AT89C51单片机电动小车

引言1.1研究背景和意义所有的便携式电子设备都离不开充电问题，传统的充电基本都采用有线充电方式进行充电，但是由于设备充电接口的不同，用户需要配备不同的数据接口。有线充电不但使用起来不方便而且当电线过多时容易造成电线缠绕在一起、桌面杂乱的情况，电线使用的时间久了，也会老化短路，频繁的插拔插头也容易产生电火花，造成火灾等安全隐患[1]。这一系列的问题导致人们开始寻找一种不用导线进行电能传输的方式，因此，近几年来，无线电能传输技术越来越受到人们的关注。无线充电不需要使用电线，能够有效的解决有线充电带来不方便，有安全隐患等各种问题，无线充电已经成为研究的热点，而且是未来对电子设备充电的发展方向[3]。1.2无线充电现状 无线充电技术主要由3部分构成：高频变换器、传输结构还有系统协同控制，这三个部分，每个部分都存在这自己的问题，所以，无线充电技术是一个多个学科交叉的技术。虽然无线充电技术比有线充电技术确实要方便很多，但是无线充电技术还不够成熟。目前，无线充电方式共有以下四种。无线电波方式,就是将微波的能量转化为电能[5]。在供电端放置一个微波发射装置,产生微波，然后供电端的发射天线将能量传输给微波接收装置的接收天线,再将电磁波信号重新转成电能供用电端设备使用[6]。但是这种电力传输方式电磁波受干扰大、传输效能低、而且对人体有辐射[7]。因此不考虑使用无线电波方式。电场耦合方式,通过沿垂直方向的耦合两组非对称偶极子能产生磁感电场，利用此原理来传输电力[8]。物理信号隔离进行无线通信时，需要弱化通信控制系统，而且外部条件变化也会影响系统参数，从而导致传输效率发生较大变化。对于无线传输来说，线圈的的设计也很重要，如果有一边没有对齐，可能就会导致传输效率降低，传输功率变小等问题目前无线充电最核心的问题是提升充电效率[9],因此不使用电场耦合式。磁共振方式，通过变化的磁场传递能量[5]。利用这一原理可以延长传输的距离，使传输的距离可以达到数米甚至数千米,可以利用这一原理还可以实现一对多的充电方式。但是,由于磁共振式无线充电方式转化效率比较低,设计难度较高,而且维护成本高,所以磁共振式的无线充电技术暂时还不能被普遍的应用。电磁感应方式，通过线圈来实现能量的传递[13]。其工作原理与变压器很相似,导体通过电流，就会产生磁场，都是利用电磁感应原理。在无线充电发射模块和接收模块都有一个感应线圈，也就是利用这两个线圈来传递电能。电磁感应式的优点:输出功率较大,可以达到几瓦甚至几百瓦，制作成本较低、环境适应能力强,并且有一定的穿透性。2系统方案设计经过对现有的几种无线充电方式进行分析，电磁感应方式相对于其它几种无线充电方式来说，充电效率较高、输出功率较大且制作成本低，故本设计采用电磁感应方式制作了一套无线充电装置。本设计主要是以AT89C51单片机作为主控，利用高频大功率输出集成电路芯片XKT335、XKT412配合一些简单的电阻电容电路作为无线充电发射模块，T3168芯片配合简单电路作为无线充电接收模块，超级电容储能模块完成电能的存储与传递，单片机控制部分主要用于控制充电的时间还有充电的开始与停止。发射装置产生电磁信号，接收装置感应到发射装置产生的电磁信号，产生电流，将能量传递给超级电容储存起来，AT89C51通过控制继电器触点的闭合来控制充电的开始和结束，达到充电时长，就结束充电，充电结束后利用超级电容存储的电能来驱动小车。2.1系统框图本设计共分为4大模块，分别为无线充电发射模块、无线充电接收模块、单片机控制模块、超级电容储能模块。通过对系统各模块功能分析，总结出系统整体框图如2-1所示：图2-1系统框图由此框图可看出，本设计无线充电装置主要工作原理如下：发射装置产生电磁信号，接收装置感应到发射装置产生的电磁信号，产生电流，将能量传递给超级电容储存起来，AT89C51通过控制继电器触点的闭合来控制充电的开始和结束，达到充电时长，就结束充电，充电结束后利用超级电容存储的电能来驱动小车。硬件电路部分由无线充电发射模块、无线充电接收模块、单片机控制电路和超级电容储能电路组成，发射模块由XKT335芯片及XKT412芯片组成，接收模块由T3168配合简单电路组成，单片机控制电路主要由单片机最小系统电路、按键控制电路和继电器控制电路组成，超级电容储能电路主要是由多个超级电容并联组成的。2.2AT89C51单片机简介AT89C51是Atmel的一款8bit的微控制器。AT89C51是本设计的主要控制芯片。AT89C51单片机的外围部件及其特性的描述如下：与MCS-51产品兼容；具有4K字节的系统内可重编程闪存；全静态操作；三级程序存储器锁定；有两个16位定时器/计数器；8bitx128内部RAM；32条可编程I/O线；共有6个中断源；可编程串行通道；低功耗空闲和掉电模式；有一个片内振荡器和时钟电路AT89C51单片机的外围引脚如图2-2所示。图2-2AT89C51单片机引脚图2.3XKT335简介XKT335芯片是芯科泰的一款优质高频大功率输出集成电路芯片，通常配合芯科泰的XKT-412芯片组成本设计中的无线充电系统中的发射模块，发射模块可以在较高的频率下工作，工作体积小并且输出功率强大，降低了线圈成本，可直接采用PCB作为发射使生产应用更加简便，具有精度高、稳定性好等特点，所以本设计中，选用XKT335来进行无线充电发射模块的设计，电路简便，设计简单且能符合题目要求。XKT335的引脚如图2-3所示：图2-3XKT335芯片引脚图引脚说明如表2-3所示：1、2、3、4、引脚都是功率输出引脚，4、5、6引脚接地，8脚为功率输入引脚。表2-3XKT引脚说明引脚编号引脚名称引脚功能描述1OUT输出2OUT输出3OUT输出4OUT输出5GND地6GND地7GND地8IN功率输入2.4XKT412简介XKT412是芯科泰优质高频大功率输出集成电路，配合芯科泰的XKT-412芯片组成无线充电系统中的发射模块，发射模块可以在较高的频率下工作，工作体积小并且输出功率强大，降低了线圈成本，XKT-412用于无线电能传输功能，XKT412主要作用就是利用电磁能量转换的原理并配合无线充电接收模块部分做能量转换及电路状态的实时监控；还负责各项电池的快速充电智能控制。由于XKT412具备以上优点，故本设计采用XKT412来设计电路，XKT412引脚如图2-4所示：图2-4XKT-412芯片引脚图XKT412引脚说明如表2-4所示：1引脚为电压检测引脚，2引脚为频率微调引脚，3引脚为多功能调节引脚，4引脚为功率加强引脚，5脚为参考地引脚，6脚为输出引脚，7引脚为功率驱动引脚，8引脚接的是电源正极。表2-4XKT412引脚说明引脚编号引脚名称引脚功能描述1VD电压检测2FT频率微调3MFA多功能调节4PTS功率加强5GND地6OUT输出7TD功率驱动8VDD电源正极2.5T3168简介T3168是芯科泰无线充电系列，通用接收集成电路芯片。本设计中，无线充电接收模块主要使用T3168配合其他电路组成。原理简单易懂，其接收的功率由收发距离决定。T3168芯片引脚图如图2-5所示。图2-5T3168芯片引脚图T3168引脚说明如表2-5所示：1引脚是空引脚，不接任何电路元件，2引脚为电压输入引脚，3引脚为电压稳压输出引脚，4引脚接的是参考地，5引脚为输出电压取样引脚，是用来改变输出电压值的，6引脚也是空引脚，不接元件，7引脚为输出开关使能引脚，该引脚为高电平时，芯片处于工作状态，低电平时则关断芯片输出。8引脚也为空引脚。表2-5T3168引脚说明引脚编号引脚名称引脚功能描述1NC空2IN输入3OUT电压稳压输出端4GND地5VA输出电压调节取样6NC空7O/F输出控制使能端8NC空3系统硬件电路设计硬件电路部分由无线充电发射模块、单片机控制电路、无线充电接收模块和超级电容储能电路组成，发射模块由XKT335芯片及XKT412芯片组成，接收模块由T3168配合简单电路组成，单片机控制电路主要由单片机最小系统电路、继电器控制电路和按键控制电路组成，超级电容储能电路主要由超级电容组成。下面将具体介绍各个模块硬件设计原理。3.1发射模块 发射模块原理图如图3-1所示。使用高频大功率输出集成电路XKT335配合XKT412组成无线充电发射模块，发射模块的供电电压为5V，工作电流为1A，使用简便，效率高，且具有自动过流保护的功能。图3-1无线发射装置原理图3.2接收模块 接收模块原理图如图3-2所示。无线接收模块主要由无线充电通用接收集成电路T3168配合简单电阻电容电路组成，原理简单易懂，其接收的功率由收发距离决定。图3-2无线接收装置原理图3.3单片机控制电路 单片机控制电路如图3-3所示。分别由单片机最小系统电路、按键控制电路及继电器控制电路组成。使用AT89C51芯片用作无线充电装置的控制。单片机最小系统电路可细分为复位电路（复位器件，使单片机能正常工作）、晶振电路（提供时钟小信号），电源电路（给单片机供电）等。复位电路使用的晶振为12MHZ。按键、继电器使用直接连接AT89C51的GPIO引脚的方式，使用时，单片机读取GPIO的状态即可获取按键状态，单片机直接控制GPIO即可控制继电器，控制简单方便。图3-3单片机控制电路3.4超级电容储能电路设计超级电容储能电路设计原理图如图3-4所示，本设计中是用超级电容来存储电能。超级电容具有充放电时间短，能量转换效率高等特点。本设计考虑了两种方案,一是电容串联,二是并联，串联时有C=Cn/N,由公式可看出，电容的容量减小，而且当超级电容器串联的时候,各个电容的电压不均衡，所以，如果采用电容串联的方式，可能会导致电容因电压太大而损坏，从而影响整体的性能受到影响。而如果采用电容并联的方式，则可以避免以上这些问题，因此最后采用多超级电容并联的方法来给小车供电。图3-4超级电容储能电路4系统软件设计4.1系统软件流程图系统软件流程图4-1所示。由流程图中所示，整个软件设计思路为，单片机上电进行初始化，继电器触点闭合，可通过按键设定无线充电设备要充电的时间，然后开始进行充电并且启动定时器0开始计时，当充电时间到达设定充电时长时，进入定时器0中断函数，在中断函数中，GPIO，控制GPIO的状态，即可断开继电器，继电器断开，无线充电设备的充电也会停止。由以上思路设计出整个无线充电系统的软件部分，最后经过不断调试，也达到了预期效果。图4-1软件流程图4.2充电时长程序设计 本设计中，充电时长的控制是通过定时器0中断来实现。定时器由高8位寄存器和低8位寄存器组成（只能字节寻址），TMOD和TCON，TMOD寄存器是工作模式存器，确定其用作定时器还是计数器，定时器0和1工作方式不同，根据寄存器值得设定，分别有13，16位、8位得定时器/计数器；TCON称为定时器/计数器控制模式寄存器，控制定时器0的启动和停止，还有设置定时/计数溢出标志。定时/计数器的实质其实就是计数器，每次加一，当时间到设定充电时长时，进入定时器0中断函数，中断函数里将继电器断开，停止充电，通过以上思路设计程序，达到充电时间可控的效果，使本设计中的无线充电系统的使用更加灵活。图4-2充电时长程序设计框图5系统调试5.1系统总体实物图 本设计使用AltiumDesigner绘制原理图，使用keil4编程，并做出实物如图5-1和5-2所示。图5-1为无线充电部分的实物图，分别为无线充电发射模块，无线充电接收模块还有超级电容储能模块，图5-2为测试时的小车实物图，分别为测试用的小车还有单片机控制电路部分。图5-1无线充电模块实物图图5-2测试小车实物图5.2软硬件测试本设计中发射装置产生电磁信号，接收装置感应到发射装置产生的电磁信号，产生电流，将能量传递给超级电容储存起来，AT89C51通过控制继电器触点的闭合来控制充电的开始和结束，达到充电时长，就结束充电，充电结束后利用超级电容存储的电能来驱动小车。经过不断调试，最后达到效果为：使用具有恒流恒压模式自动切换的供电电压为5V直流稳压电源给发射模块供电，发射模块产生电磁信号，（通过按键来控制充电时长），接收模块感应到无线充电发射模块的电磁信号并产生交流电流，当充电时长达到规定值的时候，断开继电器，即停止充电，然后利用超级电容储存的电能驱动小车。经过测试，本套无线充电装置充电性能较稳定，达到题目要求。6总结 本设计基于AT89C51、XKT335、XKT412、T3168实现了一套无线充电装置，利用电磁感应原理，将电能从发射模块传递给接收模块，并且使用此电能来驱动小车。本设计中发射装置产生电磁信号，接收装置感应到发射装置产生的电磁信号，产生电流，将能量传递给超级电容储存起来，AT89C51通过控制继电器触点的闭合来控制充电的开始和结束，达到充电时长，就结束充电，充电结束后利用超级电容存储的电能来驱动小车。目前的无线充电的技术主要面临着很多问题，无线充电不是简单的电路就能实现的，而是涉及到电磁场的问题，就目前来说，基于电磁场的模型和技术还不是很成熟，真正的无线传输面临的不是近场传输问题，而是远场传输问题。对于近场传输来说，主要问题是控制问题和线圈问题。物理信号隔离进行无线通信时，需要弱化通