基于K60芯片的无线节能自主循迹智能车设计

文/黄叶婷 王新雨

1 引言

一直以来，电能传输利用导线进行的方法容易产生线路老化等难题，无线充电技术使电能不通过电线传输给设备，具有供电设备和充电器分离，隔物传递能量等优点。现阶段电动汽车无线充电存在充电速度慢、充电设施不完善等问题，限制了电动汽车的发展和普及，所以无线充电技术的研究也是电动汽车的重要发展方向之一。本文所设计的无线节能自主循迹小车，其无线充电模块的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，由无线充电装置、超级电容、单片机以及其他部件的组成，通过无线充电模块、DC-DC转换模块、单片机驱动、舵机控制等4个模块之间契合，完成无线充电自主循迹电动车的设计。目前，无线电能传输技术主要分为磁感应耦合、电场耦合、微波和超声波等，其中磁感应耦合传输效率较高，适合应用于电动汽车充电。本文设计的无线节能自主循迹电动车采用磁感耦合的方式进行充电，通过提高电容的充、放电效率，减轻车重，优化电机驱动来减小循迹电动车的循迹时间。

2 方案设计

本系统主要由无线充电模块、DC-DC变换模块、单片机驱动、舵机控制等4个模块组成，下面将逐个讨论这四个模块的方案设计。

2.1 无线充电模块的方案设计

无线充电模块的系统框图如图1所示。

自制无心PCB圆形单线圈螺旋电感线圈作为无线充电的发射线圈，线圈使用漆包线，其中线圈输入电压为12V 2A，输入电流为5V 1A，功率为5W，工作频率为100-200KHz，转换效率为70%＞，充电距离为2-6mm，圆形绕制的线圈，拥有较大的耦合面积，使得无线充电的效果比较好。

自制无心PCB圆形单线圈螺旋电感线圈作为无线充电的接收线圈，线圈使用漆包线，其中输出电压为5V，输出电流为1A，自制线圈能够很好的切合实验要求，能够根据实际需要制作，和无线充电发射端很好的结合，设计过程中的自制无线充电线圈实物图如图2所示。

2.2 DC-DC变换模块的方案设计

采用TI公司的TPS63020为核心芯片，其芯片为业界最高性能芯片，在宽电流范围内效率高达96%且价格较便宜。

2.3 单片机驱动模块的方案设计

本设计中自主循迹小车的主控部分采用K60单片机，其功耗较低，功能强，运行的速度快等特点，相对于51单片机的111条指令，K60单片机只有简洁的指令相对简单容易操控。

2.4 舵机控制模块的方案设计

舵机在整个无线充电智能循迹小车的设计中有很重要的作用，一方面，舵机可以通过传回来的电压来判断小车是否需要转动；另一方面，在单片机发出转动指令后能够控制小车的转动方面以及转动速度。设计中的舵机采用LM2596供电，使舵机的角度输出在-45°到+45°之间变化。通过输入的PWM信号来控制舵机的左右转动，从而输出信号到单片机控制电路板，进而控制自主循迹小车的转动方向和速度。

3 设计实现

3.1 机械结构设计与实现

我们通过组建小车，使其装载单片机、无线充电接受装置、升压模块、电容、继电器、电流传感器、舵机等部分。

3.2 无线充电模块的设计与实现

3.2.1 无线充电发射装置的设计与实现

无线充电模块的发射部分将直流电经过高频逆变电路，通电发射器的线圈所携带的交流电产生磁场，并通过线圈耦合使接受线圈产生电压。

图1：无线充电模块系统框图

图2：无线充电线圈实物图

图3：线圈电极传输示意图

图4：无线充电发射电路模型图

本设计中的无线充电模块采用的振荡电路是正交振荡电路，由正交振荡电路的输出频率的公式：可以得到电路的各个元件参数。由于整个振荡电路输出信号的功率太低，则需要功率放大电路来增大信号的功率，功率放大电路中电阻和一个电容并联接到发射线圈，耦合线圈的电极传输示意图如图3所示。

由毕奥-萨伐尔定律可以得到，稳恒电流通过导线时在导线外的一点P处产生的磁感应强度B为：

由以上公式可得，要提高无线充电的传输效率，就要增大耦合线圈的半径，或者减小线圈之间的距离。

图5：电磁感应无线充电示意图

图6：无线充电接收装置电路图

图7：TPS63020芯片示意图

图8：AD8217芯片示意图

图9：舵机工作原理图

综上设计出无线充电发射装置电路模型图如图4所示。

3.2.2 无线充电接收装置的设计与实现

在无线充电系统中，最重要的环节就是进行能量传递的部件——线圈的设计,它的设计成功与否，直接关系到能量能否通过无线方式进行传递。自制无心PCB圆形单线圈螺旋电感线圈作为无线充电的发射线圈，线圈使用漆包线，此中线圈输入电压设定为12V 2A，输入电流设定为5V 1A，功率为5W，工作频率在100-200KHz之间。充电电路采取集成的芯片提供输出DC-DC转换，接收转换电路的设计采用简单设计，芯片使用TI公司的TPS63020芯片，设计的电磁感应无线充的电示意图如图5所示。

表1：无线充电功能测试表

线圈传输效率等于接收端负载上得到的功率和发射端输入功率之比，则有：

由上式的推证可以得，无线充电模块的电能传输效率和 等因素都有关，通过这些因素之间的相互调节并分析参数可设计出最佳无线充电的发射、接收装置。

综上，设计出无线充电模块的接收装置电路图如图6所示。

3.3 DC-DC转换模块的设计与实现

DC-DC转换模块使用TI公司TPS63020芯片，同时，结合AD8217电流检测芯片，实现电流的转变并实现电容的充、放电功能，以此来驱动小车行驶，其中，TPS63020芯片的示意图如图7所示，AD8217电流检测芯片的示意图如图8所示。

3.4 单片机驱动模块的设计与实现

利用K60单片机自带的A/D转换器来实时检测无线充电的电容两端电压，以此来获得通过自制线圈传输的电能，当电压达到到规定值时向外设发出控制信号来控制小车，使小车自动断开充电电路，开始循迹行驶。

3.5 舵机控制模块的设计与实现

舵机也叫微型伺服马达，是角度的伺服驱动器，适用于角度不停变化的系统。调节PWM信号可以调整小车上舵机的角度转变，通过舵机内部基准电路产生的基准信号来计算并获得一个输出电压差，再由获得的输出电压差的正负来判断并决定电机驱动芯片是否需要控制电机的转向和速度，此过程一直到输出电压差为0时停止，同时，电机也停止转动，此中电机的工作原理图如图9所示。

4 设计测试

4.1 无线充电功能测试

在完成无线节能循迹智能车的舵机调试后，小车已经能够通过舵机的转向控制，在既定的道路上完成自主循迹行驶。接下来将对智能小车的无线充功能进行测试。首先用5V 1A的恒定电流给小车充电1分钟，充电结束后自动断电，用电容测试仪测量电容电压和电流，记录电容两端的电流和电压。再用秒表记录小车在1分钟充电后能循迹行驶的最长时间，进行多次测试后记录数据并制作表，如表1所示。

5 结论

本次无线充电电动车的设计，以K60单片机为控制核心。使用单片机驱动小车，采用AD8217探测电流，以实现无线充电功能。通过实验的验证，本文设计的无线节能循迹智能车能够完成无线充电的过程，使小车上所载的电容进行储能并通过电容的充、放电来驱使小车完成循迹行驶。本设计还通过提高充、放电效率，减轻车重，优化电机驱动，减小无线节能自主循迹小车行驶的总时间。此外，本设计能有效的针对目前无线充电技术在电动汽车充电应用上效率不足的问题，对未来电动汽车无线充电的发展具有一定意义。