選定目標(biāo)輸出的各種字體符號(hào)類型并將其在屏幕上進(jìn)行顯示。

我們結(jié)合射頻卡模塊的感應(yīng)信號(hào)，將無(wú)線充電系統(tǒng)的充電狀態(tài)，小車(chē)的充電時(shí)長(zhǎng)，處于充電中的小車(chē)身份（序號(hào)）等信息顯示在這塊LCD 屏幕上。我們還設(shè)定了小車(chē)的充電計(jì)費(fèi)規(guī)則，即“每分鐘兩元”（示意），使得小車(chē)充電結(jié)束駛離停車(chē)位的時(shí)候，屏幕上可以顯示出小車(chē)充電的費(fèi)用。

2.2.4 按鍵功能與工作過(guò)程

圖2 所示的LCD 屏幕正處于系統(tǒng)未識(shí)別到小車(chē)信號(hào)時(shí)的初始界面。初始界面顯示“充電計(jì)費(fèi)系統(tǒng)”、“請(qǐng)駛?cè)胲?chē)位”、以及充電價(jià)格等字樣。當(dāng)小車(chē)駛?cè)霟o(wú)線充電車(chē)位后，RFID-RC522 感應(yīng)模塊開(kāi)始識(shí)別小車(chē)所攜帶的身份信息卡，LED屏幕會(huì)顯示識(shí)別到的“小車(chē)序號(hào)”以及小車(chē)的“充電時(shí)長(zhǎng)”等信息；當(dāng)小車(chē)駛離無(wú)線充電車(chē)位后，RFID-RC522 感應(yīng)模塊對(duì)小車(chē)所攜帶的身份信息卡識(shí)別終止，LED 屏幕會(huì)顯示“充電完成”字樣，以及總充電時(shí)長(zhǎng)和充電費(fèi)用。

圖中按鍵“1”為智能無(wú)線充電車(chē)位收費(fèi)價(jià)格下調(diào)按鍵，摁下按鍵“1”2s 后即可下調(diào)LED 屏幕中顯示的單價(jià)。按鍵“2”為智能無(wú)線充電車(chē)位收費(fèi)價(jià)格上調(diào)按鍵，同理，摁下按鍵“2”2s 后即可上調(diào)單價(jià)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的主控芯片采用STM32 單片機(jī)，輔助芯片采用52 單片機(jī)，軟件上可以利用STM32 來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM 波的輸出、數(shù)據(jù)采樣檢測(cè)以及定時(shí)等特殊功能，將單片機(jī)的實(shí)體化作為主要硬件的組成部分，搭建并配置進(jìn)來(lái)控制電路的模塊。基于硬、軟件相互結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小車(chē)的紅外循跡行駛、自動(dòng)停車(chē)、充電線圈自動(dòng)校準(zhǔn)、無(wú)線充電等功能。單片機(jī)的運(yùn)行電壓為3V，由電容提供。此外，STM32 單片機(jī)還具有較多的庫(kù)函數(shù)，為我們編程提供了便利。

軟件設(shè)計(jì)示意圖如圖3 所示。