实验题目：车辆制动能回收充电系统

1. 课程简要信息

课程名称：电子系统课程设计

课程学时：32学时

适用专业：自动化、电子科学与技术

学生年级：大三

2. 实验内容与任务（限 500 字）

设计并制作一套模拟车辆制动能回收系统。系统由惯性轮、电机、“制动能回收电路”、“回收能量再利用电路”和“电机转速测速电路”构成，系统示意图如下图：

图 2.1 系统示意图

电机启动过程使用直流 $+ 5 V$ 稳压电源（实验室提供）供电，当测速电路指示电机旋转达到不高于每秒 90 转时，搬动单刀双掷开关，将电机由连接电源（1 端）切换到连接 “制动能回收电路”（2 端）。此时惯性轮带动电机产生电能。“制动能回收电路” 尽可能多地回收电能并为储能电容充电。

当储能电容两端的电压不再增加后，记录电容两端的电压，拔下储能电容，插在 “回收能量再利用电路”中。该电路以恒定电流驱动一个白色发光二极管，记录发光二极管恒流驱动的时间。

1. 基本部分（60 分）

（1） 设计并制作一个用于制动能回收电路 的 DC-DC 稳压电路，使用直流稳压电源供电。使用万用表观察输出电压，当供电电压在 $+ 4 \mathrm { V } { \sim } + 1 5 \mathrm { V }$ 连续变化时，输出可以稳定在 $+ 3 \mathrm { V }$ ，且最大误差小于 0.1V。测试过程中不能断开稳压电路输出端同其他电路的连接。（20 分）

（2） 设计并制作一个用于制动能回收电路 的脉冲发生电路，要求可以产生一个$5 0 0 \mathrm { H z } { \sim } 2 \mathrm { k H z }$ 连续可调的脉冲波形，占空比不限。使用示波器观察输出波形，波形应无明显失真。电路要求采用基本部分(1)中的 DC-DC 稳压电路供电。（20 分）

（3） 设计并制作一个制动能回收电路，要求尽可能多地回收电机动能并为储能电容（ $( 4 7 0 0 \mathrm { u F } / 2 5 \mathrm { V }$ 电解电容）充电。回收电压不小于 15V。（20分）

2. 提高部分（仅在基本部分得分在 45分以上时进行测试，分数不设上限）

（1） 设计并制作一个可以不依赖外接电源工作的制动能回收电路，回收电压不小于 14V。（20 分）

（2） 设计并制作一个电机转速测量电路，可以测量电机的转速并显示，测量单位为“转/秒”测量范围不少于 1.0转/秒~100.0转/秒，转速测量误差小于 1 转/秒。（20 分）

（3） 设计并制作一个独立的发光二极管驱动电路 （回收能量再利用电路），以大于 $\mathrm { 5 m A }$ 的恒流驱动一个白光发光二极管点亮，记录发光二极管点亮时间（以恒流驱动且驱动电流不小于 5mA 的时间计），点亮时间不小于 15 秒。（20 分）

（4） 在完成提高部分(2)的前提下（得分 10 分以上），设计稳定可调的电机转速控制电路。电机转速可以在 1 转/秒~100 转/秒手动调节，使用“+”、“-”按钮设置转速并显示预设转速。供电无限制。（20分）

（5） 在完成提高部分(1)的前提下（得分 20 分），显著提高回收效率（回收电压）。提高 3V以上，每提高 3V 加 5 分，不设上限。

（6） 在完成提高部分(3)的前提下（得分 20 分），显著提高点亮时间（恒流驱动时间）。提高2s 以上，每提高 1s 加 2 分，不设上限。

（7） 其他有实际意义的新功能、显著的性能提高、低成本等。（视具体功能及完成情况给分，不设上限）

3. 实验过程及要求（限 300字）

1） 本实验包括实物设计制作、撰写报告、答辩三个环节。

2） 实物设计制作环节要求学生以小组为单位完成设计任务，对设计任务中的功能和技术指标要求进行分析，通过查阅资料、仿真评估、验证试验、小组讨论等环节，共同完成系统设计方案的论证与评估，分工合作完成设计作品实物的硬件制作、软件编写、调试，针对设计任务中要求的功能和技术指标设计测试方案对实物作品进行测试。此项占总成绩的 $5 0 %$ 。

3）设计报告撰写要求参加第 7 项。此项占总成绩的 $2 0 %$ 。

4）答辩针对设计中涉及到的技术原理、方案设计与评估、团队分工与合作等方面向小组中的每个学生提出问题，进行答辩，并给予评价。此项占总成绩的 $3 0 %$ 。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

制动能回收技术是现代电动汽车以及混合动力汽车的重要技术之一，其目的是提高车辆的综合能源利用率。制动能量回收是指把电动汽车不需要的或有害的惯性运动产生的动能转化为电能，并回馈供电系统。同时产生制动力，使车辆快速停止惯性转动。研究表明，在行驶工况变化比较频繁的路段，采用制动能回收技术的新能源汽车可节能约 $20 %$ 。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

本实验在电子技术类课程基础上培养学生的电子系统工程设计能力。实验题目面向工程实际问题，使学生将理论与实践紧密结合，加深对相关理论的理解，掌握利用现代技术手段设计电子系统的基本方法，培养学生的工程实践能力和创新意识。

6. 教学设计与引导

本题目是一个完整的电子工程设计，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、参数测试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1） 课堂讲解电子系统设计的基本方法和设计流程，包括信息收集与文献资料查阅、设计方案的构思过程、多种设计方案比较论证评估的原则与方法、常用的设计工具、电子系统的电磁兼容性设计、技术文档的撰写规范等内容。

（2） 引导学生复习可能用到的元器件、仪器仪表、基础电路设计等基本知识。

（3） 以一个实际电子系统的设计过程为例，详细讲解电子系统的设计方法和设计过程。

（4）在课堂上布置本次课程设计中要求学生完成的具体设计任务，包括题目的实际工程背景以及具体的功能和技术指标要求。

（5） 引导学生查阅资料，了解相关领域最新的工程技术。

（6）在学生实验过程中，教师安排固定时间采用面对面和网络课程平台等多种方式对学生进行答疑指导。

（7）在中期检查的过程中，应及时纠正学生的原理理解错误和方案设计错误，验收部分功能，监督题目的完成进度。

7. 实验原理及方案

（1） 系统结构：

系统由“制动能回收电路”、“回收能量再利用电路”、测速电路、储能电容以及运动部件构成（见图 2.1）。其中“制动能回收电路”、“回收能量再利用电路”和测速电路是需要学生自行设计制作的部分。运动部件由微型直流电机和尼龙惯性轮构成，惯性轮转动惯量较大，用于模拟车辆运动产生的动能。

（2） 实验原理：

电机由 $+ 5 \mathrm { V }$ 直流稳压电源驱动旋转，带动惯性轮获得初始动能（见图 7.1）。当测速电路指示电机旋转达到不高于每秒 90 转时，搬动单刀双掷开关，切断供电并将电机连接到“制动能回收电路”。（见图7.2）此时电机反向作为发电机使用，惯性轮带动电机旋转产生感应电压。“制动能回收电路”尽可能多地回收电能并为储能电容充电。

图 7.1 储能过程

图 7.2 回收过程

根据电磁感应定律可推知，开关搬动前后，电机的输出电压是同向的。由于电刷的存在，电机接口的输出波形将是整流后的交流波形。

当储能电容两端的电压不再增加后，记录电容两端的电压，拔下储能电容，插在回收能量再利用电路中。“回收能量再利用电路”以恒定电流驱动一个白色发光二极管，记录发光二极管恒流驱动的时间。

（3） 实现方案：

“制动能回收电路”由脉冲发生电路、升压电路和DC-DC 稳压电路构成（见图7.3）。脉冲发生电路由DC-DC稳压电路供电，并向升压电路提供脉冲信号。

图 7.3 制动能回收电路示意图

为保证尽可能多地回收能量，设计中需要尽量降低 DC-DC 稳压电路和脉冲发生电路的功耗，并提高升压电路的效率。在题目的基本部分中DC-DC稳压电路可以使用外部电源供电，提高部分中使用回收的电能供电。

“回收能量再利用电路”由 LED 恒流驱动电路和 LED 发光管构成。LED 恒流驱动电路使用 Bulk型或 Bulk-Boost 型开关恒流驱动电路，吸收储能电容中的能量并以恒定电流驱动 LED 发光。设计中需要尽量降低 LED 恒流驱动电路的功耗并提高电路的效率，以实现更长的驱动时间。

“测速电路”由红外对管、信号调理电路、测频电路和显示电路构成（见图7.4）。惯性轮上贴一条黑色胶带吸收红外反射光，红外接收管采集的反射信号经由迟滞比较器构成的信号调理电路转换为方波，再由单片机或计数器构成的测频电路测量出信号频率，最后由显示电路显示频率值。

图 7.4 测速电路示意图

8. 教学实施进程

（1） 布置设计任务

布置本次课程设计中要求学生完成的具体设计任务，包括题目的实际工程背景以及具体的功能和技术指标要求。明确课程考核要求。

（2） 电子系统设计方法及案例讲解

引导学生复习可能用到的元器件、仪器仪表、基础电路设计等基本知识；讲解电子系统设计的基本方法和设计流程，包括信息收集与文献资料查阅、设计方案的构思过程、多种设计方案比较论证评估的原则与方法、常用的设计工具、电子系统的电磁兼容性设计、技术文档的撰写规范等内容；并以一个实际电子系统的设计过程为例，讲解电子系统设计方法与步骤。

（3） 方案设计与评估

学生以小组为单位，对设计任务中的功能和技术指标要求进行分析，通过查阅资料、仿真评估、验证试验、小组讨论等环节，共同完成系统设计方案的论证与评估。

（4） 实物制作

学生以小组为单位，分工合作完成设计作品实物的软硬件制作与调试。并针对设计任务中要求的功能和技术指标，设计测试方案对实物作品进行测试。

（5） 中期检查

在中期检查的过程中，教师以小组为单位对学生的实验进度进行检查，每个成员均须报告本人所完成的具体工作，并提供相关支撑材料证明。教师应及时纠正学生的原理理解错误和方案设计错误，验收部分功能，监督题目的完成进度并给出平时成绩。

（6） 答疑指导

在学生实验过程中，教师应安排固定时间采用面对面和网络课程平台等多种方式对学生进行答疑指导。

（7） 撰写报告

为培养学生的专业书面表达能力，课程要求每名学生单人独立撰写设计报告。设计报告内容应包含系统总体方案的设计与比较、具体软硬件设计方案、制作调试过程、系统测试、使用说明、成本效益评估、小组人员分工、意见建议反馈等内容。

（8） 考核评价

采用实物作品测试、答辩和设计报告评阅等方式对学生设计作品的功能和技术指标进行现场测试和评分；针对设计中涉及到的问题对每个学生提出问题，进行答辩和评分；并评阅学生的设计报告。

9. 实验报告要求

为培养学生撰写技术文档的能力，设计报告要求小组中每名学生“背靠背”独立撰写。报告内容要求如下：

1 设计任务要求

2 设计方案及论证（35 分）

（1）方案分析比较（20分）

（2）系统结构设计（5 分）

（3）具体电路设计（5 分）

（4）单片机软件算法流程（5 分）

3 制作及调试过程（20分）

（1）制作与调试流程（10分）

（2）遇到的问题与解决方法（10 分）

4 系统测试（15 分）

（1）测试方案（含接线图）（5 分）

（2）测试数据（表格）（5分）

（3）数据分析和结论（5分）

5 系统使用说明（10 分）

（1）系统外观及接口说明（5 分）

（2）系统操作使用说明（5分）

6 成本与效益评估（10 分）

7 总结（10 分）

（1）本人所做工作（5 分）

（2）收获与体会（5 分）

（3）对本课程的建议

8 参考文献

10.考核要求与方法（限 300字）

（1）成绩构成

实物作品——包括平时成绩和实物测试成绩两部分。平时成绩通过两次中期检查评定，以人为单位打分；实物测试成绩由最终实物作品的功能和性能指标测试给定，以小组为单位打分。此项占总成绩的 $5 0 %$ 。题目配有完整的评分表，包括测试方法和细化的评分标准。

设计报告——每人独立撰写，单独打分。针对设计过程和设计方案的科学性、理论分析与测试的严密性、文字表达能力等方面因素，给予评价。此项占总成绩的 $2 0 %$ 。

答辩——单人答辩，单独打分。针对设计中涉及到的技术原理、方案设计与评估、团队分工与合作等方面向小组中的每个学生提出问题，进行答辩，给予评价。此项占总成绩的 $3 0 %$ 。

（2）评定方式

A、 $\mathrm { B ^ { + } }$ 、B、 $\mathrm { C } +$ 、C、 $\mathrm { D } +$ 、D、F）。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

（1）综合性。实验内容同时涵盖模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术。

（2）设计性。电路硬件和单片机程序完全由学生自行设计，

（3）原创性。题目新颖，全新设计，避免学生抄袭。

（4）趣味性。包含运动部件，演示效果好，激发学生的学习热情。

实验案例信息表