前言

 

故事要从这张图说起

选了I题具有发电功能的储能小车之后，当天上午我画下了这张灵魂图纸：

 

 

 

我开玩笑说国一稳了（直接自信）

两位位队友看了已经笑翻
然而这时候我已经选好了所有配件

晚上我建好了3d模型：

 

 

（第一版本，后来改了驱动轮轴距）

之前封面那位队友一开始没听懂我的想法，看到这个图的时候她直接：

还能这样？

老师看到后也是：

哈哈哈哈

最后成品：

 

 

 

好奇嘛？继续往下看~

 

队员介绍

 

项目分析

 

看完题目，我就开始了头脑风暴，

      根据我的理解，这道题的重点在于要尽量提高发电量，因为小车用的是轮子行驶，

因为重量带来的摩擦力影响较小，这时候在一定程度上应该尽量选择大功率发电机带来的收益更高。

     其次就是发电部分和驱动部分要分开（别喷我doge）

     因为发电机需要较高的转速，减速比较大，这时候再用发电机去驱动，

且不说发电和驱动所需的电机参数差别很大，大减速比的齿轮箱效率也很低。

    刚看到题目的时候，我首先想到了单向离合器，用同一个轮子发电和驱动，用两套齿轮箱和电机（后来没仔细想结构）

后来突然想到题目也没说不能分开啊，随后想到了可以小车上面放发电机构，下面放驱动电机，这不是就很好的解决了问题（顿时自信了起来）顺手画了这张灵魂图纸。

    接下来就是找发电机的时间，我感觉如果合理布置结构的话，手摇发电机是一个很不错的选择，

使用7CM直径的轮子，滑动的转速也和正常手摇的转速很接近，经过一番寻找，

    我发现了一个很棒的电机（后来事实证明发电功率虚标严重啊）标的一个是5w（最后算下来一个是0.75W）gan!

然后想到一个结构，可以对置发电机，这样就可以提升发电机的数量，

中间用一个轮子驱动，搜了一下尺寸图，发现刚好可以放在一个10*15cm的洞洞板上，

就立刻定制了20*60*1mm的不等边角铝，用来固定发电机。

接下来就是设计具体的方案

 

控制电路选择

方案一：采用ARM—328系列作为控制核心。

优点：该类型的单片机价格便宜，网络资源丰富便于查找相关资料，开发简单便于集成且功耗低，使用起来更加简单方便。

方案二：采用STM32系列作为控制核心。

优点：计算能力强，稳定性高，端口数量多，适合工程应用。

缺点：成本高，操作门槛高需要一定的知识储备。

方案三：采用RP2040芯片作为控制核心

优点：具有两个快速CPU内核，有大量的RAM,可以充分利用系统性能，灵活的I/O，体型娇小功能强大。

缺点：功耗较大，产品发布时间较新颖，稳定性没有的得到充分验证，关于该芯片的资源少

最终我们选择了328作为主控

充电方案选择

发电方式选择

  方案一：同充同放（用同一组电机发电和驱动小车）

  方案二：使用不同的两组电机进行发电和驱动

(1) 使用离合器切换两组电机

(2) 两组电机放置于小车两面分别进行发电和驱动

最终我们选择了两面放置

1.2.2 发电机的型号选择

     方案一：TT电机

 缺点：电机发电容量小，电压低，效率低，漏磁严重。

   方案二：三相交流无刷电机（019-026）

 优点：电机体积小，重量更轻，电机的发电容量大，效率更多，无刷使得损耗更低，降低了电损耗。

最终我们选择了无刷发电机

储能方案选择

  方案一：超级电容并联（低压）

 对电容充电需要进行降压，同时对电容进行放电需要进行升压，此方案增大了电能的损耗，

另外市售升压芯片的输入电压阈值一般为2V，会造成电容器放电不充分，浪费可用电能。

  方案二：超级电容串联（高压）

通过选择和电机发电电压相匹配的超级电容，

在充电过程中不需要进行降压，提高电能利用效率。

最终我们选择了高压方案（16.5v 1f）

硬币检测电路选择

  方案一：电容式接近开关

优点：精度高，具有高分辨率的大范围测量，可以实现动态化测量，易于实现测量和数据处理的自动化，有很强的抗干扰能力。

  方案二：电感式接近开关

优点：结构简单，稳定可靠，灵敏度较高。

缺点：传感器响应频率低，不适合快速的动态化测量，分辨率受测量范围影响大。

  最终我们选择了电感式接近，因为我们可以让传感器一直贴在线上，范围小反而可以探测接近摆放的硬币了（当时还考虑了两枚硬币放在一起的情况）

小车材料选择

  方案一：采用铜质材料制作模型

优点：稳定性好，支撑性强。

缺点：加重了车身，降低车速，增加耗电量。

  方案二：采用铝质材料制作模型

优点：重量小，对小车的负重少，使车体更加轻便，稳定性高，固定性强。

  这个。。。有钱上铝螺丝就对了（玩穿越机后遗症）不得不说阳极氧化真好看，初号机绿紫配色嘿嘿嘿

整体方案描述

本次设计将发电和驱动分为两部分分别进行，功能独立。驱动采用三相交流无刷电机，

降低了车身重量，扩大发电容量，减少了电能损耗。储能方面使超级电容串联，

极大的提高电能利用率，硬币检测电路采用电容式接近开关，

结构简单，在识别硬币时灵敏度高并且检测电路与循迹皆由单片机控制。本设计将各方面的功能优化到最高。

理论分析与计算

系统提高效率的方法采用以下方法

 电压匹配

发电部分设计采用三相交流无刷电机（019-026），由实验得，发电机额定发电电压为15V，

经查阅资料超级电容充电电压不得超出额定电压的5%（电容最低电压：14.3V），

因此我们选择将6枚2.7V超级电容串联为16.2V超级电容作为本设计的储能元件。

由于单片机控制系统工作电压为5V，选择高效率的LM2596降压模块给超级电容进行降压。

驱动部分设计采用空心杯减速电机（GA1215R），额定功率0.65W，额定转速89RPM。

根据

Tn=6.974N

电容容量匹配

设计采用四个三相交流无刷电机（019-026），满载功率为2.5W，故总发电功率为10W。在理想工作状态下，发电时间为20S。

所以可得

W=Pt

W_理想=1020S=200J

 根据理想发电能量及电容器能量计算公式得

C=1.52F

由于电容器为6枚2.7V3F超级电容串联根据

C=0.5F

所以可得选择电容器参数应为2.7F

（3）检测电路的低功耗设计

检测电路采用在同等精度下功耗更低的电容式接近传感器，及红外对射循迹模块，

同时因为在测试过程中，部分传感器仅在短时间需要工作，

在本项目中，针对性设计了检测完成后完全断电的电路系统，避免了传感器在不工作的状态下继续耗电的情况。

（4）结构轻量化设计

由于本设计功能较多，需要安装的零件多，为提高小车的效率，需要对车体进行减重，

因此采用铝合金来固定车身（若使用螺丝重量为73g，铝合金为20g）

 

原理电路分析

 

主电路图

驱动电路

检测电路

 

PCB分析

 

我们的主控核心板是自己打样制作的，具体的电路和PCB放在了工程文件，需要可以自取

其实用普通的NANO同样可以实现控制功能

单纯为了好看

 

实物展示

 

程序设计

 

部分代码展示

void loop()

{

  if(s>s_old)

  {

    sp=90;

    s_old=s;

    t[2]=millis();

  }

  else if((millis()-t[0])>100)

  {

    sp+=5;

    t[2]=millis();

  }/////////////////////////////判断小车是否启动

  if(moto==0)

  {

    delay(800);

    moto=1;

    li[0]=digitalRead(8);

    li[1]=digitalRead(7);

    if(!li[0] && !li[1] )  //左右都没有检测到黑线

    {

      analogWrite(9,sp);

      analogWrite(10,sp);

    }

 

     if(li[0])           //右边检测到黑线

    {

      analogWrite(9,sp);

      analogWrite(10,0);

    }

 

    if(li[1])           //左边检测到黑线

    {

      analogWrite(9,0);

      analogWrite(10,sp);

    }

    if(li[0] && li[1] )  //左右都没有检测到黑线

    {

      analogWrite(9,0);

      analogWrite(10,0);

    }

    

  }

  else

  {

    li[0]=digitalRead(8);

    li[1]=digitalRead(7);

    if(!li[0] && !li[1] )  //左右都没有检测到黑线

    {

      analogWrite(9,sp);

      analogWrite(10,sp);

    }

 

    if(li[0])             //右边检测到黑线

    {

      analogWrite(9,sp);

      analogWrite(10,0);

    }

 

    if(li[1])            //左边检测到黑线

    {

      analogWrite(9,0);

      analogWrite(10,sp);

    }

    if(li[0] && li[1])  //左右都没有检测到黑线

    {

      analogWrite(9,0);

      analogWrite(10,0);

    }

  }////////////////////////////////////延时启动程序段

  if(j>x)

  { digitalWrite(4, HIGH);

    t[3]=millis();

    if((millis()-t[3])>300)

    {

      digitalWrite(4, LOW);

      x=j;

    }

  }////////////////////////////////////识别硬币点亮LED

  lcd.setCursor(3,0);

  lcd.print(j);

  Serial.println(j);///////////////////显示硬币数量

  lcd.setCursor(3,1);

  int d=s*3;

  lcd.print(d);

  Serial.println(d);///////////////////显示行进距离

 

}

 

材料清单

 

元件名称	数量（个）
三相交流无刷电机（019-026）	4
空心杯减速电机（GA1215R）（淘宝搜索型号购买即可）	2
LJC18A3电容式接近传感器（淘宝搜索型号购买即可）	1
2.7V10F超级电容（淘宝搜索型号购买即可）	6
LM393N电机驱动（淘宝搜索型号购买即可）	1
LCD1602灰膜（淘宝搜索型号购买即可）	1
TK-01循迹模块	2
3D打印发电轮（已附STL文件）	2
橡胶车轮（淘宝购买tt电机橡胶轮，拆橡胶皮用）	2
牛眼万向轮	1
硅胶线	若干
铝合金柱	若干
铝合金螺丝	若干
洞洞板	3

总结

 

经过了四天三夜的刻苦拼搏，小组三人合理分配任务，团结互助，终于完成了本次的设计项目。

通过不断地测试调试，本系统完成了设计的三个个基本要求和发挥部分。

在本次的设计过程当中，我们面临着许多突发事件和各种困难，

例如在驱动电路方式的选择，以及电容和电压的匹配都经过的多次琢磨。

为了提高系统的效率更改了多次方案，但通过团队的仔细分析和自我调整状态后我们终于解决了问题选择了最优方案，

取得了比较满意的结果。

经过本次电子设计竞赛让我们对电路的设计、调试水平有了进一步的提高，

同时也深刻体会到了共同协作和团队精神的重要性，

以及方案的考虑方面应更全面。

设计中还有欠缺的地方，今后的学习工作中会加以注意。

最后感谢竞赛的主办方给予了我们这次锻炼的机会，

发现自己的不足，但是我们会利用课余时间继续深入研究找出更好的的方案！

 

附测试结果

 

基础部分

（1）小车在充电过程中能够点亮LED指示灯，

在滚动充电五次后电容电容电压能够达到15V左右，

经测验，满足题目要求。
    （2）将完成充电的小车，置于地面的制定起始点，

一键启动，小车能够延迟1s后向前行驶，

且小车从起始点到停止点的直线距离有750cm，经测验，满足题目要求。
    （3）在小车行驶的过程中，液晶屏幕够实时显示小车所行驶的距离，

行驶一周后显示距离190.2cm，存在较小误差。
发挥部分

    （4）小车在圆形循迹过程中，由于启动速度过快，在循迹一小段路程后容易冲出圆形轨道，

但降低pwm之后，小车启动速度变慢，由于车身有一定重量，导致小车起步有困难。

经过多次测试修改pwm，小车能够实现循迹，

但受万向轮影响，小车循迹有些不稳定。

经过修改，小车循迹成功，满足题目要求。
（5）小车在延迟1s后启动，在轨道上放置六枚硬币，每当检测到一枚硬币LED灯点亮一次，

行驶一周后硬币计数停止，屏幕显示只有五枚硬币，

经检查是函数的中断部分出现错误，修改代码后反复检测，

屏幕均显示六枚。硬币计数结束后，

小车继续循迹4.2圈直至完全停止，满足题目要求。