具有发电储能的智能小车设计

实验题目：具有发电储能的智能小车设计

课程简要信息

课程名称：初级项目

课程学时：48学时

项目学时：课内36学时、课外12学时

适用专业：电气工程及其自动化（新工科）、电子信息工程（CDIO）

学生年级：三年级上学期（第5学期）

实验内容与任务

本项目以单片机为核心，结合电力电子、自动控制及传感器技术，设计既能通过外部驱动小车发电储能又可实现循迹寻物等功能的智能小车，包含了电路设计与仿真验证、电路制作与焊接、单片机编程、机械设计与组装、软硬件集成调试等环节，是侧重专业基础知识和能力的综合性设计项目。

1. 任务

设计并制作一个具有发电储能的智能小车，采用超级电容作为储能元件，在手动推动小车过程中通过电机为超级电容充电，充电完成后，小车完成要求的规定动作。

2. 基础要求

1. 在如图1所示区域内，手动推动小车从A点单向直线运动到B点，重复该过程6次完成一次充电，并通过LED指示充电过程。

图1 手动发电区域

2. 充电完成的小车置于指定起始点，一键启动开始前行直到自行停止，测量小车行驶的距离，在此过程中要求小车自主实时显示行驶距离。

3. 充电完成的小车置于环形跑道的起始点，一键启动后沿着黑色循迹线行驶直到自行停止，测量小车行驶的距离。

3. 提升要求

1. 设计可快速拆卸的电池及电源切换模块，将充电完成的小车置于赛道的起始点，一键启动沿着赛道黑色循迹线行驶，当检测到超级电容电量用尽小车完全停止后自动切换到电池模式，并跑完整个赛道，记录所用时长。

2. 在赛道循迹线下方放置多枚人民币壹元硬币，要求小车在行驶的第一圈探测硬币，每探测到一枚硬币 LED 灯点亮一次，并显示探测硬币的枚数。

实验过程及要求

1. 分析制定总体方案。

2. 单元电路设计与制作：

1. 从低功耗出发选择低功率的MCU和显示屏；

2. 根据发电机和超级电容储能原理，选择高效的发电机并设计储能电路，功能验证后完成PCB设计与焊接；

3. 驱动电机选择及驱动电路设计，满足低功耗、低惯量的要求；

4. 分析多样化用电需求，设计供配电集电源切换电路并验证，满足电压值及稳定性要求，完成PCB设计与焊接；

5. 完成电压监测、行程计算、循迹、硬币识别等传感器电路设计，根据各自的原理设计合理可行的方案并验证。

6. 组装与硬件集成测试：

1. 选择轻量化的车模；

2. 小车及硬件系统集成和功能测试。

3. 软件设计与调试：

1. 小车控制、行程测量、循迹、硬币识别功能的编程与测试；

2. 软件集成调试。

3. 小车功能集成与测试。

4. 项目测试与考核。

5. 撰写设计报告，分组汇报交流。

相关知识及背景

电动汽车乃至电动飞机是新能源在交通领域推广应用的关键，该智能小车通过发电储能、备用电池与储能切换模拟新能源机车电动机与燃油发动机的切换，同时也为自主驾驶的道路识别进行探索。该项目不仅需要运用电路与模电、数电与单片机、电路设计与实践等，还需要掌握电力电子、传感器与检测技术、自动控制原理等专业基础知识。同时，学生还需具备一定的机械设计组装、分析解决问题、数据分析与撰写报告的能力。

实验环境条件

实验场所：CDIO工作坊

实验工具：电烙铁、焊锡丝、螺丝刀套装、斜口钳、镊子、面包板

实验仪器：多路直流稳压电源、万用表、示波器、信号发生器、电脑

软件工具：Multisim软件、KEIL软件、嘉立创EDA软件

核心元器件及模块：STM32核心板、超级电容、电阻电容导线、二极管、稳压芯片、光电传感器、摄像头、涡流传感器、车模、OLED屏、高齿轮比直流电机、空心杯直流电机、MOSFET开关管、测速码盘、充电电池、继电器、赛道等。

教学目标与目的

1. “理论-实践-理论”知识培养

掌握超级电容充放电、升降压电路、电压采集的原理，设计应用电路；

掌握自动控制基本原理，利用PID算法实现小车精准快速控制；

掌握常用传感器原理，利用光电传感器、涡流传感器、编码器实现小车功能；

掌握单片机接口和寄存器，熟练完成小车信号采集、处理、控制、显示编程。

2. 能力培养

形成“原理→设计→验证→制作”的电路设计理念；

具备电路板设计与机械结构设计能力；

较强的动手实践能力和工程意识；

形成模块化软件设计理念；

数据分析与撰写报告能力。

3. 素养培养

自主探索、锲而不舍的工程韧性；

工程思维、创新思维与团队合作。

教学设计与实施进程

本项目是一个完整的工程实践过程，需要经历分析探索、方案论证、系统设计、系统调试、设计总结等过程。**项目采用课内与课外相结合、教学与实操相结合的方式，分散在第五学期的9周内完成，学生不停课，在每周五下午集中进行4学时课内教学与实操，课内共计36学时，其余时间学生自主支配，实验室全天开放，学生每周进行1-2学时必须考核的课外实操，总课外学时不少于12学时。**在实验教学中，重点从以下方面加强对学生的引导。

实验原理及方案

1. 智能小车总体方案

如图2所示，具有发电储能的智能小车由发电储能模块、配电电路、控制器、传感器模块、液晶显示模块、电动机模块、充电指示电路、电源切换电路及电池等组成。单元电路的设计和制作可根据需求采用不同的方案，此处重点围绕其中一种方案进行介绍。

图2 系统结构

2. 系统方案

1. 控制器

根据项目的测试要求，小车在充电完成后通过续航距离和识别硬币的数量作为重要的验收标准，低功耗成为核心要素，为了降低功耗同时提高控制器性能，建议采用STM32L系列低功耗MCU，待机电流仅为4mA，或采用AMR架构的GD32F450系列MCU。GD32F450最小系统原理图如图3所示。

图3 GD32F450最小系统原理图

2. 发电储能模块

为提高发电单元的储能，可采用高齿轮比的直流电机，然而，齿轮数量的增多势必会引入较大的摩擦力，降低系统效率，因此，本方案优选采用发电机和驱动电机相互独立的两套直流电机，然而，对于两轮小车则选用发电机和驱动电机合二为一的方案。发电机的电能来自于人在规定区域内克服电机摩擦力做的功，摩擦力也大，做的功就越多，小车储能越大。为提高发电量，本项目采用齿轮比47:1的高齿轮比直流电机作为发电机。为了防止电流倒流，发电机和超级电容之间串联低压二极管。充电指示灯通过在发电机正极并联发光二极管和电阻支路实现。发电储能及充电指示电路原理图如图4所示。

图4 发电储能及充电指示电路原理图

储能元件采用超级电容，超级电容不同于传统的化学电容，其在储能时不发生化学反应，且储能过程是可逆的，具有重量轻、充放电次数多、储能效率高等优点，在电动汽车、轨道交通等领域广泛应用。

3. 配电电路

超级电容的储能一部分用于最小处理器系统，另一部分则供给传感器模块及智能车驱动电路。最小系统的供电电压要求稳定在3.3V，当电压降低至2.2V后进入掉电休眠模式。为了保证智能车实现循迹寻物等功能，如图4所示，本项目采用同步BOOST和同步BUCK转换电路，对超级电容电压进行转换，以获取不同需要的直流电压。

图5 配电电路原理图

同步升压变换器可将低电压转换成高电压，为提高转换效率，通常选取同步整流结构对后级电流进行整流，现有专用的集成芯片如MT3608等可实现高效率电压转换。同步降压变换器与之相反，可将高压转换成低压，同理，为了提高转换效率，后级多采用同步整流模式。

4. 传感器模块

循迹模块采用一体化红外对管，它由发送器、接收器和检测电路三部分构成。循迹区域为白色时，红外线被反射到接收管，把光信号转换成电信号，作为小车的方向信号。

硬币探测电路选用基于电涡流效应的金属探测传感器，当传感器探头接近、或处于金属正上面时，电感电流增大，反之，电感电流减小。调试过程中，可根据硬件与探头的距离，适当调整电感电流，以提高传感器灵敏度。

距离测量选用直流电动机集成的测速码盘，小车轮子转到一周，码盘上的栅格转动10次，程序设计中，启用单片机定时计数器计算栅格数量，然后根据轮子直径即可换算出小车的行驶距离。

电压监测通过超级电容两端并联采样电阻实现。

图6 循迹及涡流检测电路原理图

5. 电动机模块

本文选用由MOSFET构成的直流斩波电路，由弥勒效应可知，MOSFET损耗主要包含开通、关断损耗两部分，提高开关速度、优化开关频率可有效降低开关损耗，通常情况下，选用低导通电阻的MOSFET。本项目选用N沟道MOSFET，电机安装在MOSFET的漏极，如图7所示。

图7 电机驱动模块原理图

驱动电路由单片机I/O口控制三极管的基极，三极管饱和导通时集电极-发射极导通，此时，P沟道MOSFET的栅极被拉低，进而使P-MOSFET导通，最终使PWM输出电平与IO口输出一致。例如当IO口输出高电平逻辑1时，Q1导通，从而使P-MOSFET管Q2导通，PWM输出高电平。

6. 液晶显示模块

项目要求用液晶屏显示行驶距离和检测到的硬币数量，为降低功耗，选用OLED作为显示器件。CPU处理后的小车行程、硬币识别数量送往OLED显示。

7. 电源切换电路

电源切换电路采用继电器实现，超级电容接入到继电器常闭触点，当电压监测模块采集的超级电容电压低于2V，单片机进入休眠状态，小车停止，这时继电器在MCU控制下切换到另一对触点，接通电池给智能车系统供电。

实验报告要求

本实验项目是一个依托专业基础知识的完整电子系统综合设计，能够很好的锻炼学生的工程思维能力和电路设计能力，并且可借助CDIO理念实现完整的项目设计流程，实验报告需反映以下工作：包括项目需求分析、方案论证、详细方案设计、电路设计与仿真验证、单元电路制作、电路及小车集成测试、软件流程图及代码、小车调试及改进、现场验收结果与数据分析、总结与体会。

1. 项目需求分析：根据任务书要求和技术指标，对智能车功能和电路模块功能进行简要描述，明确模块的功能、特性及主要参数指标。

2. 任务计划表：明确任务分工，制定时间进度表。

3. 方案论证：查阅资料，对比分析实现各功能模块功能的不同设计方案，从性价比、难易程度、实验室资源等多角度进行方案论证，从中确定最终方案。

4. 详细设计方案：包括理论推导计算、系统结构框图、电气原理图、程序流程图、系统仿真分析等。运用所学电路理论知识，分析电路参数选择的计算过程；完整记录系统模块组成框图、电气原理图；软件开发前梳理各逻辑的程序流程图；详细记录仿真调试过程，重点记录存在的问题和解决方法。

5. 系统调试及实验数据记录：根据任务对系统各功能进行测试，记录测试方法、步骤、数据和结论。

6. 实验结果总结：总结项目设计中存在的主要问题和解决方案，从功能和性能角度对作品的完成情况进行总结评价，从技能提高、团队协作方面给予客观评价。

7. 总结与体会。

考核要求与方法

本实验项目考核总分为100分，分为三个部分：项目现场演示与验收50分（评分标准如表1所示）、实验报告20分（评分标准如表2所示）、项目过程考核30分（评分标准如表3所示）。

表1 项目验收评分标准（50分）

表2 实验报告评分标准（20分）

表3 项目过程考核评分标准（30分）

项目特色或创新

1. 定位专业基础知识应用，探索电驱动及切换技术：综合应用电路、电子技术、电力电子、传感器及检测技术、自动控制原理、单片机等专业基础知识解决工程问题。该项目研究发电储能、智能车驱动及循迹、储能及备用能源切换等核心技术，与快速发展的电驱动和自主驾驶等息息相关。

2. 模块化的软硬件设计思想：硬件系统遵循方案设计、仿真分析、电路设计、功能测试的流程完成各模块电路，由简到繁增加系统功能，边增加边调试，直至完成整体组装，便于发现集成中的问题，改进针对性强。软件设计遵循模块化理念，需要什么功能就在主函数调用相应子函数，软件集成中通过一项添加一项，避免复杂程序中难以查找问题的弊端。

3. 较强的可延续性和可拓展性：完成本项目功能的基础上，通过专业知识的深入学习，在大三学年的高级项目中通过拓展应用继续开展深入研究，比如和电驱动飞机相结合。同时，该项目适合学生参加电子设计竞赛、智能车竞赛等科技活动，提升学生的实践能力。
   佐证材料一：课程大纲

佐证材料二：开课过程

1、同学们在老师指导、自己动手实操和团队配合下，通过电路设计、制作、装配、软件设计、集成测试等环节完成项目任务。

附图1 项目教学实施情况缩影

2、通过努力，同学们设计出了方案各异、功能完整的智能小车，并在赛道上现场测试，讲解自己的设计方案。

附图2 小车实物及调试讲解

3、小车最终通过指定的跑道进行项目验收。

附图3 智能车测试验收场景

佐证材料三：实验报告节选

实验报告项目按照工程设计思路，主要包括方案设计、详细设计、测试与分析、项目总结等内容，通过方案合理性、内容完整性和格式规范性锻炼和提升学生总结拓展能力、设计思想表达能力和报告文档撰写能力。