电动自行车节能装置设计制作.docx

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电动自行车节能装置设计制作

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：

_____2014.11-2015.10_________

2015年10月9日

一、项目基本信息

2、项目申请书中约定的主要研究内容及创新点：

（1）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；

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；

（2）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）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、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、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100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100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

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

项目系统流程图如图3.3所示

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：

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。

且安装调试方便，但抗冲击振动能力弱。

NS-QJ01单轴传感器如图3.8所示：

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、振动能力高，灵敏度好。

输出方式多，且集成度高，安装方便。

但价格高昂。

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，品质保证，可嵌入用户的PCB板中。

b.性能参数

1、电压：

3V~6V

2、电流：

<10mA

3、体积：

15.24mmX15.24mmX2mm

4、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°/s。

9、姿态测量稳定度：

0.01°。

10、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MPU6050，无姿态输出）。

12、波特率115200kps/9600kps

c.引脚说明

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引脚上，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，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

角速度计算公式：

滚转角（x轴）Roll=（（RollH<<8）|RollL）/32768*180（°）

俯仰角（y轴）Pitch=（（PitchH<<8）|PitchL）/32768*180（°）

偏航角（z轴）Yaw=（（YawH<<8）|YawL）/32768*180（°）

温度计算公式：

T=（（TH<<8）|TL）/340+36.53℃