基于超级电容的无线充电设计参赛作品说明书Word格式文档下载.docx
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以无线充电为核心,利用超级电容的充电迅速,储能多的特性,存储电能。
使用单片机设计一个无线充放电控制模块,对无线充电进行实时监控。
通过无线遥控技术软件编程,使用L298N电机驱动控制小车的行驶。
本产品以超级电容组来取代市面上对环境有污染的镍镉电池、锂电池,可以改善环境问题。
而且超级电容具有存储电量多、充电时间短、使用寿命长等特点。
无线充电,利用电磁耦合原理进行无接触充电,解决了电气接口不同和电源适配等问题,从而增强便携性、美观性,由于线圈发射出的磁场与地球磁场类似,对人们无辐射,因此使用很安全
智能控制,制作单片机最小系统,包括A/D转换模块,LCD液晶显示模块,以及充放电切换和指示模块。
利用单片机对继电器的控制实现电容组的充放电的自动切换,同时实现对电容组工作状态的实时监控。
3硬件设计
3.1无线充放电控制模块
本作品使用AT89C52单片机,设计硬件电路图,并制成PCB板,通过软件编程实现无线充电控制,实现的功能有:
充放电模式的自动切换,并随时显示监控的电压,显示充电时间以及指示充放电状态。
3.1.1A/D转换模块
图3.1A/D转换电路
A/D转换模块使用PCF8591芯片,完成充放电电路电压的数模转换。
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit
CMOS数据获取器件,具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²
C总线接口,其工作电压为2.5V-6V。
PCF8591的3个地址引脚A0,
A1和A2可用于硬件地址编程,允许在同个I²
C总线上接入8个PCF8591器件,而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I²
C总线以串行的方式进行传输。
本设计使用AIN0模拟输入口,输入充放电的电压的模电值。
3.1.2显示模块
图3.2显示电路
显示模块使用LCD液晶显示器。
1602字符型LCD能够同时显示16*2即32个字符(16列2行)。
芯片工作电压:
4.5-5.5V。
工作电流:
2.0mA(5.0V)。
1602共16个管脚,但是编程用到的主要管脚不过三个,分别为:
RS(数据命令选择端),R/W(读写选择端),E(使能信号);
RS为寄存器选择,高电平选择数据寄存器,低电平选择指令寄存器。
R/W为读写选择,高电平进行读操作,低电平进行写操作。
E端为使能端,后面和时序联系在一起。
D0~D7分别为8位双向数据线,连接单片机的P0口。
3.1.3最小单片机系统
图3.3单片机最小系统电路
本模块为无线充放电模块的核心,使用AT89C52芯片和12MHZ晶振。
用作小车充电的监控和切换以及电池组的保护、监控。
3.2无线充电模块超级电容
本作品的无线充电采用“磁耦合共振”这种新技术,当发射端通电时,它并不会向外发射电磁波,而只是在周围形成一个非辐射的磁场。
这个磁场用来和接收端联络,激发接收端的共振,从而以很小的消耗为代价来传输能量。
在这项技术中,磁场的强度将不过和地球磁场强度相似,不用担心这种技术会对身体和其他设备产生不良影响。
图3.5无线充电原理图
无线充电模块内部集成了振荡电路、整形电路、检测电路、频率干扰抑制电路、电流自动控制、无线功率发射电路等部分组成。
发射模块可以在5~12V电压下工作,输出为5V500mA。
其接收端接收的功率由收发距离决定。
图3.6无线收发模块实物
超级电容就是一个用来存储无线充电能量的电池。
相对于一般的电池,超级电容具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
本作品共使用6个耐压值为2.7V的超级电容,每三个电容串联,最后把串联的电容并联。
3.3四键无线遥控控制模块
无线遥控模块使用集成模块,基本技术参数如下所示:
工作电压(V):
DC5V
静态电流(mA):
4.5mA
工作温度:
-10℃~+70℃
接收灵敏度(dBm):
-105DB
工作频率(MHz):
315、433.92MHz(266-433MHZ频率段可任选)
工作方式:
M4(点动:
按住不松手就输出,一松手就停止输出)、L4(互锁:
四路同时只能有一路输出)、T4(自锁:
四路相互独立输出、互不影响,按一下输出再按一下停止输出)
天线长度:
1/4波长的天线接收效果最好,一般采用50欧姆单芯导线,天线的长度315M的约为23cm,433M的约为17cm;
图3.7无线遥控模块
3.4电机驱动模块
L298N驱动模块,可以直接驱动两路3-30V直流电机,并提供5V输出接口,直接给单片机电路供电,支持3VMCU控制,方便控制直流电机速度和方向。
原理图如下:
图3.8L298N电机驱动原理图
模块接线方法:
IN1-IN4接单片机的P04-P07的I/O接口,OUT1-OUT2接直流电机1,OUT3-OUT4接直流电机2,VCC,GND接超级电容的正负极。
5V输出直接给单片机供电。
4软件设计
4.1软件开发环境
4.1.1C语言开发环境
Visual
C++6.0是微软公司推出的目前使用极为广泛的基于Windows平台的可视化集成开发环境,它和Visual
Basic、Visual
Foxpro、Visual
J++等其它软件构成了Visual
Studio(又名Developer
Studio)程序设计软件包。
Developer
Studio是一个通用的应用程序集成开发环境,包含了一个文本编辑器、资源编辑器、工程编译工具、一个增量连接器、源代码浏览器、集成调试工具,以及一套联机文档。
使用Visual
Studio,可以完成创建、调试、修改应用程序等的各种操作。
VC++6.0除了包含文本编辑器,C/C++混合编译器,连接器和调试器外,还提供了功能强大的资源编辑器和图形编辑器,利用“所见即所得”的方式完成程序界面的设计,大大减轻程序设计的劳动强度,提高程序设计的效率。
VC++的功能强大,用途广泛,不仅可以编写普通的应用程序,还能很好地进行系统软件设计及通信软件的开发。
4.1.2keil开发环境
keil是基于Windows的开发平台,包含一个高效的编译器、一个项目管理器和一个MAKE工具。
包括C编译器、宏汇编译、连接/定位器、目标代码到HEX的转换器。
以STC单片机为主芯片,用串口线即可完成程序的下载,电源采用USB口供电,更加方便携带,一台计算机足以完成程序的开发及下载工作。
普通的安装有Windows7的计算机便可按照软件安装指示一步一步的安装keil软件。
4.1.3STC-ISP开发环境
STC-ISP是一款单片机下载编程烧录软件,是针对STC系列单片机而设计的,可下载STC89系列、12C205系列和12C5410等系列的STC单片机,使用简便,现已被广泛使用。
1)打开STC-ISP,在MCU
Type栏目下选中单片机,如STC89C52RC;
2)根据9针数据线连接情况选中COM端口,波特率一般保持默认;
3)先确认硬件连接正确,按如图点击“打开文件”并在对话框内找到您要下载的HEX文件;
4)点击“Download/下载”;
5)手动按下电源开关便即可把可执行文件HEX写入到单片机内;
4.2软件程序设计
4.2.1时间显示设计
时间显示模块,使用单片机内部定时中断器T0,工作在方式1,晶振为12MHZ,通过LCD1602液晶显示器。
时间显示的格式为:
“Time00:
00:
00”。
单片机使用的是12MHZ晶振,其周期为1us,因此程序设定了count,shi,fen,miao四个计数变量,四个嵌套的循环函数。
首先设定TH0,TH1的初始值,当中断时,count变量加1,直到count等于20时,count变量重新至0,miao变量加1;
直到miao等于60时,miao变量重新至0,显示miao,fen变量加1;
如此循环,在LCD1602上显示时间。
4.2.2电压监控设计
电压监控模块,使用PCF8591芯片进行A/D转换,通过单片机内部定时中断器T1,工作在方式1,显示在LCD1602液晶显示器上。
电压显示的格式为:
“V:
000.0”。
当单片机T1产生中断时,则开启总线,通过移位函数,开始向单片机串行发送数据。
单片机选择PCF8591四路模拟输入通道中的第一路通道,再重新开启总线,发送数据,通过移位函数,串行接收数据,并且关闭总线。
最后写指令和数据,显示在LCD1602液晶显示器上。
4.2.3充放电切换
充放电切换模块,使用两个继电器和LED灯来完成。
继电器分别控制超级电容的正负两极。
LED灯用来指示充放电的过程。
初始化时,两个LED灯都为灭,继电器为放电状态。
当单片机中断时,从A/D转换模块得到电压值。
判断电压值,当电压值小于5V时,继电器切换到充电状态,LED灯指示充电状态。
当电压值大于9V时,继电器切换到放电状态,LED灯指示放电状态。
否则,继电器保持原本的状态,直到电压值满足判断条件,再进行跳变。
4.2.4无线遥控程序设计
无线遥控接收模块直接与单片机的P3.4-P3.7I/O接口相连,可直接通过遥控控制。
小车的电机驱动与P2.0-P2.3I/O接口相连,通过改变高低电平,实现小车的各项操作。
当按下遥控时,无线接收模块接收信号,通过单片机给相应的电机至高低电平,改变其状态。
5发展方向
本作品只是初步实现无线充电的功能,还需要进一步完善。
比如说,只是进行短距离充电,考虑长距离充电转化效率还能低。
充电的时间也过长,需要增加充电电压与电流,实现快速充电。
超级电容也需要一个保护电路,以免充电过压或过流等。
无线充电控制电路的功能太过单一,可通过I/O口进行扩充,增加作品功能。
6附录
6.1无线充放电控制原理图
6.2无线充放电控制PCB图
6.3源程序
6.3.1无线充放电控制源程序
#include<
reg52.h>
intrins.h>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitrs=P2^5;
//定义
sbitrw=P2^6;
//定义读\写端口
sbite=P2^7;
//定义使能信号引脚
sbitSDA=P3^2;
sbitSCL=P3^3;
ucharnum=0;
charshi,fen,miao;
ucharcount,mm;
ucharcodetable[]="
:
"
;
ucharcodetable0[]="
V:
000.0"
ucharcodetable1[]="
Time00:
00"
/******延时***********************************/
voiddelay(uintz)
{
uintx,y;
for(x=z;
x>
0;
x--)
for(y=110;
y>
y--);
}
/************************写指令***********************/
voidwrite_com(ucharcom)
{
rs=0;
//指令
rw=0;
//写入
e=0;
P0=com;
delay(5);
e=1;
//允许
}
/*************************写数据********************/
voidwrite_date(uchardate)
rs=1;
//数据
//写入
P0=date;
//允许
///////延时函数//////
//////////启动总线////////
voidStart(){
SDA=1;
SCL=1;
delay(5);
SDA=0;
SCL=0;
//////////结束总线///////////
voidStop()
//////非应答函数/////////
voidNoack(){
voidAck(){
delay(5);
/////////数据发送函数//////
voidSend(ucharc)
ucharbite;
for(bite=0;
bite<
8;
bite++)
{
if((c<
<
bite)&
0x80)SDA=1;
elseSDA=0;
//Delayus();
}
///////接收函数///////////
ucharRec()
ucharbyte,bite;
delay(5);
byte<
=1;
if(SDA==1)byte+=1;
return(byte);
///////////读取数值////////
ucharRead(ucharAI){
ucharz;
Start();
Send(0x90);
Ack();
Send(0x40|AI);
Send(0x91);
z=Rec();
Noack();
Stop();
return(z);
/**********************LCD初始化***************/
voidinit(){
ucharn;
shi=0;
fen=0;
miao=0;
write_com(0x38);
write_com(0x0c);
//显示控制
write_com(0x06);
//地址加1字符不移动
write_com(0x01);
//清零
write_com(0x80);
for(n=0;
n<
n++)
write_date(table0[n]);
write_com(0xc0);
16;
write_date(table1[n]);
TMOD|=0x11;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
ET1=1;
TR1=1;
TH0=(65536-46083)/256;
TL0=(65536-46083)%256;
TH1=(65536-2000)/256;
//重新赋值
TL1=(65536-2000)%256;
/*************************显示*********************/
voidwrite_sfm(ucharadd,uchardate)
ucharshi,ge;
//对应的一个数分离开来分别送入对应地址显示
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);
/*********************主函数*************************/
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);
//每次变化后的时数据送入显示
write_sfm(9,fen);
//每次变化后的分数据送入显示
write_sfm(12,miao);
//每次变化后的秒数据送入显示
voidTimer1(void)interrupt3{
/******************中断处理**********************/
voidyy()interrupt1
TL0=(65536-45083)%256;
count++;
if(count==20){
count=0;
//count到20清零
miao++;
//秒加1
if(miao==60){
//秒到60清零
fen++;
//分加1
if(fen==60)
{
//分到60清零
shi++;
//时加1
if(shi==24)
{
//时到24清零
}
}}}}
6.3.2无线遥控源程序
#include<
REGX51.H>
stdio.h>
sbitP04=P0^4;
sbitP05=P0^5;
sbitP06=P0^6;
sbitP07=P0^7;
sbitP23=P2^3;
unsignedchara,b;
voiddelay10ms()
for(a=100;
a>
a--)
for(b=225;
b>
b--);
sbitA=P3^4;
sbitE=P3^5;
sbitC=P3^6;
sbitD=P3^7;
voidmain(void)
while
(1)
P23=0;
if(A==1)//前进
P04=0;
P05=1;
P06=0;
P07=1;
delay10ms();
if(E==1)//后退
P04=1;
P05=0;
P06=1;
P07=0;
if(C==1)//左转
if(D==1)//右转
if(A==0&
&
E==0&
C==0&
D==0)//停止
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