AT89C51單片機(jī)電動(dòng)小車

引言1.1研究背景和意義所有的便攜式電子設(shè)備都離不開充電問題，傳統(tǒng)的充電基本都采用有線充電方式進(jìn)行充電，但是由于設(shè)備充電接口的不同，用戶需要配備不同的數(shù)據(jù)接口。有線充電不但使用起來(lái)不方便而且當(dāng)電線過多時(shí)容易造成電線纏繞在一起、桌面雜亂的情況，電線使用的時(shí)間久了，也會(huì)老化短路，頻繁的插拔插頭也容易產(chǎn)生電火花，造成火災(zāi)等安全隱患[1]。這一系列的問題導(dǎo)致人們開始尋找一種不用導(dǎo)線進(jìn)行電能傳輸?shù)姆绞?，因此，近幾年?lái)，無(wú)線電能傳輸技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。無(wú)線充電不需要使用電線，能夠有效的解決有線充電帶來(lái)不方便，有安全隱患等各種問題，無(wú)線充電已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，而且是未來(lái)對(duì)電子設(shè)備充電的發(fā)展方向[3]。1.2無(wú)線充電現(xiàn)狀 無(wú)線充電技術(shù)主要由3部分構(gòu)成：高頻變換器、傳輸結(jié)構(gòu)還有系統(tǒng)協(xié)同控制，這三個(gè)部分，每個(gè)部分都存在這自己的問題，所以，無(wú)線充電技術(shù)是一個(gè)多個(gè)學(xué)科交叉的技術(shù)。雖然無(wú)線充電技術(shù)比有線充電技術(shù)確實(shí)要方便很多，但是無(wú)線充電技術(shù)還不夠成熟。目前，無(wú)線充電方式共有以下四種。無(wú)線電波方式,就是將微波的能量轉(zhuǎn)化為電能[5]。在供電端放置一個(gè)微波發(fā)射裝置,產(chǎn)生微波，然后供電端的發(fā)射天線將能量傳輸給微波接收裝置的接收天線,再將電磁波信號(hào)重新轉(zhuǎn)成電能供用電端設(shè)備使用[6]。但是這種電力傳輸方式電磁波受干擾大、傳輸效能低、而且對(duì)人體有輻射[7]。因此不考慮使用無(wú)線電波方式。電場(chǎng)耦合方式,通過沿垂直方向的耦合兩組非對(duì)稱偶極子能產(chǎn)生磁感電場(chǎng)，利用此原理來(lái)傳輸電力[8]。物理信號(hào)隔離進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)，需要弱化通信控制系統(tǒng)，而且外部條件變化也會(huì)影響系統(tǒng)參數(shù)，從而導(dǎo)致傳輸效率發(fā)生較大變化。對(duì)于無(wú)線傳輸來(lái)說(shuō)，線圈的的設(shè)計(jì)也很重要，如果有一邊沒有對(duì)齊，可能就會(huì)導(dǎo)致傳輸效率降低，傳輸功率變小等問題目前無(wú)線充電最核心的問題是提升充電效率[9],因此不使用電場(chǎng)耦合式。磁共振方式，通過變化的磁場(chǎng)傳遞能量[5]。利用這一原理可以延長(zhǎng)傳輸?shù)木嚯x，使傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到數(shù)米甚至數(shù)千米,可以利用這一原理還可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的充電方式。但是,由于磁共振式無(wú)線充電方式轉(zhuǎn)化效率比較低,設(shè)計(jì)難度較高,而且維護(hù)成本高,所以磁共振式的無(wú)線充電技術(shù)暫時(shí)還不能被普遍的應(yīng)用。電磁感應(yīng)方式，通過線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞[13]。其工作原理與變壓器很相似,導(dǎo)體通過電流，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，都是利用電磁感應(yīng)原理。在無(wú)線充電發(fā)射模塊和接收模塊都有一個(gè)感應(yīng)線圈，也就是利用這兩個(gè)線圈來(lái)傳遞電能。電磁感應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn):輸出功率較大,可以達(dá)到幾瓦甚至幾百瓦，制作成本較低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),并且有一定的穿透性。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有的幾種無(wú)線充電方式進(jìn)行分析，電磁感應(yīng)方式相對(duì)于其它幾種無(wú)線充電方式來(lái)說(shuō)，充電效率較高、輸出功率較大且制作成本低，故本設(shè)計(jì)采用電磁感應(yīng)方式制作了一套無(wú)線充電裝置。本設(shè)計(jì)主要是以AT89C51單片機(jī)作為主控，利用高頻大功率輸出集成電路芯片XKT335、XKT412配合一些簡(jiǎn)單的電阻電容電路作為無(wú)線充電發(fā)射模塊，T3168芯片配合簡(jiǎn)單電路作為無(wú)線充電接收模塊，超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊完成電能的存儲(chǔ)與傳遞，單片機(jī)控制部分主要用于控制充電的時(shí)間還有充電的開始與停止。發(fā)射裝置產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收裝置感應(yīng)到發(fā)射裝置產(chǎn)生的電磁信號(hào)，產(chǎn)生電流，將能量傳遞給超級(jí)電容儲(chǔ)存起來(lái)，AT89C51通過控制繼電器觸點(diǎn)的閉合來(lái)控制充電的開始和結(jié)束，達(dá)到充電時(shí)長(zhǎng)，就結(jié)束充電，充電結(jié)束后利用超級(jí)電容存儲(chǔ)的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車。2.1系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)共分為4大模塊，分別為無(wú)線充電發(fā)射模塊、無(wú)線充電接收模塊、單片機(jī)控制模塊、超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊。通過對(duì)系統(tǒng)各模塊功能分析，總結(jié)出系統(tǒng)整體框圖如2-1所示：圖2-1系統(tǒng)框圖由此框圖可看出，本設(shè)計(jì)無(wú)線充電裝置主要工作原理如下：發(fā)射裝置產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收裝置感應(yīng)到發(fā)射裝置產(chǎn)生的電磁信號(hào)，產(chǎn)生電流，將能量傳遞給超級(jí)電容儲(chǔ)存起來(lái)，AT89C51通過控制繼電器觸點(diǎn)的閉合來(lái)控制充電的開始和結(jié)束，達(dá)到充電時(shí)長(zhǎng)，就結(jié)束充電，充電結(jié)束后利用超級(jí)電容存儲(chǔ)的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車。硬件電路部分由無(wú)線充電發(fā)射模塊、無(wú)線充電接收模塊、單片機(jī)控制電路和超級(jí)電容儲(chǔ)能電路組成，發(fā)射模塊由XKT335芯片及XKT412芯片組成，接收模塊由T3168配合簡(jiǎn)單電路組成，單片機(jī)控制電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、按鍵控制電路和繼電器控制電路組成，超級(jí)電容儲(chǔ)能電路主要是由多個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)組成的。2.2AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89C51是Atmel的一款8bit的微控制器。AT89C51是本設(shè)計(jì)的主要控制芯片。AT89C51單片機(jī)的外圍部件及其特性的描述如下：與MCS-51產(chǎn)品兼容；具有4K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可重編程閃存；全靜態(tài)操作；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；8bitx128內(nèi)部RAM；32條可編程I/O線；共有6個(gè)中斷源；可編程串行通道；低功耗空閑和掉電模式；有一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路AT89C51單片機(jī)的外圍引腳如圖2-2所示。圖2-2AT89C51單片機(jī)引腳圖2.3XKT335簡(jiǎn)介XKT335芯片是芯科泰的一款優(yōu)質(zhì)高頻大功率輸出集成電路芯片，通常配合芯科泰的XKT-412芯片組成本設(shè)計(jì)中的無(wú)線充電系統(tǒng)中的發(fā)射模塊，發(fā)射模塊可以在較高的頻率下工作，工作體積小并且輸出功率強(qiáng)大，降低了線圈成本，可直接采用PCB作為發(fā)射使生產(chǎn)應(yīng)用更加簡(jiǎn)便，具有精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)中，選用XKT335來(lái)進(jìn)行無(wú)線充電發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且能符合題目要求。XKT335的引腳如圖2-3所示：圖2-3XKT335芯片引腳圖引腳說(shuō)明如表2-3所示：1、2、3、4、引腳都是功率輸出引腳，4、5、6引腳接地，8腳為功率輸入引腳。表2-3XKT引腳說(shuō)明引腳編號(hào)引腳名稱引腳功能描述1OUT輸出2OUT輸出3OUT輸出4OUT輸出5GND地6GND地7GND地8IN功率輸入2.4XKT412簡(jiǎn)介XKT412是芯科泰優(yōu)質(zhì)高頻大功率輸出集成電路，配合芯科泰的XKT-412芯片組成無(wú)線充電系統(tǒng)中的發(fā)射模塊，發(fā)射模塊可以在較高的頻率下工作，工作體積小并且輸出功率強(qiáng)大，降低了線圈成本，XKT-412用于無(wú)線電能傳輸功能，XKT412主要作用就是利用電磁能量轉(zhuǎn)換的原理并配合無(wú)線充電接收模塊部分做能量轉(zhuǎn)換及電路狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；還負(fù)責(zé)各項(xiàng)電池的快速充電智能控制。由于XKT412具備以上優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)采用XKT412來(lái)設(shè)計(jì)電路，XKT412引腳如圖2-4所示：圖2-4XKT-412芯片引腳圖XKT412引腳說(shuō)明如表2-4所示：1引腳為電壓檢測(cè)引腳，2引腳為頻率微調(diào)引腳，3引腳為多功能調(diào)節(jié)引腳，4引腳為功率加強(qiáng)引腳，5腳為參考地引腳，6腳為輸出引腳，7引腳為功率驅(qū)動(dòng)引腳，8引腳接的是電源正極。表2-4XKT412引腳說(shuō)明引腳編號(hào)引腳名稱引腳功能描述1VD電壓檢測(cè)2FT頻率微調(diào)3MFA多功能調(diào)節(jié)4PTS功率加強(qiáng)5GND地6OUT輸出7TD功率驅(qū)動(dòng)8VDD電源正極2.5T3168簡(jiǎn)介T3168是芯科泰無(wú)線充電系列，通用接收集成電路芯片。本設(shè)計(jì)中，無(wú)線充電接收模塊主要使用T3168配合其他電路組成。原理簡(jiǎn)單易懂，其接收的功率由收發(fā)距離決定。T3168芯片引腳圖如圖2-5所示。圖2-5T3168芯片引腳圖T3168引腳說(shuō)明如表2-5所示：1引腳是空引腳，不接任何電路元件，2引腳為電壓輸入引腳，3引腳為電壓穩(wěn)壓輸出引腳，4引腳接的是參考地，5引腳為輸出電壓取樣引腳，是用來(lái)改變輸出電壓值的，6引腳也是空引腳，不接元件，7引腳為輸出開關(guān)使能引腳，該引腳為高電平時(shí)，芯片處于工作狀態(tài)，低電平時(shí)則關(guān)斷芯片輸出。8引腳也為空引腳。表2-5T3168引腳說(shuō)明引腳編號(hào)引腳名稱引腳功能描述1NC空2IN輸入3OUT電壓穩(wěn)壓輸出端4GND地5VA輸出電壓調(diào)節(jié)取樣6NC空7O/F輸出控制使能端8NC空3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路部分由無(wú)線充電發(fā)射模塊、單片機(jī)控制電路、無(wú)線充電接收模塊和超級(jí)電容儲(chǔ)能電路組成，發(fā)射模塊由XKT335芯片及XKT412芯片組成，接收模塊由T3168配合簡(jiǎn)單電路組成，單片機(jī)控制電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、繼電器控制電路和按鍵控制電路組成，超級(jí)電容儲(chǔ)能電路主要由超級(jí)電容組成。下面將具體介紹各個(gè)模塊硬件設(shè)計(jì)原理。3.1發(fā)射模塊 發(fā)射模塊原理圖如圖3-1所示。使用高頻大功率輸出集成電路XKT335配合XKT412組成無(wú)線充電發(fā)射模塊，發(fā)射模塊的供電電壓為5V，工作電流為1A，使用簡(jiǎn)便，效率高，且具有自動(dòng)過流保護(hù)的功能。圖3-1無(wú)線發(fā)射裝置原理圖3.2接收模塊 接收模塊原理圖如圖3-2所示。無(wú)線接收模塊主要由無(wú)線充電通用接收集成電路T3168配合簡(jiǎn)單電阻電容電路組成，原理簡(jiǎn)單易懂，其接收的功率由收發(fā)距離決定。圖3-2無(wú)線接收裝置原理圖3.3單片機(jī)控制電路 單片機(jī)控制電路如圖3-3所示。分別由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、按鍵控制電路及繼電器控制電路組成。使用AT89C51芯片用作無(wú)線充電裝置的控制。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路可細(xì)分為復(fù)位電路（復(fù)位器件，使單片機(jī)能正常工作）、晶振電路（提供時(shí)鐘小信號(hào)），電源電路（給單片機(jī)供電）等。復(fù)位電路使用的晶振為12MHZ。按鍵、繼電器使用直接連接AT89C51的GPIO引腳的方式，使用時(shí)，單片機(jī)讀取GPIO的狀態(tài)即可獲取按鍵狀態(tài)，單片機(jī)直接控制GPIO即可控制繼電器，控制簡(jiǎn)單方便。圖3-3單片機(jī)控制電路3.4超級(jí)電容儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)超級(jí)電容儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3-4所示，本設(shè)計(jì)中是用超級(jí)電容來(lái)存儲(chǔ)電能。超級(jí)電容具有充放電時(shí)間短，能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)考慮了兩種方案,一是電容串聯(lián),二是并聯(lián)，串聯(lián)時(shí)有C=Cn/N,由公式可看出，電容的容量減小，而且當(dāng)超級(jí)電容器串聯(lián)的時(shí)候,各個(gè)電容的電壓不均衡，所以，如果采用電容串聯(lián)的方式，可能會(huì)導(dǎo)致電容因電壓太大而損壞，從而影響整體的性能受到影響。而如果采用電容并聯(lián)的方式，則可以避免以上這些問題，因此最后采用多超級(jí)電容并聯(lián)的方法來(lái)給小車供電。圖3-4超級(jí)電容儲(chǔ)能電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件流程圖系統(tǒng)軟件流程圖4-1所示。由流程圖中所示，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)思路為，單片機(jī)上電進(jìn)行初始化，繼電器觸點(diǎn)閉合，可通過按鍵設(shè)定無(wú)線充電設(shè)備要充電的時(shí)間，然后開始進(jìn)行充電并且啟動(dòng)定時(shí)器0開始計(jì)時(shí)，當(dāng)充電時(shí)間到達(dá)設(shè)定充電時(shí)長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)入定時(shí)器0中斷函數(shù)，在中斷函數(shù)中，GPIO，控制GPIO的狀態(tài)，即可斷開繼電器，繼電器斷開，無(wú)線充電設(shè)備的充電也會(huì)停止。由以上思路設(shè)計(jì)出整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)的軟件部分，最后經(jīng)過不斷調(diào)試，也達(dá)到了預(yù)期效果。圖4-1軟件流程圖4.2充電時(shí)長(zhǎng)程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中，充電時(shí)長(zhǎng)的控制是通過定時(shí)器0中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器由高8位寄存器和低8位寄存器組成（只能字節(jié)尋址），TMOD和TCON，TMOD寄存器是工作模式存器，確定其用作定時(shí)器還是計(jì)數(shù)器，定時(shí)器0和1工作方式不同，根據(jù)寄存器值得設(shè)定，分別有13，16位、8位得定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；TCON稱為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制模式寄存器，控制定時(shí)器0的啟動(dòng)和停止，還有設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)溢出標(biāo)志。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是計(jì)數(shù)器，每次加一，當(dāng)時(shí)間到設(shè)定充電時(shí)長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)入定時(shí)器0中斷函數(shù)，中斷函數(shù)里將繼電器斷開，停止充電，通過以上思路設(shè)計(jì)程序，達(dá)到充電時(shí)間可控的效果，使本設(shè)計(jì)中的無(wú)線充電系統(tǒng)的使用更加靈活。圖4-2充電時(shí)長(zhǎng)程序設(shè)計(jì)框圖5系統(tǒng)調(diào)試5.1系統(tǒng)總體實(shí)物圖 本設(shè)計(jì)使用AltiumDesigner繪制原理圖，使用keil4編程，并做出實(shí)物如圖5-1和5-2所示。圖5-1為無(wú)線充電部分的實(shí)物圖，分別為無(wú)線充電發(fā)射模塊，無(wú)線充電接收模塊還有超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊，圖5-2為測(cè)試時(shí)的小車實(shí)物圖，分別為測(cè)試用的小車還有單片機(jī)控制電路部分。圖5-1無(wú)線充電模塊實(shí)物圖圖5-2測(cè)試小車實(shí)物圖5.2軟硬件測(cè)試本設(shè)計(jì)中發(fā)射裝置產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收裝置感應(yīng)到發(fā)射裝置產(chǎn)生的電磁信號(hào)，產(chǎn)生電流，將能量傳遞給超級(jí)電容儲(chǔ)存起來(lái)，AT89C51通過控制繼電器觸點(diǎn)的閉合來(lái)控制充電的開始和結(jié)束，達(dá)到充電時(shí)長(zhǎng)，就結(jié)束充電，充電結(jié)束后利用超級(jí)電容存儲(chǔ)的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車。經(jīng)過不斷調(diào)試，最后達(dá)到效果為：使用具有恒流恒壓模式自動(dòng)切換的供電電壓為5V直流穩(wěn)壓電源給發(fā)射模塊供電，發(fā)射模塊產(chǎn)生電磁信號(hào)，（通過按鍵來(lái)控制充電時(shí)長(zhǎng)），接收模塊感應(yīng)到無(wú)線充電發(fā)射模塊的電磁信號(hào)并產(chǎn)生交流電流，當(dāng)充電時(shí)長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定值的時(shí)候，斷開繼電器，即停止充電，然后利用超級(jí)電容儲(chǔ)存的電能驅(qū)動(dòng)小車。經(jīng)過測(cè)試，本套無(wú)線充電裝置充電性能較穩(wěn)定，達(dá)到題目要求。6總結(jié) 本設(shè)計(jì)基于AT89C51、XKT335、XKT412、T3168實(shí)現(xiàn)了一套無(wú)線充電裝置，利用電磁感應(yīng)原理，將電能從發(fā)射模塊傳遞給接收模塊，并且使用此電能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車。本設(shè)計(jì)中發(fā)射裝置產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收裝置感應(yīng)到發(fā)射裝置產(chǎn)生的電磁信號(hào)，產(chǎn)生電流，將能量傳遞給超級(jí)電容儲(chǔ)存起來(lái)，AT89C51通過控制繼電器觸點(diǎn)的閉合來(lái)控制充電的開始和結(jié)束，達(dá)到充電時(shí)長(zhǎng)，就結(jié)束充電，充電結(jié)束后利用超級(jí)電容存儲(chǔ)的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車。目前的無(wú)線充電的技術(shù)主要面臨著很多問題，無(wú)線充電不是簡(jiǎn)單的電路就能實(shí)現(xiàn)的，而是涉及到電磁場(chǎng)的問題，就目前來(lái)說(shuō)，基于電磁場(chǎng)的模型和技術(shù)還不是很成熟，真正的無(wú)線傳輸面臨的不是近場(chǎng)傳輸問題，而是遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸問題。對(duì)于近場(chǎng)傳輸來(lái)說(shuō)，主要問題是控制問題和線圈問題。物理信號(hào)隔離進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)，需要弱化通