基于STM32芯片自行車胎磨式智能發(fā)電系統(tǒng)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(qū)玉林市 537000）

隨著社會、科技、文明的提高，傳統(tǒng)的自行車已經(jīng)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(huán)境污染越來越嚴重的情況下，綠色、環(huán)保、增效的理念越來越深入人心。因此，人們越來越注重環(huán)保型工具的應用，環(huán)保型交通工具逐漸成為交通的新主角。隨著城市的發(fā)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(jīng)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(jié)合發(fā)電機模塊、整流穩(wěn)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(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)了自行車通過騎行使之發(fā)電并儲能，并可供應車燈系統(tǒng)、手機、MP3等移動設備的使用。通過液晶顯示屏還可實時監(jiān)控當前發(fā)電機的發(fā)電功率、充電電量、車速等相關信息。本設計具有操作簡單、穩(wěn)定性高、綠色環(huán)保、智能等優(yōu)點，在節(jié)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(tǒng)的整體設計

本設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fā)電模塊、整流穩(wěn)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(chǎn)生的交流電[1]，再經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓產(chǎn)生穩(wěn)定電壓的直流電，存儲到充電寶中，以備車燈、系統(tǒng)和移動設備等使用。液晶屏還可實時監(jiān)控發(fā)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(fā)電機發(fā)電

自行車發(fā)電機作為本系統(tǒng)的核心，采用12 V 6 W的自行車發(fā)電機，鋁外殼，便于更好的散熱。自行車發(fā)電機是利用輪胎轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動從而產(chǎn)生交流電[2]，再經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓產(chǎn)生穩(wěn)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(tǒng)的核心控件

本系統(tǒng)采用STM32F103芯片作為主控芯片，是一款32位ARM微控制器，內(nèi)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(jié)[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(tǒng)定時器，其中1個16位帶死區(qū)控制的PWM高級定時器，大學生常用于調(diào)逆變電壓，解決盲區(qū)的難點問題。其內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)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(fā)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(wěn)壓產(chǎn)生穩(wěn)定電壓的直流電，經(jīng)剖析反饋回來的電壓所包含的信息有實時監(jiān)測發(fā)電機功率、蓄電池的電量、自行車的速度等。

2.3 整流穩(wěn)壓電路的設計

圖1：本設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：本設計整體外形實物圖

整流穩(wěn)壓電路圖見圖3。此部分的設計是將輪胎帶動產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)為直流電，輸出的直流電隨著電壓的變化而變化[5,6]，經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流電壓。整流電路的任務是利用二極管的單向?qū)щ娦?，把正、負交變?0Hz電網(wǎng)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(wěn)定的，在電網(wǎng)電壓或負載變化時，該電壓都會產(chǎn)生變化。在經(jīng)過整流濾波后，還須經(jīng)過穩(wěn)壓電路，才能使輸出電壓在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動時，碼盤會不斷遮擋光敏元件發(fā)出的光波，這時候編碼器就會根據(jù)光柵的遮擋不斷的產(chǎn)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(jù)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(shù)據(jù)

圖3：整流穩(wěn)壓電路圖

圖4：測速模塊電路圖

3 本設計軟件設計

系統(tǒng)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進行信息處理輸出，經(jīng)分析反饋回來的電信號所蘊含的外界信息對系統(tǒng)其它硬件設施進行相應的動作控制程序。系統(tǒng)有AD采集電壓，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，監(jiān)測充電寶電量以及發(fā)電機功率等執(zhí)行程序，利用測速模塊監(jiān)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(tǒng)軟件設計的流程圖如圖5所示。

4 測試驗證

為了產(chǎn)品質(zhì)量的保證，進行了如表1的測試。

實驗結(jié)果：從表1中數(shù)據(jù)可以證實，本設計系統(tǒng)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(jié)束語

圖5：系統(tǒng)軟件設計框圖

自行車胎磨式發(fā)電系統(tǒng)可以通過騎行發(fā)電并將電能儲存，以供車燈、系統(tǒng)、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(jiān)測發(fā)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(tǒng)使現(xiàn)有的傳統(tǒng)自行車與綠色功能系統(tǒng)相結(jié)合，得到了進一步的優(yōu)化和提高，讓人們的出行有了更高的保障，從節(jié)能的角度出發(fā)提高了用電效率，為發(fā)展節(jié)能環(huán)保工程的推動起到了積極的作用，具有廣闊的應用前景。