一、任务
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30cm26cm，高度重量不限。
二、要求
- 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。 （10分）
- 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。 （10分）
- 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。 （20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。 （50分）
- 其他。 （10分）
- 设计报告： （20分）
三、说明
- DC-DC变换建议采用TI公司TPS63020芯片。
- 超级电容的容量可根据充电器在1分钟时间充入的电荷量及小车行驶所需电流、时间和重量等因素综合考虑。
- 行驶距离以小车后轮触地点为定位点。倾斜坡度θ自定。
- 测试时，要求小车先充电、放电运行数次。保证测试时，小车无预先额外储能。以保证测试公平性。正式测试允许运行两次，取最好成绩记录。违规车辆不予测试。
- 无线充电电动车是一个比较复杂的工程问题，通过提高充、放电效率，减轻车重，优化电机驱动，适当选取超级电容（法拉电容）容量及路面倾斜角度θ等，提高电动车的爬升高度。
- 通过设置直流稳压电源的输出电压为5V，最大输出电流为1A，确保发射器供电为5V，电流不大于1A。
- 路面倾斜角度θ可以采用具有角度测量功能APP（如“指南针”）的手机，平放在斜坡上测量。
GPT-4o给出的设计方案：
一、方案论证
该设计任务的目的是实现一个无线充电电动小车系统，包含无线充电装置和电动小车两部分。方案的关键点在于无线充电的高效性和小车行驶过程中对电路的供电稳定性。这个系统需要考虑无线充电的效率、充电时间、负载电流以及电动小车的驱动和稳定性。同时，小车在不同坡度上运行的能力也需要特别强调。
二、系统设计
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无线充电装置
- 发射器设计：采用恒流恒压模式，并且发射功率不超过50W。控制电流保证小于1A。
- 接收器设计：合理安装在车底部，通过调整CC-CV充电策略保证充电效率。
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电动小车
- 使用直流电机驱动，电机采用经过适当齿轮减速的四轮玩具车系统，确保动力充足。
- 备用超级电容为了实现快速充电和储能，选择法拉电容，并加入DC-DC转换芯片TPS63020保证供电稳定。
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充电控制逻辑
- 充电时间限制在1分钟，每次充电后，系统检测运行情况，通过MCU控制充电和放电流程。
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行驶性能
- 轮胎防滑，提供足够摩擦力。
- 测量不同坡度下的爬坡高度性能，泵送充电电流时需要调整线路和输出功率。
三、理论分析
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无线充电效率
- 发射器提供恒定的功率且发热量控制合理，确保热量影响较小。
- 接收效率最大化时，谐振频率的选择和线圈的匹配至关重要。
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DC-DC转换效率
- TPS63020芯片：高效率的升降压转换器，适用于2节超级电容，并提供5V稳定输出。
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电动小车的动力分析
- 小车需提供的最大電流由驾驶负载、轮胎摩擦计算而得，根据简单的动力学公式：Power = Force x Velocity。
四、原理图设计要点
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无线充电器电路
- 采用TI的BQ500215作为发射端控制芯片，实现恒流恒压输出。
- 与接收端（例如BQ51013B）进行谐振匹配。
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电动小车驱动电路
- 电机控制电路采用H桥驱动，加强反向电流保护。
- DC-DC转换器配置确保电源稳定供给电机，避免掉电现象。
五、核心器件设计要点
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BQ500215无线充电发射芯片
- 提供完整的无线充电解决方案，支持WPC标准。
- 发热控制好，注意散热片设计。
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TPS63020 DC-DC转换芯片
- 支持宽输入电压范围，从而适应超级电容电压变化。
- 高效率和低静态电流，使其适合便携应用。
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DS18B20温度传感器
- 用于监控无线充电发射端和接收端的温度，确保系统稳定运行。
- 在高温时，降低功率输出保护电路。
六、MCU重要功能C代码
#include "stm32f1xx_hal.h"
ADC_HandleTypeDef hadc1;
TIM_HandleTypeDef htim2;
void SystemClock_Config(void);
static void MX_ADC1_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_ADC1_Init();
MX_TIM2_Init();
HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
HAL_ADC_Start(&hadc1);
while (1)
{
if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK)
{
uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
float current = (adcValue / 4095.0) * 3.3 / 0.185;
if (current > 1.0) // 过流保护
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 断开发射功率
while (current > 1.0)
{
// 继续监测直到电流恢复正常
adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
current = (adcValue / 4095.0) * 3.3 / 0.185;
}
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); // 恢复发射功率
}
}
HAL_Delay(100); // 避免频繁检测
}
}
void SystemClock_Config(void)
{
// 系统时钟配置代码
}
static void MX_ADC1_Init(void)
{
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
HAL_ADC_Init(&hadc1);
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_71CYCLES_5;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}
static void MX_TIM2_Init(void)
{
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 0;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 0xFFFF;
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
}总结
本设计涉及无线充电电路、高效DC-DC转换、小车运动控制及测量分析等多种先进技术。通过采用高效组件，如TPS63020，BQ500215，和ST的MCU，保证了系统的可靠性和高效性。设计中需重点考虑充电和检测电流的精度及高效能，以及小车在不同坡度上的稳定运行能力。总体上，这个设计是一个综合性强且应用广泛的系统。
这个题目考察的知识点：
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无线充电技术：如何设计高效的无线充电发射和接收电路，包括恒流恒压控制，发射线圈与接收线圈的匹配等。
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电源管理与DC-DC转换：设计低功耗高效率的电源管理电路，通过DC-DC转换实现稳定的电压输出。
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电动小车驱动：如何选择合适的直流电机及其驱动电路，设计齿轮减速和轮胎摩擦力满足小车在不同坡度上的行驶要求。
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传感与控制：利用MCU控制充电和放电过程，监测电流、电压信号，以及对电机速度和方向的控制。
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测试与优化：分析充电效率、行驶稳定性和小车在不同环境下的性能，优化系统硬件和软件设计。
