电动自行车节能装置设计制作复习过程Word格式文档下载.docx
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2015年10月9日
一、项目基本信息
2、项目申请书中约定的主要研究内容及创新点:
(1)项目申请书中的主要内容
1)结构设计,实现将发电储能系统安装于自行车上结构合理化,代替原有的蓄电池;
2)通过计算确定发电储能系统中变速传动机构相关参数,以较小尺寸实现较大变速,来增大单位时间发电量;
3)通过计算确定发电储能系统中交直流转换电路,以减少传输和交直流转换过程中的电量耗散;
4)确定蓄电装置和电流输出参数;
5)基于理论设计的实物制作:
1)根据设计需要用相关软件将新型电动自行车绘制好,并做功能模拟;
2)根据所需实现的传动要求,选择合适的规格进行零件加工或购买;
3)根据转换电路选择相关电器元件进行适当组装,以实现要求;
4)购买蓄电装置并连接好几种不同电流输出线路;
5)将所有系统组装在一起,并测试其功能实现情况;
(2)项目申请书中的创新点
1、创新点1
该项目结合现在的节能环保的主题,以节能发电为主题,设计以较低转速
实现较高的电能输出,能更合理利用能源。
2、创新点2
该作品项目的发电装置体积小,适合安装于自行车上,不仅节能环保,并且使用方便,不存在忘了充电等现象造成的困扰,适宜场合广泛。
3、创新点3
传统的电动自行车节能系统在电动车运动过程中进行发电,虽然回收了能量但回收的能量来自于驾驶者本身的能量,增加驾驶者的负担且使行驶速度降低不符合电动自行车设计目的。
而本装置设计为在电动自行车下坡时回收势能进行发电,不会对驾驶者增加负担,在电动自行车上坡时该作品会通过角度传感器感应角度不进行发电。
即实现回收能量,又不增加驾驶者负担的要求。
4、创新点4
电动直行车节在下坡时进行回收势能,将下坡的势能转变为电能,使得电动自行车动能减小,降低了电动自行车的行驶速度,智能的实现电动自行车下坡减速的目的,增加了行驶过程中的安全性。
三、项目完成情况
(一)项目内容、达到的目标和解决的关键问题
1、主要内容
1)电动自行车保有量进行市场调研。
2)研究电动机自行车的原理,确定电动自行车类型。
3)确定发电系统的机械传动系统,设计传动元件。
4)确定电路控制系统,进行电路控制元件的设计及分析。
5)发电系统整流、滤波、稳压电路的设计。
6)绘制电路图及机械设计图纸。
7)进行理论分析和实际验证。
2、达到的目标
实现对电动自行车储能机构的优化设计,设计出合适的电路,绘制出相应模拟电路和电动自行车以及相关零件的三维模型,完成实物制作进行校核检验并且写出设计研究报告及设计说明书。
3、解决的关键问题
(1)电动自行车行驶路段坡度的角度的感应,在下坡时感应到车身角度变化能够启动发电装置,自行车在平路时感应器发出信号停止发电机发电工作。
(2)电动自行车发电装置设计。
电动自行车后轮为驱动轮,结构较为复杂无法安装发电装置,只能选择前轮安装。
发电装置要在角度感应器工作情况下进行工作,然后进行发电。
这需要进行发电装置的接入和断开,设计出一套复杂功能装置。
然后在日常使用中,电动自行车前轮工况复杂对发电装置的可靠性提出很高要求。
(3)稳压、整流电路的具体设计。
电动自行车发电机发电,发出的电流是电压和电流都不稳定的交流电,交流电经整流、滤波、稳压后可以稳定的输入蓄电池,也可以转换为直流输出,经过转换电路转为几组常用电子设备使用电压。
4、是否达到项目申请书的要求,如否,请说明情况
各项均已达到申请书的要求。
(二)项目执行过程描述
1、主要对项目设计、研究或制作及完成过程进行描述,并请附研制过程中的图片。
1)项目设计
本实验涉及为一种电动自行车,具体而言是一种带倾角检测控制系统的智能节能电动自行车。
随着电动自行车的普及,越来越多的家庭或个人拥有了所属的电动自行车。
电动自行车绿色环保、体积小、操作简单和价格低廉等优点。
但行驶里程有限,蓄电池能量消耗过快等问题成为了阻碍电动自行车发展的主要因素。
基于以上原因,本实用新型提供了一种利用智能节能电动自行车。
如图3.1所示:
1、前轮2、发电机3、控制器4、车体5、倾角传感器6蓄电池7、后轮8、电动机
图3.1电动自行车结构简图
具体的技术方案是:
智能节能电动自行车,主要由带电动机的后轮、蓄电池、带发电机的前轮、倾角传感器等组成。
蓄电池接后轮电动机,由蓄电池提供电能使后轮旋转,驱动电动自行车前进。
前轮中的发电机通过整流、滤波电路后接入蓄电池,通过倾角传感器检测角度、决定发电机是否工作。
设定上坡路段的倾角为负,下坡路段的倾角为正。
倾角传感器在角度小于设定100时,输出低电平,发电机不工作;
当倾角传感器检测到角度大于或等于100时,输出高电平,发电机启动,开始发电,直到倾角传感器检测到倾角小于某设定值后,输出的高电平变为低电平,发电机停止发电。
如图3.2所示
图3.2电动自行车行驶路段示意图
2)项目系统整体框架与电动自行车节能电路图
项目系统流程图如图3.3所示
图3.3项目系统流程图
电动自行车在斜坡路段带动前轮旋转带动前轮发电机工作发电,由于前轮转动输入的不稳定性,交流发电机输出的是不稳定的交流电,频率和幅值都在不断地变化,而用户需要的正常频率的稳定的交流电。
因此必须先整流成稳定的交流电,再通过稳压电路,转化成稳定的直电流,这部分直流电可以储存于可充电电池中,可充电电池可以通过放电达到使电灯发光的功能,从而完成项目设计要求。
电动自行车节能电路图如3.4所示:
图3.4电动自行车节能电路图
3)发电机结构设计
发电机机构图如3.5所示:
图3.5发电机机构图
发电机包括包括轮轴、轮毂、定子、与定子同轴设置的转子、导线、碳刷、调节器以及设置在轮轴上的换向器。
4)倾角控制系统
电动自行车节能装置的创新点在与自行车下坡时进行发电,而上坡和平路时不进行发电,这是依靠倾角控制系统来完成的。
倾角控制系统由倾角传感器.单片机.继电器模块三大部分组成,如图所示:
图3.6倾角控制系统
下面依次介绍三大组成部分。
5)倾角传感器设计
由于本实验的设计为电动自行车在下坡时对前轮能量进行回收,转换为电能,需要一个感应装置来启动电动机进行发电。
我们的解决方案为在电动自行车安装倾角传感器,来感应车身角度变化,传出信号。
倾角传感器的工作原理为:
倾角传感器用来测量相对于水平面的倾角变化量。
是基于牛顿第二定律,根据基本的物理原理,测量系统内部的加速度。
实质是一个运用惯性原理的加速度传感器。
当传感器所测倾角大于等于设定值时,传感器会输出一个高电平;
所测角度小于等于设定值时,则会输出低电平。
利用这两个电平,就可以实现控制回路通断的作用。
通过网络检索我们获得了以下三种类型传感器供选择:
MM7361模块如图3.7所示:
图3.7MM7361模块
此模块是由深圳杰越公司生产的三轴加速度传感器,速度传感器采用Freescale(飞思卡尔)公司生产性价比高微型电容式加速度传感器MMA7361芯片。
其采用了信号调理、单级低通滤波器和温度补偿技术,并且提供了2个灵敏度量程选择的接口和休眠模式接口,带有低通滤波并已作零g补偿。
特点:
该传感器模块价格便宜、性价比高。
且安装调试方便,但抗冲击振动能力弱。
NS-QJ01单轴传感器如图3.8所示:
图3.8NS-QJ01单轴传感器
该传感器为上海天沐自动化仪表公司生产的工业级传感器,抗冲击、振动能力高,灵敏度好。
输出方式多,且集成度高,安装方便。
但价格高昂。
不适用于本次实验。
MPU6050倾角传感器如图3.9所示:
图3.9MPU6050倾角传感器
此模块为一六轴高精度惯性倾角检测模块,采用高精度的陀螺加速度计MPU6050,通过处理器读取MPU6050的测量数据然后通过串口输出,免去了用户自己去开发MPU6050复杂的I2C协议,同时精心的PCB布局和工艺保证了MPU6050收到外接的干扰最小,测量的精度最高;
模块内部自带电压稳定电路,可以兼容3.3V/5V的嵌入式系统,连接方便。
模块保留了MPU6050的I2C接口,以满足高级用户希望访问底层测量数据的需求。
采用先进的数字滤波技术,能有效降低测量噪声,提高测量精度。
模块内部集成了姿态解算器,配合动态卡尔曼滤波算法,能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态,姿态测量精度0.01度,稳定性极高,性能甚至优于某些专业的倾角仪。
符合本次实验需要。
MPU6050倾角传感器各项参数如下:
a.MPU6050倾角传感器产品概述
此六轴模块采用高精度的陀螺加速度计MPU6050,通过处理器读取MPU6050的测量数据然后通过串口输出,免去了用户自己去开发MPU6050复杂的I2C协议,同时精心的PCB布局和工艺保证了MPU6050收到外接的干扰最小,测量的精度最高。
模块内部集成了姿态解算器,配合动态卡尔曼滤波算法,能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态,姿态测量精度0.01度,稳定性极高,性能甚至优于某些专业的倾角仪!
采用邮票孔镀金工艺,品质保证,可嵌入用户的PCB板中。
b.性能参数
1、电压:
3V~6V
2、电流:
<
10mA
3、体积:
15.24mmX15.24mmX2mm
4、焊盘间距:
上下100mil(2.54mm),左右600mil(15.24mm)
5、测量维度:
加速度:
3维,角速度:
3维,姿态角:
3维
6、量程:
加速度:
±
16g,角速度:
2000°
/s。
7、分辨率:
6.1e-5g,角速度:
7.6e-3°
8、稳定性:
0.01g,角速度0.05°
9、姿态测量稳定度:
0.01°
。
10、数据输出频率100Hz(波特率115200)/20Hz(波特率9600)。
11、数据接口:
串口(TTL电平),I2C(直接连MPU6050,无姿态输出)。
12、波特率115200kps/9600kps
c.引脚说明
图3.10倾角传感器引脚图
d.MCU连单片机并输出调试信息。
通常情况下,MCU的串口资源比较紧张,有的单片机只有一个串口,而且调试的时候需要通过串口输出调试信息,这时可以将MCU的TX引脚连接到USB转串口模块的RX上,6050模块的TX接到MCU的RX引脚上,这样MCU既可以收到6050模块的数据,又可以输出调试信息了。
只是MCU无法输出串口指令给6050模块了,不过模块的配置都是可以掉电保存的,而且校准可以再上电后第三秒钟自动执行,通常情况下不用发送任何指令即可工作。
图3.11倾角传感器与单片机连接图
e.表3.1角度输出
角速度计算公式:
滚转角(x轴)Roll=((RollH<
8)|RollL)/32768*180(°
)
俯仰角(y轴)Pitch=((PitchH<
8)|PitchL)/32768*180(°
偏航角(z轴)Yaw=((YawH<
8)|YawL)/32768*180(°
温度计算公式:
T=((T
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