基于STM32的智能小车无线充电系统设计与应用.pdf

嘉应学院学报（自然科学）16基于 STM32 的智能小车无线充电系统设计与应用邱萌萌，刘瑞，徐林（安徽机电职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖 241000）摘要：为了解决目前无线充电存在充电效率低、充电距离极近等问题，以小车为例，设计了一种基于 STM32的智能小车无线充电系统.以 STM32 单片机为控制端，设计的无线充电装置为核心，结合自启动模块、储能装置、稳压模块以及电机驱动装置等部分组成系统.通过设计的无线充电装置给储能超级电容充电，稳压模块进行稳压，经过自启动装置实现小车一定时间的循迹功能.经最终验证表明，设计智能小车无线充电装置较传统小车，具有充电效率高、循迹准确度高、运动距离远等优点，具备很大的发展潜力与市场，是无线充电未来的发展方向.关键词：智能小车；无线充电；超级电容；STM32 芯片中图分类号：TN837；TN859文献标识码：A文章编号：1006-642X(2023)03-0016-070 引言随着智能产品的推出，催化了充电市场的发展，再加上技术迭代与消费者需求的改变，人们开始追求一种更方便、更快捷的充电方式，因此无线充电技术应运而生.无线充电技术（Wireless chargingtechnology）是以空气介质为基础，结合电磁感应、激光发射等实现非金属载体的新式电能传输技术1.其具有充电安全、无接触式、无漏电等优点.目前，无线充电的方式主要有 4 种类型，分别是电磁感应的磁耦合方式、电磁波近场谐振的磁共振方式、电场进行能量传输的电场耦合方式、以及通过电磁波辐射的微波传输方式.无线充电智能小车可在自动化生产线、特殊环境运输、物资供给等工业、医疗领域使用，具有广泛的应用前景.本文设计以电磁感应的磁耦合方式为智能小车无线充电.通过无线充电系统对智能小车进行预设时间的充电或充满后自动断电，然后智能小车按一定的要求进行自动运行或循迹来测试充电效果，所设计的无线充电系统采用电磁感应式(利用电流通过线圈产生磁场实现近场无线供电)无线充电；无线充电装置的发射端采用直流稳压电源供电，接收端安装在小车的底部，为使输出电压较为稳定，在接收端和超级电容之间设计了稳压电路，该系统不仅解决了眼下有线充电的缺点，同时其无线充电距离可达 3040 mm，较其他无线充电技术有较大提升.1 系统整体设计本系统采用自制的无线充电模块，其充电过程如下：首先将直流稳压电源接在无线充电模块的发射端，通过对发射端供电，使其发射信号发送至接收端，接收端接收信号后开始充电.在发射线圈的一端加上逆变器使直流电逆变输出交流电.在接收端加上整流滤波电路，使其得到的电流稳定，输出到超级电容收稿日期：2022-09-26基金项目：国家自然科学基金项目（61903002）；安徽省教育厅自然科学研究项目（KJ2021A1524，KJ2021A1518）；安徽省质量工程（21KCSZSFKC82）作者简介：邱萌萌（1987-），女，安徽宿州人，讲师，硕士，主要研究方向：智能控制.第 41 卷第 3 期2023 年 6 月Vol.41NO.3Jun.2023嘉应学院学报（自然科学）JOURNAL OF JIAYING UNIVERSITY(Natural Science)第 41 卷第 3 期邱萌萌，刘瑞，徐林基于 STM32 的智能小车无线充电系统设计与应用17进行供电.通过继电器通电常闭触点闭合来实现发射器停止发射的状态检测.将继电器的一端接在接收线圈上，另一端接在稳压模块上，当无线充电装置开始工作时，继电器的常闭断开，常开闭合.法拉电容开始充电，充电一段时间后，自动断开电源，此时继电器断电，常闭触点闭合，小车开始自行启动.以小车循迹测试为例，启动后，小车沿黑色轨迹行驶，并绕圈运行，小车前端安装有两组单个循迹模块，通过扫描黑色痕迹来实现智能循迹，系统整体设计框图如图 1 所示，无线充电系统框图如图 2 所示，实物及测试环境平台如图 3 所示.图 1系统整体设计图 3实物及测试环境平台图 2无线充电系统框图2 硬件设计本系统采用自制无线充电装置，通过无线充电装置对小车进行充电，供电结束自动断电后，小车向前直行或循迹直至电量耗尽.系统主要由以下模块组成：无线充电模块，电容储能模块，电机驱动模块，循迹模块以及稳压模块.2.1 主控设计主控端可采用 51 系列单片机、STM 32 系列单片机及飞思卡尔单片机等.相比较而言，STM 32 单片机外设开关和时钟频率可调，可控制功耗高低，可使功耗控制在较低水平，减少小车无线充电的功率损耗，使得小车运行时间更长，跑动距离越远.因此，本系统采用 STM 32 单片机最小系统板作为控制端.STM 32线圈发射端线圈接收端Buck-Boost升降压模块STM32 单片机最小系统L298N寻迹模块驱动电机超级电容直流稳压源15V0.5A发射端接收端整流滤波超级电容稳压电路负载继电器逆变器无线嘉应学院学报（自然科学）18单片机控制电路图如图 4 所示.图 4STM32 单片机控制电路图2.2 无线充电模块若采用传统的集成手机无线充电模块对小车进行充电，虽然充电较快、充电较稳定，但是接收装置焊接较为复杂，工作量大，并且电路板信号容易出现干扰.考虑时间、信号等条件，因此设计了无线充电装置，可实现发射端 5 V/2 A，接收端为 5 V/1 A 的无线充电，可以实现对小车进行高效充电.无线充电技术按照功率大小可分为小功率与大功率无线充电技术.本系统采用电磁感应式小功率充电方式进行无线充电模块设计.当交流电流过一次线圈，会在二次线圈产生电流，通过这种方式，进行能量的转移.由于模块间充电方式采用磁场形式传输，可以避免导线的外露2.第 41 卷第 3 期邱萌萌，刘瑞，徐林基于 STM32 的智能小车无线充电系统设计与应用19无线充电系统的发射端、接收端设计电路图如图 5、图 6 所示.该系统采用 XKT-510 芯片通过电磁感应原理对其进行充电，经过改进的无线充电电路独特之处可实现充电距离可达 30 40 mm，目前市场成熟的方案只能在 10 mm 以内的距离实现无线充电.具体设计实物图如图 7 所示.图 5无线充电装置发射端图 7无线充电模块实物图图 6无线充电装置接收端2.3 电机驱动模块由于步进电机输出力矩较大，一般情况下可直接驱动负载；当负载未达到额定值时，脉冲的数量及频率决定电机转速与停止位置，负载的变化不会对其产生作用，即电机接收到脉冲信号，就会转动相应步距角的线性关系，并且步进电机只具备周期性误差而无累积误差.直流电机的具有良好的起动性和调速性，其调速范围平滑，直流电机的直流相对于交流更加环保，小车行驶平稳性更强，功率消耗更低.直流电机可以满足低功耗，运行距离较远等特点3，因此本系统采用直流电机.2.4 稳压模块本系统采用 LM 2596S 稳压模块，嵌有固有频率为 150 kHz 的振荡器与 1.23 V 的基准稳压器，具备限流、过热断电等保护电路，但是该模块发热量高，而且输出电流较小.因此采用已改造升级的 kis-3r33稳压模块，该模块是一个可调的升降压模块，采用的技术是同步整流技术，使转换效率可达 95%以上，实现了高效率转换4-5.该模块使用的电容是固态电容，同时带软关机功能，提高整体安全性，并且带工作嘉应学院学报（自然科学）20指示灯，能更加清楚模块的工作状态.电机驱动模块图如图 8 所示.图 8电机驱动模块图2.5 电容储能模块超级电容的充放电能够为小车驱动提供电能，因此，超级电容的有效充放电显得尤为重要.为了提高超级电容的有效充放电，需要结合硬件电路以及超级电容的不同参数，通过逐个测试的方式，进行超级电容规格的选择6.通过对电容的充电效率和电量来选择电容，主要选择的规格有：2.7 V/2 F，2.7 V/5 F，6.3 V/1F.在选择超级电容时，先将两个 2.7/5F 超级电容进行串联后与第三个 2.7/5F 超级电容并联，获得新电容 5.4 V/7.5 F，再对这个新的电容进行测试.用直流稳压源模拟无线充电模块对大电容充电，由于无线充电本身有消耗，实际的充电效率在 60%左右.模拟无线充电得到的实际充电一分钟所充的电压为 10 V，通过模拟对其进行选型.电容串并联电路如图 9 所示，计算公式如下：,21UUU（1）,*2121CCCCC（2）),max(21UUU（3）21CCC.（4）（a）电容串联（b）电容关联图 9电容串并联图通过电容的串并联公式进行计算，最终选择 5.4V/7.5F 的超级电容来对其供电.经过多次试验，在规定的时间内，5.4V/7.5F 的超级电容所充电量最多.2.6 超级电容的测试数据本设计通过串并联电容对其进行测试，在相同条件下，多次测量，预设 1 min 为例，电容所充电量.第 41 卷第 3 期邱萌萌，刘瑞，徐林基于 STM32 的智能小车无线充电系统设计与应用21并记录数据如图 10 所示.从数据可以看出采用 5.4V/7.5F 的超级法拉电容为最佳方案.3 程序设计3.1 程序设计流程图本系统以预设充电 1 min 为例，通过判断继电器触点状态，决定是否给发射端供电，充电完成后小车自启动，主流程图如图 11 所示7.图 10电容充电的电压柱状图图 11主程序流程图4 测试结果4.1 小车距离测试结果为减少车体本身的功耗，后轮使用单个万向轮，先将无线充电模块连接稳压源使得无线充电模块对其进行供电.测试 1min 内小车的充电量.充电结束后，小车自动启动，绕跑到行驶，直到电量耗尽.再测量并记录距离，多次测量，记录下小车行驶的距离.如下表 1 所示.在智能小车中融入了无线充电技术，通过对无线充电装置的设计实现了智能充电，为保护储能装置设置了当电量低于 10%时，小车自动找到无线充电装置进行充电；当充电完成后，小车自行启动行驶.经过实验测试表明，本系统小车经过充电后，运动距离远达近 6 m.4.2 小车运动时间测试结果测试小车充电 1 min 后实际的运动时间.充电结束后，小车自动启动，绕跑到行驶，直到电量耗尽.记录运动时间，多次测量，记录小车实际的运动时间如图 12 所示.经过实验测试表明，本系统小车经过充电后，可运动时间多达 35 s 以上，较其他小车运动时间更长.4.3 小车充电效率测试结果测试小车在 1 min 时间内的充电效率，充电效率指电池放电时的电量与充电时的电量之比.记录小车表 1小车行驶的距离测量次数123行驶距离/m5.35.15.6嘉应学院学报（自然科学）22实际的充电效率如图 13 所示.图 12小车运动时间测试结果图图 13小车充电效率测试结果图经过实验测试表明，本系统小车经过充电后，充电效率高达 60%以上，较其他小车的充电效率更高.综合以上测试结果，可以看出，不同的充电距离，对储能装置充电效率不同，为保证充电效率，最终测得的充电距离可达 40 mm，促使无线充电技术向着低成本、远距离、高效率的方向发展.参考文献：1 王玢,王祎冰.无线充电最新技术应用及行业规范发展J.数字通信界,2021(7):41-42,58.2 高志强,赵海茹,杨扬.无线充电寻迹小车的设计J.内燃机与配件,2021(12):215-217.3 郝立果,邹玉茹.无线充电智能小车的设计J.电子制作,2019(23):34-36.4 金鑫.AGV 小车无线充电装置的设计J.黄冈职业技术学院学报,2020,22(4):114-116.5 王乐,钟广仁,熊少华,等.无线充电电动小车设计与实现J.东西南北,2018(14):123.6 纪鑫哲,叶尔深艾尔肯,叶博远,等.一种基于超级电容快速充电的循迹小车设计J.无线互联科技,2020,17(4):73-75.7 李兴旭,魏磊,高琴.基于单片机的无线充电电磁循迹小车J.物联网技术,2019,9(2):90-94.8 邱威,黄泰,张华.基于 MSP430 的电动小车无线充电系统J.电子制作,2020(19):48-50,57.责任编辑：王石榴Design and Application of Smart Car W ireless Charging System Based on STM32QIU Meng-meng，LIU Rui，XU Lin(Mechanical and Electrical Engineering,Anhui Vocational College,Wuhu 241000,China）Abstract:Abstract:In order to solve the problems of wireless charging,such as low charging efficiency and extremely closecharging distance,taking the car as an example,an intelligent car wireless charging system based on STM32 isdesigned.STM32 MCU as the control,the design of wireless charging device as the core.The system is composed ofself-starting module,energy storage device,voltage regulator module and motor driving device.The designed wirelesscharging device charges the energy storage supercapacitor,the voltage regulator module regulates the voltage,and thecar can track for a long time through the self-starting device.The final verification shows that compared with thetraditional car,the wireless charging device of the smart car has the advantages of higher charging efficiency,highertracking accuracy and longer movement distance.It provides great development space and market potential for thedevelopment of wireless charging technology,which is the mainstream direction of the future development of chargingtechnology and products.KeyKey wordswords:smart car;wireless charging;supercapacitor;STM32 chip