无线充电循迹小车

一、题目介绍

二、项目简介

本项目为2022年全国电子设计大赛-A-无线充电小车

三个主控：
循迹控制：立创·地正星MSPM0L1306开发板
电能发射：STM32G030F6P6
电能接收：STM32G030F6P6

循迹：2路模拟灰度传感器
驱动：TB6612
通信：IO通信

三、项目实现

硬件实现：

        小车搭建及控制（小车控制主板）：
        1.用淘宝购买四轮车作为小车底盘
        2.用tb6612作为电机驱动
        3.红外循迹模块作为传感器检测黑线信号
        4.用嘉立创地正星模块作为主控对小车进行整体控制
           
           
           
                    
        无线电接收：
        1.使用STM32G030F6P6主控
        2.使用四片CSD17570Q5B(MOS)搭建全桥电路
        3.使用LM5106驱动MOS管，进而驱动全桥电路
        4.使用INA180A3IDBVR检测输入电流大小
        5.使用线圈与高频贴片电容（NP0）搭建LC谐振电路
        
        
        
        无线电发射：
        1.使用STM32G030F6P6主控
        2.使用四片SB1045L肖特基二极管搭建全桥整流电路
        3.使用两片搭建数控BUCK电路
        4.使用一片LM5106驱动MOS管，进而驱动数控BUCK电路
        5.使用一片LM7461与一片CSD17570Q5B(MOS)搭建理想二极管，给放置电容电流倒灌
        6.使用TPS62120DCNR、TPS61201DRCT芯片共同组成稳压电路，给主控芯片和国产升压芯片MT3608供电
        7.使用国产升压芯片MT3608输出12v给小车控制主板供电
        8.使用INA180A3IDBVR检测电容充电电流大小
        9.使用分压电阻测量电容电压和线圈经过整流滤波后电压大小
        

软件实现：

        循迹控制：
        1.循环检测与无线电接收板通信引脚电平，若被拉低，另一引脚输出高电平（一共两根通信引脚），跳出循环检测
        2.红外循迹模块检测小车偏离黑线误差
        3.误差输入pid控制器
        4.id控制器输出信号到小车电机速度pid输入
        5小车速度pid输出信号到tb6612驱动器驱动电机旋转，实现小车沿黑线循迹行驶。



        无线电发射：
        1.STM32G030F6P6主控产生一定频率的方波信号
        2.方波信号输入到H桥使输出端产生15v的方波
        3.该方波接入LC谐振电路从而谐振出一定频率的正弦波
        
        
        
        无线电接收：
        1.STM32G030F6P6主控通过adc实时检测电容充电电流和电压大小
        2.通过数控BUCK实时控制进行恒功率充电
        3.当检测到充电电流小于一定值时，主控控制国产MT3608芯片输出12V给主板电机驱动，并拉低通信引脚
        4.另一引脚检测到高电平时主控进入低功耗模式，降低车辆耗电（一共两根与主板通信引脚

四、分模块分析

硬件分析

1.红外循迹模块

采用淘宝购买红外循迹模块改装去掉运放芯片以及不必要电路，使用ADC读取红外对管的值
淘宝连接：https://detail.tmall.com/item.htm?abbucket=8&id=695420019345&ns=1&pisk=gFFt39vYpMjGBchls16nmc6IKHQhrSUNjlzWimmMhkELlDAc7fXqMonL0cDi1cAxMrE4moUV7qibcon0I9fu7PlqGgmAZ_4a-7H_gldjCp_jlVL1-AtT5f8sGgjlZpYIQGcbjPYAmH9IzDgslxg1JXgxPdGjhAiCJqgDfKO_cy_KYq-scd96O6gqrIGjldOIRq3jcV9sf2OIYqGjcoGjKD_tYFg9M-bFqb72ejRXGW3td94sAuEAoVMTxPndVgNdaAn75DdAq5ueamnUNMXL8Jw_j2rAwMh4Y-ZjkktCmAzbpk3TjgKqm5zgMc4OCMaKTcEsBJQWQ2U36rejpN1_JfntESZ6ldhThlPxQRLVzyG_Y8orC9SEJ5VoH0kpAGa3JcM8HljeGc28RkHutHAogkybcqEBXgl7Z7UTi3m-od_dJKJqC2o075kT2mLSH2nl5A923x0EJ0bdJKJqC2uKqNO63Kkm8&priceTId=2150450017349423332793370ea3c0&spm=a21n57.1.hoverItem.2&utparam=%7B%22aplus_abtest%22%3A%22a5baf3326d3674eb39f54100f24d8709%22%7D&xxc=taobaoSearch

改装效果图：

改装原理图：

2.电机驱动

淘宝购买tb6612电机驱动模块

淘宝链接：https://item.taobao.com/item.htm?abbucket=8&id=714923229079&ns=1&pisk=ghmEe3aeYHKFkzkq1mqP0BZosnqLbuRXY0N7EYDudWV3OY2u4fcWpWMk9bozsY3BpzOdU9nZggsB9eHl4uZkGItXcvHQ2uAXZpA-e6e0L7x7ZWxgv8ap1d16cvHLw95khVxfa0UFb9buZbqgS8yUqJ43E1vaFJPuqW4lsN20suVoZyqiI-2fK_Vhx5van8SlKzV3SP2QE6XnZuvZI5euqJD3ybcdb5zHEoUZ9a93tyPmK5SqBcyHKS-YsgjrjJkaivYRqgmaLym-CWU_JygoHrnIx3STAxugj-MpYGrmK-lQ1jxcblDsIbaxWQIbWfozrD4dEdViYfoLxXTl0jrEarm37TjS3AVUbRmDFZFsbWGoYPvf0zZicrqn5FdQPkyqZDhFUgcmCxiLW0RVs73QHl2jpHSamv2l4Hf8IB3x225lzy2TQS9wQTv11fROt4kOyaUwWRPXHKQRyy2TQS9wQaQ87ceaGKpA.&priceTId=2147887b17373006837621743edd5b&spm=a21n57.1.item.2.391b523cD2RNMB&utparam=%7B%22aplus_abtest%22%3A%22503c7a78966e2a12c3f0d3f664498b9a%22%7D&xxc=taobaoSearch

3.小车底盘

淘宝购买小车底盘

淘宝链接：https://item.taobao.com/item.htm?abbucket=8&id=556369401396&ns=1&pisk=gN1EEB9UTWFEre_VfsArgkGksVRp_QrbT_tWrabkRHxHAaYkaGj7JH_uvg5yjaBQJLZKz2CN0bGQvJQoaQOucoNbGwQBwQqjbNI0B2LWov0nV3VijQTzTlwsfwQpw30sq-6GJ0P6IR3Hr34wsU8SxQvHEd0MXUtkrgxHIcY2kQAkZgYMsELxqYcH-5AMXEknEHYusFYJzX0Hrgbg7UKMqQvoLhIlvf-wKzAv3GCYvp9emwxZgNCw-f-YMhckF1YHL_bHbN_1_eJe0dKKGpfhfafC9dEqmQQ13gWl2-M9TaXHtE_LTfRc-O1y5_aSUHjd_NfMQqGXa9jFEKBaMxpHUHWGtduoZNdPIKXPYkkpx9swHFvizSL1chbdtOz-jwjXYBYMCS4VSLX19KCQjXRcHwOCEgejBB7lKCSzx0LgvtCRL0DyKFLwcPzZrPi1blnhUNH-edy97naYkYHJKFLwcPzZeYpN6F-bkrC..&priceTId=2147887b17373012090433165edd5b&skuId=4877923321651&spm=a21n57.1.item.4.5030523cHm6VzR&utparam=%7B%22aplus_abtest%22%3A%22f8029d3f1a89c1a5e5a412fad4532a5f%22%7D&xxc=taobaoSearch

4.主板

自行设计满足孔位主板

嘉立创地正星模块主控：

TB6612模块驱动：

电机输出：编码器接口

通讯接口：

12V输入、3.3v输出、5v输入接口及各自独立开关：

PCB外观：

5.无线充电发射模块

自行无线充电发射模块

STM32最小系统：

5v稳压、调节R17、R18比例调节输出电压至5V:

3.3v线性稳压：

LM5106MOS驱动：

MOS搭建H桥及LC谐振电路：

输入电压与输入电流测量电路：

PCB外观：

6.无线充电接收模块

自行设计无线充电接收模块

LC谐振电路及全桥整流：

数控BUCK及理想二极管、可以控制输出给超级电容器功率和防灌流功能：

STM32G0最小系统：

MOS驱动：

超级电容升压输出12V电压、MT3608可通过EN引脚控制是否输出电压：

电阻分压测量电容输入电压和系统输入电压、测量电容输入电流：

与主板通讯：

人机交互按钮和Led：

3.3v稳压、先降压再升压使得电容电不管高压还是低压都能被稳压为3.3v：

PCB外观：

7.超级电容组保护模块

自行设计超级电容保护模块：

超级电容串联+BW6106保护芯片+MOS管对1206大面积电阻散热放电：

PCB外观：

软件分析：

CUBUMX和Sysconfig图形化编程软件为我们节省了大量时间，建议大家在使用一款芯片是先看看是否有图形化编程软件可以用
接下来代码里面包含PID算法使用，如果不了解PID算法的可以参考学习以下这篇文章
https://blog.csdn.net/best_xiaolong/article/details/106953286

1.无线充电发射：

CUBEMX互补定时器配置：

代码初始化：

按下按键输出互补PWM及LED状态改变：

2.无线充电接收：

CUBEMX整体配置：

CUBEMX定时器配置：

CUBEMXADC配置：

CUBEMX串口配置9600波特率：


CUBEMXIO引脚配置：

代码初始化(启动ADC、开启定时器、初始化IO、初始化系统参数、等待系统稳定)：

充电电流检测小于1ma与主板通讯接口拉低，检测到主板反馈后进入低功耗模式：

充电电流、输入电压、充电电压、充电功率获取及计算：

恒功率充电控制函数：

积分分离式PID实现：

数控BUCK调节函数：

3.小车控制：

SysconfigADC配置：

SysconfigPWM定时器配置(两路pwm控制两个电机)：

Sysconfig定时器中断配置：

SysconfigIO配置：
红外对管IO：

电机驱动IO：

与无线电接收板通讯IO：

初始化函数：

接收来自无线电接收板信号并作出反馈：

ADC获取电压信号：

ADC获取电压信号比较得出是否灰度传感器在黑线上：

获得误差并控制电机速度定时器中断函数：

五、调试及电路板接线分析加外壳设计

调试：

1.将接收端输入总连接跳线帽断开。
2.不断调节发射端互补pwm波的频率，用电压表测量接收端电压大小，直到最大，根据LC谐振电路规则此时电能传输效率最高
LC谐振讲解：https://blog.csdn.net/jk_101/article/details/130691200
此处测量电压大小：

3.调节控制主板pid p值大小，使得小车稳定沿黑线行驶，只用了p，所以3和-3为pid p值大小，整体调节这两个数即可，例如2 -2。

接线分析：

发射端：

1.将线圈接到黄圈所示位置
2.将电源线正负极分别接到红圈和黑圈处，红圈正极，黑圈负极（注意正反！！！）：

小车主板及接收端：

如下图连接所示：

外壳设计：

小车接线后较丑，故设计一个外壳将裸露的线材包裹起来，我是采用solidworks设计的，外壳上的孔洞用于线材走线和线圈安装预留

车头上再加两个眼睛，看起来萌萌的。

六、视频演示

加上外壳前：

BILIBILI视频链接：【2022年电赛，无线充电小车，lc谐振加buck降压为电容充电】https://www.bilibili.com/video/BV1BTkgYTEXF?vd_source=27957dbfcacc33f5942de02f228e7f4e

加上外壳后：

BILIBILI视频链接：【2022年电赛无线充电小车】
https://www.bilibili.com/video/BV1yzNReYEZQ/

感谢嘉立创星火计划为这个项目提供了大部分资金