基于超級電容的無線充電設(shè)計參賽作品說明書..

1、參賽作品說明書課題名稱:單片機(jī)控制的無線充電的微型電動汽車設(shè)計所屬院校：院系專業(yè):信息工程學(xué)院通信工程制作團(tuán)隊:趙洋濤、范倩、唐軻指導(dǎo)老師：完成時間：2013.6.11摘要本作品主要采用無線充電技術(shù)與超級電容，用單片機(jī)控制無線充放電的切換，無線充電線圈的定位，實現(xiàn)了無線充電的微型電動汽車設(shè)計。本系統(tǒng)使用無線充電與超級電容，可安全，快速，有效的為小車提供電能。親手設(shè)計基于單片機(jī)的無線控制模塊電路，并制成了PCB板，通過軟件編程實現(xiàn)無線充放電模式的自動切換并用LED燈提示，可隨時用LCD顯示充電的電壓，充電的時間。小車用L298N電機(jī)驅(qū)動模塊進(jìn)行驅(qū)動，并通過無線遙控控制小車行進(jìn)方向。關(guān)鍵字：無線充

2、電超級電容無線充電控制21目錄摘要2.目錄3.1概述5.1.1背景5.1.2作品的優(yōu)勢5.2總體設(shè)計53硬件設(shè)計63.1無線充放電控制模塊63.1.1A/D轉(zhuǎn)換模塊63.1.2顯示模塊7.3.1.3最小單片機(jī)系統(tǒng)8.3.2無線充電模塊超級電容83.3四鍵無線遙控控制模塊93.4電機(jī)驅(qū)動模塊1.04軟件設(shè)計104.1軟件開發(fā)環(huán)境1.04.1.1C語言開發(fā)環(huán)境1.04.1.2keil開發(fā)環(huán)境114.1.3STC-ISP開發(fā)環(huán)境1.14.2軟件程序設(shè)計1.14.2.1時間顯示設(shè)計1.14.2.2電壓監(jiān)控設(shè)計1.24.2.3充放電切換1.24.2.4無線遙控程序設(shè)計1.35發(fā)展方向146附錄1.46.

3、1無線充放電控制原理圖146.2無線充放電控制PCB圖156.3源程序1.56.3.1無線充放電控制源程序156.3.2無線遙控源程序2.01概述1.1背景當(dāng)今社會，隨著世界工業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類在能源方面面臨著前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，研究開發(fā)替代性綠色能源有著至關(guān)重要的現(xiàn)實意義。手機(jī)、MP3和筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備進(jìn)行充電主要采用的是一端連接交流電源，另一端連接便攜式電子設(shè)備充電電池的傳統(tǒng)充電方式。這種方式有很多不利的地方，首先頻繁的插拔很容易損壞接頭另外也可能帶來觸電的危險。因此非接觸式感應(yīng)充電器在上個世紀(jì)末期誕生憑借其攜帶方便、成本低、無需布線等優(yōu)勢迅速受到各界關(guān)注。因此，

4、實現(xiàn)無線充電，能量傳輸效率高，便于攜帶成為充電系統(tǒng)的研究方向之一。1.2作品的優(yōu)勢本作品通過硬件搭建，實現(xiàn)對超級電容的無線充電，再通過超級電容放電，對小車進(jìn)行供電，用無線遙控模塊遙控小車。全過程使用單片機(jī)軟件編程進(jìn)行控制與監(jiān)控，實現(xiàn)全部功能。本作品的優(yōu)點集中在以下幾個方面：1. 無線充電解決電氣接口不同或充電器不兼容的問題，增強(qiáng)便攜性、美觀性以及使用的安全性。在小功率充電方面，產(chǎn)生的磁場與地球磁場相近不會對人體產(chǎn)生傷害，并且電能轉(zhuǎn)化的效率高。2. 超級電容在各種電能儲存方式中具有功率密度高，充電速度快，循環(huán)使用壽命長，效率高，充放電過程基本可逆，低溫性能優(yōu)越，控制簡單，綠色環(huán)保，安全性好的優(yōu)勢

5、。使用超級電容能大大提高儲存電量。3. 使用單片機(jī)軟件編程控制充放電的過程安全性好，電路設(shè)計簡單，軟件編程也很容易。技術(shù)非常成熟。4. 使用無線遙控技術(shù)控制小車，通過51單片機(jī)最小系統(tǒng)軟件編程控制，用L298N驅(qū)動模塊和無線接收模塊，實現(xiàn)小車的無線控制。2總體設(shè)計本作品的原理框圖如下所示：以無線充電為核心，利用超級電容的充電迅速，儲能多的特性，存儲電能。使用單片機(jī)設(shè)計一個無線充放電控制模塊，對無線充電進(jìn)行實時監(jiān)控。通過無線遙控技術(shù)軟件編程，使用L298N電機(jī)驅(qū)動控制小車的行駛。本產(chǎn)品以超級電容組來取代市面上對環(huán)境有污染的鎳鎘電池、鋰電池，可以改善環(huán)境問題。而且超級電容具有存儲電量多、充電時間短

6、、使用壽命長等特點。無線充電，利用電磁耦合原理進(jìn)行無接觸充電，解決了電氣接口不同和電源適配等問題，從而增強(qiáng)便攜性、美觀性，由于線圈發(fā)射出的磁場與地球磁場類似，對人們無輻射，因此使用很安全智能控制，制作單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，LCD液晶顯示模塊，以及充放電切換和指示模塊。利用單片機(jī)對繼電器的控制實現(xiàn)電容組的充放電的自動切換，同時實現(xiàn)對電容組工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。3硬件設(shè)計31無線充放電控制模塊本作品使用AT89C52單片機(jī)，設(shè)計硬件電路圖，并制成PCB板，通過軟件編程實現(xiàn)無線充電控制，實現(xiàn)的功能有：充放電模式的自動切換，并隨時顯示監(jiān)控的電壓，顯示充電時間以及指示充放電狀態(tài)。3.1.1A

7、D轉(zhuǎn)換模塊HE尺1斗10KZ貞1AOUTE7CTCSC：SCLA/D轉(zhuǎn)換電路IdlJ14L2SD-A*LUPM39P32圖3.1A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換模塊使用PCF8591芯片，完成充放電電路電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bitCMOS數(shù)據(jù)獲取器件，具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行rc總線接口，其工作電壓為2.5V-6V。PCF8591的3個地址引腳A0,A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件,而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向rc總線以串行的方式進(jìn)行傳輸

8、。本設(shè)計使用AINO模擬輸入口，輸入充放電的電壓的模電值。312顯示模塊VCCP2圖3.2顯示電路顯示模塊使用LCD液晶顯示器。1602字符型LCD能夠同時顯示16*2即32個字符（16列2行）。芯片工作電壓：4.5-5.5V。工作電流：2.0mA（5.0V）o1602共16個管腳,但是編程用到的主要管腳不過三個，分別為：RS（數(shù)據(jù)命令選擇端），R/W（讀寫選擇端），E（使能信號）；RS為寄存器選擇，高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器。R/W為讀寫選擇，高電平進(jìn)行讀操作，低電平進(jìn)行寫操作。E端為使能端，后面和時序聯(lián)系在一起。D0D7分別為8位雙向數(shù)據(jù)線，連接單片機(jī)的P0口。313最小單

9、片機(jī)系統(tǒng);ioul01分rTl.4_5.6.7T-0PPPPPPPPRP斗s3r-3pD1(2PI.3-CH3445PlPl5Pl7VipcClL42V1口無4FAVTTCHIr"iK-p|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_r圖3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)電路本模塊為無線充放電模塊的核心，使用AT89C52芯片和12MHZ晶振。用作小車充電的監(jiān)控和切換以及電池組的保護(hù)、監(jiān)控。3.2無線充電模塊超級電容本作品的無線充電采用“磁耦合共振”這種新技術(shù)，當(dāng)發(fā)射端通電時，它并不會向外發(fā)射電磁波，而只是在周圍形成一個非輻射的磁場。這個磁場用來和接收端聯(lián)絡(luò)，激發(fā)接收端的共振，從而以很小的消耗為代價來傳

10、輸能量。在這項技術(shù)中，磁場的強(qiáng)度將不過和地球磁場強(qiáng)度相似，不用擔(dān)心這種技術(shù)會對身體和其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響。無線充電模塊內(nèi)部集成了振蕩電路、整形電路、檢測電路、頻率干擾抑制電路、電流自動控制、無線功率發(fā)射電路等部分組成。發(fā)射模塊可以在512V電壓下工作，輸出為5V500mA。其接收端接收的功率由收發(fā)距離決定。圖3.6無線收發(fā)模塊實物超級電容就是一個用來存儲無線充電能量的電池。相對于一般的電池，超級電容具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。本作品共使用6個耐壓值為2.7V的超級電容，每三個電容串聯(lián)，最后把串聯(lián)的電容并聯(lián)。3.3四鍵無線遙控控制模塊無線遙控模塊使用集成模塊

11、，基本技術(shù)參數(shù)如下所示：工作電壓(V)：DC5V靜態(tài)電流(mA):4.5mA工作溫度：-10°C+70°C接收靈敏度(dBm)：-105DB工作頻率(MHz)：315、433.92MHz(266-433MHZ頻率段可任選)工作方式：M4(點動：按住不松手就輸出，一松手就停止輸出)、L4(互鎖：四路同時只能有一路輸出)、T4(自鎖：四路相互獨立輸出、互不影響，按一下輸出再按一下停止輸出)天線長度：1/4波長的天線接收效果最好，一般采用50歐姆單芯導(dǎo)線，天線的長度315M的約為23cm，433M的約為17cm；信號接收握控器上的四個縫分別對應(yīng)對應(yīng)接收板丄的四個數(shù)據(jù)輸出腳F12優(yōu)

12、正板或414S法電訝伏電繇單片機(jī)控削設(shè)備圖3.7無線遙控模塊3.4電機(jī)驅(qū)動模塊L298N驅(qū)動模塊，可以直接驅(qū)動兩路3-30V直流電機(jī)，并提供5V輸出接口，直接給單片機(jī)電路供電，支持3VMCU控制，方便控制直流電機(jī)速度和方向。原理圖如下：圖3.8L298N電機(jī)驅(qū)動原理圖OUT1-OUT2接直流電機(jī)1，模塊接線方法：IN1-IN4接單片機(jī)的P04-P07的I/O接口,OUT3-OUT4接直流電機(jī)2,VCC,GND接超級電容的正負(fù)極。5V輸出直接給單片機(jī)供電。4軟件設(shè)計4.1軟件開發(fā)環(huán)境411C語言開發(fā)環(huán)境VisualC+6.0是微軟公司推出的目前使用極為廣泛的基于Windows平臺的可視化集成開發(fā)

13、環(huán)境，它和VisualBasic、VisualFoxpro、VisualJ+等其它軟件構(gòu)成了VisualStudio(又名DeveloperStudio)程序設(shè)計軟件包。DeveloperStudio是一個通用的應(yīng)用程序集成開發(fā)環(huán)境，包含了一個文本編輯器、資源編輯器、工程編譯工具、一個增量連接器、源代碼瀏覽器、集成調(diào)試工具，以及一套聯(lián)機(jī)文檔。使用VisualStudio,可以完成創(chuàng)建、調(diào)試、修改應(yīng)用程序等的各種操作。VC+6.0除了包含文本編輯器，C/C+混合編譯器，連接器和調(diào)試器外，還提供了功能強(qiáng)大的資源編輯器和圖形編輯器，利用“所見即所得”的方式完成程序界面的設(shè)計，大大減輕程序設(shè)計的勞動強(qiáng)

14、度，提高程序設(shè)計的效率。VC+的功能強(qiáng)大，用途廣泛，不僅可以編寫普通的應(yīng)用程序，還能很好地進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計及通信軟件的開發(fā)。412keil開發(fā)環(huán)境keil是基于Windows的開發(fā)平臺，包含一個高效的編譯器、一個項目管理器和一個MAKE工具。包括C編譯器、宏匯編譯、連接/定位器、目標(biāo)代碼到HEX的轉(zhuǎn)換器。以STC單片機(jī)為主芯片，用串口線即可完成程序的下載，電源采用USB口供電，更加方便攜帶，一臺計算機(jī)足以完成程序的開發(fā)及下載工作。普通的安裝有Windows7的計算機(jī)便可按照軟件安裝指示一步一步的安裝keil軟件。4.1.3STC-ISP開發(fā)環(huán)境STC-ISP是一款單片機(jī)下載編程燒錄軟件，是針對

15、STC系列單片機(jī)而設(shè)計的，可下載STC89系列、12C205系列和12C5410等系列的STC單片機(jī)，使用簡便，現(xiàn)已被廣泛使用。1）打開STC-ISP，在MCUType欄目下選中單片機(jī)，如STC89C52RC；2）根據(jù)9針數(shù)據(jù)線連接情況選中COM端口，波特率一般保持默認(rèn)；3）先確認(rèn)硬件連接正確，按如圖點擊"打開文件”并在對話框內(nèi)找到您要下載的HEX文件；4）點擊“Download/下載”；5）手動按下電源開關(guān)便即可把可執(zhí)行文件HEX寫入到單片機(jī)內(nèi)；4.2軟件程序設(shè)計4.2.1時間顯示設(shè)計時間顯示模塊，使用單片機(jī)內(nèi)部定時中斷器TO,工作在方式1,晶振為12MHZ,通過LCD1602液晶

16、顯示器。時間顯示的格式為：“Time00:00:00”。單片機(jī)使用的是12MHZ晶振，其周期為1us，因此程序設(shè)定了count,shi,fen,miao四個計數(shù)變量，四個嵌套的循環(huán)函數(shù)。首先設(shè)定TH0,TH1的初始值，當(dāng)中斷時，count變量加1,直到count等于20時，count變量重新至0,miao變量加1；直到miao等于60時，miao變量重新至0,顯示miao,fen變量加1；如此循環(huán),在LCD1602上顯示時間。4.2.2電壓監(jiān)控設(shè)計電壓監(jiān)控模塊，使用PCF8591芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)內(nèi)部定時中斷器T1，工作在方式1,顯示在LCD1602液晶顯示器上。電壓顯示的格式為：

17、“V:000.0”。當(dāng)單片機(jī)T1產(chǎn)生中斷時，則開啟總線，通過移位函數(shù)，開始向單片機(jī)串行發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機(jī)選擇PCF8591四路模擬輸入通道中的第一路通道，再重新開啟總線，發(fā)送數(shù)據(jù)，通過移位函數(shù)，串行接收數(shù)據(jù)，并且關(guān)閉總線。最后寫指令和數(shù)據(jù)，顯示在LCD1602液晶顯示器上。4.2.3充放電切換充放電切換模塊，使用兩個繼電器和LED燈來完成。繼電器分別控制超級電容的正負(fù)兩極。LED燈用來指示充放電的過程。初始化時，兩個LED燈都為滅，繼電器為放電狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)中斷時，從A/D轉(zhuǎn)換模塊得到電壓值。判斷電壓值，當(dāng)電壓值小于5V時，繼電器切換到充電狀態(tài)，LED燈指示充電狀態(tài)。當(dāng)電壓值大于9V時，繼電器切

18、換到放電狀態(tài)，LED燈指示放電狀態(tài)。否則，繼電器保持原本的狀態(tài)，直到電壓值滿足判斷條件，再進(jìn)行跳變。4.2.4無線遙控程序設(shè)計無線遙控接收模塊直接與單片機(jī)的P3.4-P3.7I/0接口相連，可直接通過遙控控制。小車的電機(jī)驅(qū)動與P2.0-P2.3I/0接口相連，通過改變高低電平，實現(xiàn)小車的各項操作。小車訖成#目應(yīng)扌聚柞4當(dāng)按下遙控時，無線接收模塊接收信號，通過單片機(jī)給相應(yīng)的電機(jī)至高低電平，改變其狀態(tài)。5發(fā)展方向本作品只是初步實現(xiàn)無線充電的功能，還需要進(jìn)一步完善。比如說，只是進(jìn)行短距離充電，考慮長距離充電轉(zhuǎn)化效率還能低。充電的時間也過長，需要增加充電電壓與電流，實現(xiàn)快速充電。超級電容也需要一個保護(hù)

19、電路，以免充電過壓或過流等。無線充電控制電路的功能太過單一，可通過1/0口進(jìn)行擴(kuò)充，增加作品功能。6附錄61無線充放電控制原理圖四也獨立縫盤mT藪碼甘顯示模垃II貝位電略i/oftn6.2無線充放電控制PCB圖:卄1一亠芒(-八芒(八芒八-八芒kc-一_6.3源程序631無線充放電控制源程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitrs二P2“5;/定義sbitrw二P2"6;/定義讀寫端口sbite=P2"7;/定義使能

20、信號引腳sbitSDA二P3"2;sbitSCL=P33;ucharnum=0;charshi,fen,miao;ucharcount,mm;ucharcodetable=":"ucharcodetable0="V:000.0"ucharcodetable1="Time00:00:00"/*延時*/voiddelay(uintz)uintx,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);/*寫指令*/voidwrite_com(ucharcom)rs=0;/指令rw=0;/寫入e=0;P0

21、=com;delay(5);e=1;/允許delay(5);e=0;/*寫數(shù)據(jù)*/voidwrite_date(uchardate)rs=1;/數(shù)據(jù)rw=0;/寫入e=0;P0=date;delay(5);e=1;/允許delay(5);e=0;/延時函數(shù)/啟動總線/voidStart()SDA=1;SCL=1;delay(5);SDA=0;delay(5);SCL=0;/結(jié)束總線/voidStop()SDA=0;SCL=1;delay(5);SDA=1;delay(5);/非應(yīng)答函數(shù)/voidNoack()SDA=1;delay(5);SCL=1;delay(5);SCL=0;voidAck

22、()SDA=0;delay(5);SCL=1;delay(5);SCL=0;/數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)/voidSend(ucharc)ucharbite;for(bite=0;bite<8;bite+)if(c<<bite)&0x80)SDA=1;elseSDA=0;SCL=1;delay(5);/Delayus();SCL=0;SDA=1;delay(5);/接收函數(shù)/ucharRec()ucharbyte,bite;SDA=1;for(bite=0;bite<8;bite+)SCL=0;delay(5);SCL=1;delay(5);byte<<=1;if

23、(SDA=1)byte+=1;SCL=0;delay(5);return(byte);/讀取數(shù)值/ucharRead(ucharAI)ucharz;Start();Send(0x90);Ack();Send(0x40|AI);Ack();Start();Send(0x91);Ack();z=Rec();Noack();Stop();return(z);/*LCD初始化*/voidinit()ucharn;shi=0;fen=0;miao=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);/顯示控制write_com(0x06);/地址加1字符不移動write_com(0x01

24、);/清零write_com(0x80);for(n=0;n<8;n+)write_date(table0n);delay(5);write_com(0xc0);for(n=0;n<16;n+)write_date(table1n);delay(5);TMOD|=0x11;EA=1;ET0=1;TR0=1;ET1=1;TR1=1;TH0=(65536-46083)/256;TL0=(65536-46083)%256;TH1=(65536-2000)/256;/重新賦值TL1=(65536-2000)%256;/*顯示*/voidwrite_sfm(ucharadd,uchardat

25、e)ucharshi,ge;/對應(yīng)的一個數(shù)分離開來分別送入對應(yīng)地址顯示shi=date/10;ge=date%10;write_com(0xc0+add);write_date(0x30+shi);write_date(0x30+ge);/*voidwrite_sf(ucharadd,ucharnum)uchari,j,k,l;i=num/1000;j=num%100;k=(num%100)/10;l=(num%100)%10;write_com(0x80+add);write_date(0x30+i);write_date(0x30+j);write_date(0x30+k);write_date(0x30+l);/*主函數(shù)*/voidmain()init();while(1)num=Read(0);write_com(0x80+3);write_date(0x30+num/1000);write_date(0x30+(num/100)%10);write_date(0x30+(num%100)/10);write_com(0x80+7);write_date(0x30+(num%100)%10);write_sfm(6,shi);/每次變化后的時數(shù)據(jù)送入顯示write_sfm(9,f