电动自行车节能装置设计制作

1、课外开放实验校级重点项目结题报告项目年度：2014-2015年度第十四期项目名称:电动自行车节能装置设计制作项目成员：专业年级：_指导教师：_承担学院：（盖章）起止日期：2014.11-2015.102015年10月9日一、项目基本信息二、项目申请书中约定的主要研究内容及创新点：（一）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；

2、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；（二）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

3、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

4、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)

5、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

6、、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Word资料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

7、、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10。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10。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所示电动自行车角度为负值不工作地平线二:L0。正常工作图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

8、流程图如图3.3所示蓄电池图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：童电机图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

9、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

10、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

11、方便，但抗冲击振动能力弱。 NS-QJ01单轴传感器如图3.8所示：Word资料Word资料佢护amhJS-QJO-l|UIP34VOCZ,i-t-ao产QiI3*42I啤DO*T/WVEMOI1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、振动能力咼，灵敏度好。输出方式多，且集成度咼，安装方便。但价格咼昂。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

12、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

13、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！采用邮票孔镀金工艺

14、，品质保证，可嵌入用户的PCB板中。b. 性能参数1、电压：3V6V2、电流：10mA3、体积：15.24mmX15.24mmX2mm4、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：加速度:6.1e-5g，角速度:7.6e-3/s。8、稳定性：加速度:0.01g，角速度0.05/so9、姿态测量稳定度:0.01o10、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MPU6

15、050，无姿态输出）12、波特率115200kps/9600kpsc. 引脚说明嵩秣VCC蔗块电憑，3.3V诚丹输人RX41tT玻畢備扎，TTJL电甲TX串肓我抽输姑，TTL出平tiN1)地我SCL12C时坤蛭SDA船c.故硝级图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弓I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，

16、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角度输出数据编号数据内容00x55包头10x53标识这个勺區角度包2RollLX轴用涇诋字节3RtillEIX轴角度鬲字节4PilchLy轴用度低宁节5PikhlJy轴曲度商字节6Yawl.z轴角度低+节7e釉用度高字节KTl.温度低孚节9TH谎度高7-节10Sum角速度计算公式:滚转角(x轴)Roll=(RollH8)|RollL)/32768*180()俯仰角(y轴)Pitch=(PitchH8)|PitchL)/32768*180()

17、偏航角(z轴)Yaw=(YawH8)|YawL)/32768*180()温度计算公式：T=(TH；GIU菽LEC电路RII,少nK1“I234S苗?8PIOI1213141516y二TR*3pHKV严电iilkpLWHEADER幻口P15Fmr_PlZRIORSTHJUFFTl：YDid：DOSM3KMCTEWb(MFBEAVlOmiDI2013DIDZIiFXIDTtujyae白uh吐eow,cluuidifntdim.dats)DIS恥01?Dl$elHU3i3I52F(vaid；i诃LCl匚DT祖TWheD:耐丄也DZLinnKfFViJitL*vui.dwflidwnd讯widWLd_

18、MidLQiVU-IlLuiijhAd沁rle).iciiirascruDidj,LaJi【iidj:(unsifrw-dcksi筈墟ec由chtcoIvun5linedohaccauir:*im恥ziedindatUHFJ-rUTFuniiETifefl亡冏yyR,wd-LSMiichf悶】彌啊*rtIiJJuff*F22jI.L-nFItrFTCHJtwipjgrwd训耐rcw,ma?ignsjujriharrljUTiripichrBuf-r!.lJJUKttnriffrrtdlinir&tE-rt；:Li3_X4ujK3ifitd曲诣rAdKlCPLTMlJ?UULtHDxvifedh

19、xgv)triiiKjFi.-x-侔3wiijLdi.niriid)cU14LCUKll：m站AUKLC&CUWFF(|dkbmainiBCiDEH削gpjg曰并:-I1jThriTCVTEC1W二、auJSWfg|LDI6(E.rars-Lik=ikI:：Ui亡比：3*Kav=*t3FJHguMHIL入町ms舄.Itii：IifCEOiiAt*3FUCDIEJP(d*tNLQCMI.H4即|afniinkHCTlWROIriiLr/ICEIfitjR；|UO.KRIKdstAL&H:图3.18软件编程调试界面其中显示了主程序和按键程序。switch(row)主程序为voidCLR_SCREE

20、N(void);voidLCD_DISOFF(void);voidLCD_DISON(void);voidLCD_CUROFF(void);voidLCD_CURON(void);voidLCD_INT(void);voidLCD_PRINT(unsignedcharrow,unsignedcharcol,unsignedcharcount,unsignedintdats);voidLCD_PRINTF(unsignedcharrow,unsignedcharcol,unsignedcharInBuffer33);voidLCD_PRINTCHAR(unsignedcharrow,unsign

21、edcharcol,unsignedcharBuffer);voidCPU_DELAYTIME(unsignedintcount);voidLCD_WRI(unsignedcharadr);voidLCD_WRD(unsignedcharasc);/显示数值voidLCD_PRINT(unsignedcharrow,unsignedcharcol,unsignedcharcount,unsignedintdats)LCD_DISON();CPU_DELAYTIME(100);case1:row=0x80;break;case2:row=0xC0;break;default:break;LCD_

22、WRI(row+col-1);CPU_DELAYTIME(200);if(count=5)LCD_WRD(dats/10000%10+48);if(count=4)LCD_WRD(dats/1000%10+48);if(count=3)LCD_WRD(dats/100%10+48);if(count=2)LCD_WRD(dats/10%10+48);LCD_WRD(dats%10+48);/LCD初始化voidLCD_INT(void)LCD_WRI(0X38);点阵光标显示模式LCD_CUROFF();LCD_WRI(0X80);/8位数据总线两行显示模式5X7/无光标跟随/设置显示地址OO

23、H关闭显示Word资料voidLCD_DISOFF(void)LCD_WRI(0X08);/打开显示voidLCD_DISON(void)LCD_WRI(0X0C);/光标消失voidLCD_CUROFF(void)LCD_WRI(0X0C);/光标跟随voidLCD_CURON(void)LCD_WRI(0X0F);/显示字符串voidLCD_PRINTF(unsignedcharrow,unsignedcharcol,unsignedcharInBuffer33)unsignedcharI_LOOP;LCD_DISON();CPU_DELAYTIME(500);case1:row=0x80

24、;break;case2:row=0xC0;break;default:break;LCD_WRI(row+col-1);for(I_LOOP=0;I_LOOPa：心：Tg广8r：T启jf：ii亍予飞疏厲厂尹十诃何|,.下罚工三:：|.载T尸区出崔利寸段刚-山，工一开前r-,T-yinCO01D2D3MIEIKDfT08tKgOBOrOEOFst邸:jcoTS下裁搀旳再vs-申丫白Re-Bonlu孔曲重夏下範厂氤下豆苇虫寸打丘珂二往疥=耳总半riihli-ffl厂勻=代吐生址饰说/V-4.讦卫r1-zI-.载心tj_/；1FS-?Hrr=i书半单片til出厂Q蒯城牺直是l(P1.0/FL.lI

25、JfeV-iFTff-B-l土mm八|*孚早hs-12NHz.Fl裁REELS用作曲ETZ帝1TO启功内部看i第后蔡.止改看门狗廿顷颓CYISTMl上电时自动用彳右1狗rYIS*Ml：1弧逹闲：|状态时内祁面溯再止1|寸QVTf：rw电白9丘二1疋訐石二叵珂三师和翻二J|送顶自定文T截哎机下我I粉査IO违项I自zjjfflSIISPBIWlAlT戢咸功芮盲斷：rfu三頁Plii邛和lim和t.二|图3.19程序下载界面选择打开程序文件，选择“gx”文件，然后点击“Download/下载”即可为单片机输入指令程序9)研制过程附图Word资料附图1附图5附图62、项目执行过程中仪器设备的使用情况序

26、号仪器设备名称机时操作人实验室名称01直流稳压电源100李传杰机电一体化实验室02示波器60何劲松机电一体化实验室03电烙铁30何劲松机电一体化实验室04万用表100李传杰机电一体化实验室三）项目创新点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

27、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，使得直行车动能减小，降低了直行车的行驶速度，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。（四）研究成果及其完成情况标志性成果要详细说明是以下哪种形式：授权专利、公开刊物发表论文、参加学科竞赛获省级三等奖及以上奖励、创新实验教学项目（该项目列入实验教学大纲）、用于教学的自研自制仪器或设备功能改进（该设备需承担实验教学任务）等。公开发表专利，

28、已收录。专利名称：一种智能节能电动车（五）经费及使用说明批准经费（元）_4000_，实际使用（元）_4500实验材料费资料、印刷费出版费1500其他合理费用（分项详述）（六）对实验室及开放实验的建议（不少于100字）1、对实验室的建议希望实验室能够提高开放程，让更多同学能了解实验室和加入实验室锻炼动手能力。希望实验室能成立像电信院课外开放实验室为大学生专门建立实验室，组织学生参加国内大赛。不仅能培样学生动手能力，更利于学以致用对培样科学探索精神大有裨益。2、对开放实验的建议希望能增加开发试验项目及增加开发试验的宣传力度让更多学生知道和参加开放实验，因对从对周围同学的了解情况看他们对开放实验知之

29、甚少。同时也洗希望学校不仅增加专业性的试验项目也能增加富有趣味性娱乐性质的开放性试验。（七）本次参加开放实验的心得体会（不少于200字）在本次电动自行车节能装置实验中，有过失落，也有过兴奋，总结如下：1、项目成员为垮年纪组合，学长给予了学弟很多帮助。整个团队十分温暖，学长传授了学弟许多专业知识.分享他们学习上的心得体会，在生活中互帮互助让学弟们收益匪浅，学长们也收获了许多真挚友情和美好时光。做电动自行车节能装置收获的不仅是专业知识更重要的是在这个过程中所体验的点点滴滴2、对于我们所学的专业知识，对于机械专业来讲实在甚少我们需要的是继续学习和努力学习才能更上机械行业要求。在努力学习的路途中也需要关注时事新闻了解行业动态为我们以后的机械创新服务，特别是新能源节能绿色等热点词汇3、做一个项目除了需要组员要有拿出手的专业技能之外更重要的是一个团队的分工合作与团结。在本