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标准版 2021年I题-具有发电功能的储能小车
简介：本方案以MSP-EXP430F5529LP为核心构建了具有发电功能的储能小车系统。
开源协议: GPL 3.0
描述
描述
电赛2021I题：具有发电功能的储能小车
赛题及分析
基础部分要求并不是很难，就只有第三小问实时显示距离得通过电机编码器得脉冲数来计算距离。
发挥部分就有点考验选手的综合实力，既想办法在指定的距离内充电够多，又得考虑单片机的功耗和精确的循迹和检测硬币，这里我们就选用了MSP-EXP430F5529LP作为主控。
项目简介
本项目以MSP-EXP430F5529LP为核心构建了具有发电功能的储能小车系统。以超级电容作为小车唯一储能元件，利用手动推动小车电机发电，将机械能转换为电能存储至超级电容。利用降压模块对单片机主控供电，驱动红外光电循迹模块、金属探测模块、电机驱动等电路，从而完成小车循迹、距离显示、金属探测等功能。
本系统具有直线测距模式、循迹模式、金属探测模式三种测量模式，可在小车每次完成手动充电后利用超级电容储存电量分别完成小车自动行进显示距离、直径60cm圆小车循迹、指定圆形循迹线硬币数量检测等功能，直至小车电量耗尽。
完成了基于超级电容的储能单元的方案设计。完成了基于嵌入式主控的低功耗储能小车主控电路的设计。完成了基于三极管的低功耗、低工作电压的电机驱动电路的设计。完成了整体设计要求。
系统框图
电容储电模块使用法拉电容模组直接12V直流电机，实现电机发电储能。
系统分析计算
根据比赛要求小车既要能走直线又要能循迹。小车进行直线行走时，左右车轮的转速必须同步，当出现外界干扰时，会导致左右车轮不同速。在进行圆形寻迹时，需要对小车的左右车轮进行不同速控制，根据超级电容的特性，小车在寻迹过程中供电电压会缓慢下降，因此需要对车轮转速进行闭环控制。因此，系统在对车轮转速控制时，根据小车左右驱动电机的编码模块测得的转速，使用数字PID控制器对车轮转速偏差进行动态调控。
数字PID可分为位置式PID和增量式PID，增量式PID控制器输出的是本次的控制增量，它只与最近k次采样值有关，不用对之前所有状态进行积累，计算快速，而且能通过程序代码实现位置式PID的功能。综合小车寻迹的控制要求以及PID控制器的特点，系统采用增量式PID控制算法作为基本的控制器。其函数表达式如下：
；
-比例系数，它主要影响系统的响应速度和精度；
-积分系数，它主要影响系统的稳态精度；
-微分系数，它主要影响系统的动态特性。为避免车轮调节过于频繁而引起车身震荡，在PID控制器中加入了一个控制死区，形成了带死区的增量式PID控制器，相应的控制式如下：
式中，调试死区 ![B7(FTX0W_TWQN2L21@(Y7.png]()
太小，控制器对小车车轮的控制动作会过于频繁，起不到稳定系统的作用，但是若![B7(FTX0W_TWQN2L21@(Y7.png]()
太大，系统会产生较大的滞后，所以具体值根据现场调试确定。
太小，控制器对小车车轮的控制动作会过于频繁，起不到稳定系统的作用，但是若
太大，系统会产生较大的滞后，所以具体值根据现场调试确定。原理图设计
我们通过立创EDA设计了充电电路，我们使用12个10uf2.7V的法拉电容相串充电，利用二极管单项导电性使得电机充电的时候不会放电出去。根据题目要求，结合我们所考虑到的方案我们需要有两个不同的供电电压。3.3v供给单片机进行工作，我们采用MD7333H线性LDO降压。5V我们采用实验室现有的模块将电压升至5v用来给金属检测供电。
电机驱动部分，由于电机只需要单方向动作，所以采用三极管直接驱动，电路简单同时也能节省电容的电量，避免了H桥的静态消耗。
我们使用的循迹电路，0.96OLED，电机编码，金属检测电路都有一个三极管和我们的单片机建立起联系，用三级管做开关当我们的模块不需要使用到时关闭模块的电源，节省电容的电量。
PCB设计电路
根据上述电路绘制对应的PCB
实物展示
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测试流程
测试流程- 一米木板循环充电五次。
- 直线距离的测量，小车充好电由静止一键启动，测量起始点和停止点的直线距离。
- 把电放完又于一米木板循环充电五次，放三枚硬币于白色广告纸循迹线下方，充电完成后放于白色广告纸圆形循迹线上，一键启动开始循迹·，小车停止后用细绳测量小车由开始点到停止点的距离并用卷尺对比读出数值。
测试结果
一米木板循环充电五次我们可达到11.65V，直线距离6.87m。为了省电所用屏幕很小视频中可能看不清所显示的数据，下图是我们附加存储功能记录下来的。
循迹3枚硬币正确，距离3.85m。
测试视频在附件中。
程序设计
充电，当单片机开始工作后，通过三极管立刻关闭OLED、编码器和循迹板的电源（默认是关闭的），之后进入高等级的低功耗模式，只有当开始按键产生的外部中断才能唤醒单片机退出低功耗模式并给对应的外设上电。
直线程序流程图
循迹程序流程图
具体代码都在附件MSP430_CAR.rar。
总结
在这次电赛中受益匪浅，在比赛过程中充分体现了队友之间协调默契，凡是要冷静平稳，稳出强大。~~~~
赛题及分析
| ID | Name | Designator | Footprint | Quantity |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 法拉电容模块 | C1,C3 | CAP-TH_L26.0-W13.0-P17.50-D1.2 | 2 |
| 2 | 10u | C2 | C0603 | 1 |
| 3 | 1N5819 | D5,D6,D7,D8 | SMA_L4.3-W2.6-LS5.2-RD | 4 |
| 4 | 金属检测模块 | J1 | HDR-M-2.54_1X3 | 1 |
| 5 | 0.96OLED | J2 | HDR-M-2.54_1X4 | 1 |
| 6 | 电机编码 | J3 | HDR-M-2.54_1X6 | 1 |
| 7 | 循迹模块 | J4 | HDR-M-2.54_1X6 | 1 |
| 8 | HDR-M-2.54_1x1 | J5,J6,J11,J12,J13,J14,J15 | HDR-M-2.54_1X1 | 7 |
| 9 | LED-0603_R | LED1,LED2,LED3 | LED0603_RED | 3 |
| 10 | 编码电机 | M3,M4 | CONN-TH_M2501RF-06P | 2 |
| 11 | S8050 | Q1,Q13 | SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-TR | 2 |
| 12 | S8550 | Q2,Q3 | SOT-23-3_L2.9-W1.6-P1.90-LS2.8-TR-CW | 2 |
| 13 | S8550 | Q14,Q15,Q16,Q17,Q18 | TO-92-3_L4.9-W3.7-P1.27-L | 5 |
| 14 | 1k | R1,R4,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R12,R13 | R_AXIAL-0.4 | 10 |
| 15 | 100k | R2,R3 | R_AXIAL-0.4 | 2 |
| 16 | 10k | R5 | R_AXIAL-0.4 | 1 |
| 17 | K8-5851E-N1_C134191 | SW1 | SW-TH_6P-L5.8-W5.8-P2.00-LS4.5-BL | 1 |
| 18 | 升压模块 | U2 | PWRM-TH_F0509S-1WR2 | 1 |
| 19 | MD7333H | U3 | SOT-89_L4.5-W2.5-P1.50-LS4.2-BR | 1 |
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