基于STM32的電動小車動態(tài)無線充電系統(tǒng)

鄭佳蕙 厲俊

摘 ?要： 本設(shè)計以STM32單片機為主控，超級電容為儲能核心控件，采用無線充電技術(shù)，將電感線圈的耦合能量傳遞給超級電容，利用超級電容儲存的電能作為電源驅(qū)動小車。并且通過改進機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了小車的紅外循跡功能。系統(tǒng)共包括：低功耗的STM32主控模塊、超級電容組儲能模塊、無線充電模塊、定時充電模塊、自啟動模塊、自動升壓電源模塊和電機驅(qū)動模塊。該電動小車實現(xiàn)了動態(tài)無線充電及定時自啟動完成軌道循跡的功能。

關(guān)鍵詞： STM32單片機;超級電容;無線充電;軌道循跡;定時自啟動

中圖分類號： TP242 ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.052

本文著錄格式：鄭佳蕙，厲俊. 基于STM32的電動小車動態(tài)無線充電系統(tǒng)[J]. 軟件，2020，41（01）：240244

【Abstract】： The design is dominated by STM32 single-chip microcomputer. The super capacitor is the energy storage core control. The wireless charging technology is used to transfer the coupling energy of the inductor coil to the super capacitor， and the electric energy stored by the super capacitor is used as the power source to drive the trolley. And by improving the mechanical structure， the infrared tracking function of the trolley is realized. The system includes： low-power STM32 main control module， super capacitor group energy storage module， wireless charging module， timing charging module， self-starting module， automatic boosting power module and motor driving module. The electric trolley realizes the function of dynamic wireless charging and timing self-starting to complete track tracking.

【Key words】： STM32 microcontroller; Super capacitor; Wireless charging; Track tracking; Timing self-starting

0 ?引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，智能電動小車已經(jīng)慢慢進入我們的生活，例如倉庫貨運的物流小車、防盜巡查的安保小車、排除險情的探測小車、智能家居的服務(wù)小車等[1]，能夠自動識別路線，判斷并躲避障礙物，選擇正確的行進路線，在安全防范、物流交通、檢測評估、生活便利方面都提供了很大的幫助。但是傳統(tǒng)的電動小車多采用有線模式，充電易受電源線老化、電池容量過小、插電火花，插頭磨損等影響，無法持續(xù)、安全工作，而超級電容儲能特性和無線充電技術(shù)的迅速發(fā)展為這一問題提供了解決辦法。

無線充電主要利用能量發(fā)送裝置和能量接收裝置進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞，擺脫了傳輸線束縛[2]。雙向DC-DC電路通過控制功率MOS場效應(yīng)晶體管的通斷，加大輸出端的電壓、電流，能從根本上提高電動小車續(xù)航能力。而同時超級電容的迅猛發(fā)展，使得它在新能源汽車領(lǐng)域備受關(guān)注，不僅其充電速度快、存儲容量大，還能量轉(zhuǎn)換率高，更符合電動小車對于輕便、節(jié)能電源的要求。

1 ?電動小車總體設(shè)計

本設(shè)計在硬件結(jié)構(gòu)上對小車的車身搭載電路進行了充分設(shè)計改造，軟件上利用STM32單片機實現(xiàn)PWM波輸出、定時和采樣檢測的功能，將單片機實體作為硬件的一部分搭建進電路模塊。由此，硬、軟件的結(jié)合實現(xiàn)了電動小車紅外循跡、車輪智能變速、高續(xù)航能力、無線充電斷電自啟動等功能[3]。超級電容充電時，小車車身上搭載的無線充電線圈接收端感應(yīng)到發(fā)射端產(chǎn)生持續(xù)的直流電，將其作為超級電容的充電電源。超級電容放電時，電容本身作為電源，通過雙向DC-DC的升壓端進行升壓后，電壓分別給單片機穩(wěn)定供電和為電機驅(qū)動供電。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

2 ?電動小車的模塊設(shè)計與選擇

2.1 ?主控模塊單片機的選用

采用超低功耗的STM32單片機作為無線電動小車的核心主控模塊，STM32是低電壓、高性能的ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器。STM32外設(shè)豐富，功能齊全，有高達112個的快速I/O端口、11個定時器、13個通信接口[5]，相對于其他單片機，主頻高，集成廣，低能耗，適應(yīng)強，操作簡單，調(diào)試方便。它能通過內(nèi)置定時器產(chǎn)生三路占空比不同的PWM波，從而實時改變PWM波的頻率，實現(xiàn)小車的自啟動功能。并且能精準采樣，調(diào)整兩個電機轉(zhuǎn)速，以此實現(xiàn)智能變速。

2.2 ?紅外循跡電路模塊的選用

電動小車總體電路主要由光電傳感電路、電壓比較電路、電機驅(qū)動電路3個部分組成，LED發(fā)光二極管投射到黑色和白色部分的反射率不同，即反射回來的光線亮度不一樣，光敏電阻接收到的光線亮度不一樣，導(dǎo)致阻值會產(chǎn)生變化，分壓得到的電壓值也隨著變化。LM393比較兩路光敏電阻分壓的大小，如果正向輸入IN+的電壓大于反向輸入IN-的電壓，對應(yīng)的OUT就輸出高電平，反之輸出低電平。輸出兩路電平信號到三極管8550的基極[8]，控制兩側(cè)電機的運轉(zhuǎn)，從而修正小車行進的方向，使得小車沿著黑色軌跡前進。紅外循跡模塊電路圖如圖2所示。

2.3 ?無線充電模塊的選用

無線充電模塊由無線充電發(fā)射端線圈和無線充電接收端線圈構(gòu)成，若要小車上的接收線圈獲取電壓，則必須產(chǎn)生高頻率的電磁波。而選用產(chǎn)生高頻PWM波的芯片或者直接利用直流電源結(jié)合ZVS變換系數(shù)[6]都是實現(xiàn)難度較大和安全系數(shù)較低的方案。由于市場上手機無線充電設(shè)備的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，安全系數(shù)較高，直接改造現(xiàn)成的手機無線充電配套線圈是最理想的方案，因此我們選用手機無線充電配套線圈作為無線充電模塊，驅(qū)動電動小車。

2.4 ?超級電容儲能模塊的選用

儲能模塊選用了5.5 V的超級電容，實現(xiàn)電池充放電的性能。超級電容本身原理與普通電容相似，而它的優(yōu)點在于充電速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、過程損失小、能量循環(huán)效率≥90%、安全系數(shù)高以及容量大，不僅輕便耐用，還綠色環(huán)保。利用標(biāo)稱電壓5.5 V，即最大單個超級電容能夠承受5.5 V的電壓的特點，串聯(lián)兩個同樣的超級電容，使整體耐受電壓達到10 V左右。將超級電容接到無線充電線圈的接收端[4]，利用線圈上獲得的電壓，實現(xiàn)對電容的穩(wěn)定充電。雖然串聯(lián)兩個超級電容會使得其總電容容量縮小一半，但是超級電容能更高效地釋放電機的額定電壓才是續(xù)航的核心。

2.5 ?升壓模塊的設(shè)計

為了進一步增強電動小車的續(xù)航能力，將升壓電路接入超級電容，以滿足電機長時間轉(zhuǎn)動的需求。升壓模塊采用雙向DC-DC模塊中的升壓部分，相比于純Boost電路，它的優(yōu)點在于二極管兩端并聯(lián)了一個MOS管，自舉回路不會變成低阻回路，解決了電路在小電流時無法滿足 的線性條件[7]。CSD19535KCS是一個非常合適的MOS場效應(yīng)管，柵源電壓在2.7V的小電壓下就能導(dǎo)通，適合移動中的電動小車，因此用CSD19535KCS替代了常用的IRF540。穩(wěn)壓模塊電路原理圖如圖3所示。

2.6 ?穩(wěn)壓模塊的設(shè)計

由于過大的輸出電壓直接輸入單片機的供電接口，會嚴重損壞單片機的性能，甚至使其中途停止工作。因此，穩(wěn)壓模塊的設(shè)計采用L7809和AMS1117模塊，L7809穩(wěn)壓輸出9 V，AMS117將5 V及以上的電壓轉(zhuǎn)3.3 V，將5 V的輸入電壓輸入IN口，經(jīng)過穩(wěn)壓模塊在OUT口出穩(wěn)定的3.3 V電壓，用于STM32供電。使得該模塊能夠正常工作的輸入電壓在直流4.5 V-7 V時，輸出3.3 V，800 mA。穩(wěn)壓模塊無需額外的電源[5]給它供電，并帶有電源指示燈，使用方便，同時安全性較高，電源擴展接口豐富。穩(wěn)壓模塊電路原理圖如圖4所示。

3 ?電動小車的軟件設(shè)計

電動小車的系統(tǒng)軟件設(shè)計采用Keil5作為開發(fā)平臺，用于處理電機轉(zhuǎn)速和定時自啟動的功能及控制電動小車的運行。系統(tǒng)程序采用模塊化方式設(shè)計，主要包括PWM輸出，ADC電壓采樣和定時自啟動程序等，根據(jù)流程圖各功能模塊的算法程序設(shè)計：在程序開始對各功能模塊進行初始化，啟動電動小車。小車在前進的過程中，不停的檢測與紅外探頭采樣和電機采樣相連的單片機I/O 口，一旦查詢到I/O 口有信號[13]，就進入相應(yīng)的子程序其執(zhí)行程序，控制小車的運行。在小車運行的過程中，不斷的重復(fù)上述過程，使小車在行使過程中實現(xiàn)智能變速和高續(xù)航的功能。圖5為電動小車軟件設(shè)計流程圖。

3.1 ?PWM波的輸出

車輪轉(zhuǎn)速取決于電機兩端電壓的大小，通過STM32單片機采樣檢測電機兩端電壓大小和前端紅外探頭并聯(lián)的電容電壓大小來控制單片機輸出PWM波的頻率，PWM波在高電平時導(dǎo)通CSD19535KCS的MOS管，小車車輪轉(zhuǎn);PWM波在低電平時，CSD19535KCS的MOS管不導(dǎo)通[7]，小車車輪停止轉(zhuǎn)動，PWM高低電平相互交替，由此達到控制車輪開關(guān)。脈沖寬度調(diào)制模式可以生成一個信號，該信號頻率由ARR寄存器值決定，其占空比則由CCR寄存器值決定。程序片段如下：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;

//設(shè)置在下一個更新事件裝入活動的自動重載寄存器周期的值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;

//設(shè)置用來作為TIM1時鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//TIM向上計數(shù)模式

void TIM_SetCompare3（TIM_TypeDef* TIMx， uint16_t Compare3）

{

/* Check the parameters */

assert_param（IS_TIM_LIST3_PERIPH（TIMx））;

/* Set the Capture Compare3 Register value */

TIMx->CCR3 = Compare3;

}

3.2 ?ADC電壓采樣

在動態(tài)充電過程當(dāng)中，電動小車遇到黑色充電線圈，紅外探頭的光敏電阻兩端電壓就會大幅減小，STM32單片機通過ADC采樣的兩個通道同時檢測到兩端紅外的電阻電壓減小，則通過改變寄存器CCR的值來降低PWM波的輸出頻率，使電動小車在經(jīng)過充電線圈的車速放慢[1]，延長充電時間。程序片段如下：

u16 Get_Adc（u8 ch）

{ unsigned int result=0;

unsigned char i;

//設(shè)置指定ADC的規(guī)則組通道，設(shè)置他們的轉(zhuǎn)化順序和采樣時間

ADC_RegularChannelConfig（ADC1， ch， 1， ADC_SampleTime_239Cycles5 ）;

//ADC1，ADC通道ch，規(guī)則采樣順序值序列為1，采樣時間為239.5周期

for（i=0;i<8;i++）

{

ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1， ENABLE）;

// 使能指定的ADC1的軟件轉(zhuǎn)換啟動功能

while（！ADC_GetFlagStatus（ADC1， ADC_FLAG_EOC ））;//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 ? ? ? ?result+=ADC_GetConversionValue（ADC1）;

}

result=result/8; //取8次采樣的平均值

return result; //返回平均值

}

3.3 ?定時自啟動的設(shè)計

為了實現(xiàn)小車充電一分鐘后自行啟動的功能，需要STM32單片機完成1分鐘的定時設(shè)置。SysTick是一個24位的倒計數(shù)定時器[11]，當(dāng)計到0時，將從RELOAD寄存器中自動重裝載定時初值。程序片段如下：

void delay_ms（u16 nms）

{

u32 temp;

SysTick->LOAD=（u32）nms*fac_ms; ?//時間加載（SysTick->LOAD為24bit）

SysTick->VAL =0x00; ? ?//清空計數(shù)器

SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk ; //開始倒數(shù)

do

{temp=SysTick->CTRL;}

while（（temp&0x01）&&！（temp&（1<<16）））; //等待時間到達

SysTick->CTRL&=～SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //關(guān)閉計數(shù)器

SysTick->VAL =0X00; ? ? //清空計數(shù)器

}

4 ?測試方案與結(jié)果

首先進行充電檢測，對超級電容無線充電一分鐘，二極管指示燈亮起表明處于充電狀態(tài)，使用萬用表記錄測量結(jié)果。超級電容充電電壓記錄如表1所示。

充電電源開啟，單片機定時一分鐘后，小車立即自行啟動，向前水平直線行駛，直至能量耗盡，重復(fù)六次操作記錄數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表2所示。

電動小車整體實物圖如圖6所示。

5 ?結(jié)論

本文設(shè)計的基于STM32單片機的電動小車動態(tài)無線充電系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)模塊的選用和軟件的設(shè)計過程，具有良好的擴展性和可升級性。該系統(tǒng)利用無線充電技術(shù)結(jié)合雙向DC-DC升壓電路和超級電容儲能特性，通過STM32控制，完成電動小車長距離行駛。經(jīng)過多次無線充電測試以及水平軌道行駛，超級電容充電效率穩(wěn)定在85%以上，電動小車表現(xiàn)穩(wěn)定，續(xù)航能力可觀，證明了系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

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