2018TI杯无线充电小车

紫色烟云

我就在此献丑了~由于自己水平和手边资源有限，又加上准备不周，只是完成了题目要求，实现了无线小车的充电及自启的功能。本作品是设计并制作一个能够无线充电的电动小车。该充电装置能感应到小车后，自动为小车充电一分钟，小车在充电完成之后向前水平直线行驶，直至能量耗尽。本装置采用了高频电磁感应，产生137KHz的高频电磁，利用一定匝数比的线圈做接受器，为超级电容充电，充电完成后，再利用可控硅导通后造成的电路短路，从而使小车电机接入电路，超级电容放电驱动小车电机，从而使小车运动。

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2018-10-10 22:28 上传

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以下是报告原文：

无线充电电动小车（C题）

摘要：无线充电技术发展至今在电子领域已经被深入研究应用，虽然还未曾大范围普及，但在消费电子领域的发展已经取得不错的成绩。本作品是设计并制作一个能够无线充电的电动小车。该充电装置能感应到小车后，自动为小车充电一分钟，小车在充电完成之后向前水平直线行驶，直至能量耗尽。本装置采用了高频电磁感应，产生137KHz的高频电磁，利用一定匝数比的线圈做接受器，为超级电容充电，充电完成后，再利用可控硅导通后造成的电路短路，从而使小车电机接入电路，超级电容放电驱动小车电机，从而使小车运动。

关键词：铜线圈充电 超级电容

总体设计方案

（一）设计要求

本题的要求是设计并制作一个无线充电电动车，包括无线充电装置一套。电动小车机械部分可采用成品四轮玩具车改制。外形尺寸不大于30cmfile:///C:/Users/阿永贵/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png26cm，高度重量不限。

1.1基本要求

（1）制作一套无线充电装置，其发射器线圈放置在路面。发射器采用具有恒流恒压模式自动切换的直流稳压电源供电，供电电压为5V，供电电流不大于1A。无线充电接收器安装在小车底盘上。每次充电时间限定1分钟。                          

（2）制作一个无线充电电动车。电动车使用适当容量超级电容（法拉电容）储能，经DC-DC变换给电动车供电。车上不得采用电池等其他储能供电器件。            

（3）充电1分钟后，当电动车检测到无线充电发射器停止充电时，立即自行启动，向前水平直线行驶，直至能量耗尽，行驶距离不小于1m。

            

1.2发挥部分

充电1分钟后，电动车沿倾斜木工板路面直线爬坡行驶，路面长度不大于1m，斜坡倾斜角度θ自定。综合多方因素设计，使电动车在每次充电1分钟后，电动车爬升高度h=lsinθ最大。式中l为小车直线行驶的距离。

（二）设计思路

2.1设计思路：

本题要求我们做一套无线充电装置和一个电动小车。分析题目可知题中最大的难点在于无线充电装置的设计与制作。通过查询资料和一系列探讨之后，我们决定采用一定匝数比的铜线圈与电源连接来产生磁场，通过电磁感应原理借磁场变化产生的感应电动势为超级电容充电，储蓄电能，从而使小车借超级电容储存的电能向前水平运动。

2.2设计流程图：

（三）方案论证与比较

（1）小车的选择

方案一:采用组装的电动小车，

在网上购买的电动小车，电机是3V/1A，功率为3W，组装之后小车高4.6cm，长21.9cm，宽18cm，重1800g，轮胎比较笨重，采用橡胶材质，摩擦较大，在通电之后可以满足沿斜坡运动，但由于车身重量的原因使斜坡速度较为缓慢；

方案二:采用四驱电动小车

在外面玩具店买的四驱电动车玩具，电机是3V/0.89A,功率为2.67W，小车高4.5cm，长16.7cm，宽10.5cm，重600g，轮胎轻巧，采用塑料材质，但可以外套橡胶，摩擦一般，通电之后可以沿斜坡运动，且速度较快；

方案三:采用自制的小车

采用材质较为坚硬的电路板搭建车身，轮胎采用方案一的轮胎，小车高7，1mm,长17.5cm，宽11.6cm，该小车重量较轻，轮胎摩擦较大，在斜面向上运动时，相较于第一种方案更加轻松。

（2）超级电容的选择

按题目要求：需要5V,1A电源。

电源利用率大概在60%左右，则I’=0.6I，由公式U=Q/C得：Q=I’*t=0.6A*60s=36C，此时电容C=36/5=7F；假设小车运动之后，负载消耗电压1V，U’=5-1=4V,消耗Q’=U’*(I-I’)=1.6C,此时ΔU=1.6/7=0.22V，即小车运动之后将要消耗0.22V电压，剩余U’’=4-0.22=3.78V，小车运动电压一般在在3~6V，符合小车运动所需电压。

由以上计算公式得：超级电容的规格要达到7F，可在淘宝上购买两个5.5V/4F的超级电容。

（3）断开无线充电的方式

方案一：采用单片机断电：

单片机操作简单，控制时间段的程序不难，在单片机内判断时间到了之后，就使小车前进，从而可以停止给小车充电，小车利用超级电容储蓄的电能前进，直至电能耗尽。但单片机也需要供电才能运作，即会消耗超级电容的电能，这样使得小车可用电能不足，前进距离减小；且超级电容提供的电能无法使单片机正常运作。

方案二：利用可控硅

利用可控硅的导通特性来控制，当超级电容储蓄电压达到可控硅的导通电压后，可控硅打开，导致电路短路，从而使电机接入电路，电机启动，小车前进。

(4)方案的决定

我们最开始准备采用第一种方案，这种小车使用比较方便，但是这种小车在平地前进的速度只能到达0.1m/s，小车重量大，轮胎摩擦也较大，如果要驱动该小车，就需要驱动四个电机，每个电机是3V/1A的规格，四个电机就需要4*3*1=12W的功率，否则将无法带动，而电源只能提供5*1*60=300J的电能如此所需电机的功率较大，在短时间内充电无法实现运动条件，很难达到题目要求；

第二种方案，不需要我们制作，电机消耗功率也低，重量也轻，只需要提供少量电能就可以。但因准备不充分，无法在规定时间内购买到相称的四驱电动小车，只得放弃此方案。

第三种方案，需要我们自己制作车身，轮胎是采用两个第一种方案的组装小车的轮胎当做后轮，用后轮提供整个车身的动能，这样所需要电机的功率是第一种的1/2，而且车身重量相较于第一种轻，斜面运动的电能也消耗较少。

经过对题目的分析和队员间的商量，我们最终选定方案三的小车和两个5.5V/4F的超级电容。单片机具有很好的控制效果，但需要另外的电路板来连接到小车上，增加了小车的重量，小车消耗的电量将增加，而可控硅只需要改动电路就行，但是时间把控不是很强。综合考虑之后，我们选择理由可控硅来控制充电时间。

（四）单元电路设计

4.1整流电路设计

经过直流逆变之后为发射器供电，发射器发出高频电磁，无线线圈接受信号后转化为直流电源，提供电能给超级电容充放电切换电路，电路经过整流之后超级电容充电，使超级电容储蓄电能，充电结束后，电机利用超级电容储蓄的电能驱动小车前进。

4.2超级电容充放电切换电路

在发射器输出高频电磁为超级电容充电的过程中，由于电源内阻作用，电源两端的电压缓慢升高，此时£1=R4*C2=0.01，£2=R2//R3*C2=0.005，£1<£2,可控硅U2没有达到触发脉冲，即U2不能导通，电机不能转动；在结束充电之后，电路中对C2的充电不能立即停止，C2将会继续充电，C2存储电能将会高于C3，最终将导致£1>£2，达到可控硅触发条件，此时可控硅将导通，电机接入，电机启动。

4.3单片机计时电路

单片机扫描按键按下时，计时1分钟，检测判断计时是否结束，计时结束，关闭继电器。

（五）系统测试

因为字数限制，所以只能分享到这儿！测试详见附件。

toofoot

感谢分享

渡鸦石语

toofoot 发表于 2019-4-2 15:29
感谢分享

感谢分享

李灵宝

楼主，能不能给我发一份附件啊，原来那个打不开，多谢啦

紫色烟云

李灵宝 发表于 2019-5-5 15:52
楼主，能不能给我发一份附件啊，原来那个打不开，多谢啦

写的不好，见谅

李灵宝

紫色烟云 发表于 2019-5-5 17:55
写的不好，见谅

没事没事，哈哈，我是初学者，谢谢你啦

李灵宝

兄弟，这个线圈充电电路上边直接接上线圈过来的是直流电吗？

李灵宝

兄弟，超级电容充放电电路直接接线圈那过来的直接是直流电吗

zdq

优秀了兄弟，优秀了兄弟，优秀了兄弟，优秀了兄弟，优秀了兄弟，

jakie1983

谢谢分享

雨点嘉斯

感谢楼主的分享

烹茶闲话了

谢谢分享！

namehuang

谢谢分享、

wmx182

谢谢分享

sdcitlxw

不错  值得收藏

TheSubtlety

紫色烟云 发表于 2019-5-5 17:55
写的不好，见谅

emmmmmmmmmmmmm怎么获取积分

TheSubtlety

感谢分享

路绪伟

TheSubtlety 发表于 2019-8-3 12:29
感谢分享

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jzlzp

太棒了，找的就是你

大帝七七

不错谢谢分享