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容及创新点：
（1）项目申请书中的主要容
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）项目容、达到的目标和解决的关键问题
1、主要容
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，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℃
校验和：
Sum=0x55+0x53+RollH+RollL+PitchH+PitchL+YawH+YawL+TH+TL
f.机械尺寸如图所示：
图3.12角度传感器机械尺寸
6）单片机的设计
单片机的电路原理如图所示
图3.13下载器电路原理图
图3.14cpu单片机原理图
图3.15单片机引脚图片
单片机通过对角度传感器提供电源和检测角度传感器来给继电器传输信号，继电器因此作出相关反映来控制电路的开关。
实验选择为8c522c,52系列。
7）继电器的设计
继电器电路图如图所示：
图3.16续电器电路图
继电器实物图如图所示：
图3.17续电器实物图
8）角度传感器，单片机，继电器调试。
继电器，单片机，计电器组装完成之后，进行对单片机的程序设定和相关调试。
编写单片机程序如图所示：
图3.18软件编程调试界面
其中显示了主程序和按键程序。
主程序为
voidCLR_SCREEN（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,unsignedcharInBuffer[33]）;
voidLCD_PRINTCHAR（unsignedcharrow,unsignedcharcol,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）;
switch（row）
{
case1:
row=0x80;break;
case2:
row=0xC0;break;
default:
break;
}
LCD_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）;//8位数据总线两行显示模式5X7点阵＋光标显示模式
LCD_CUROFF（）;//无光标跟随
LCD_WRI（0X80）;//设置显示地址00H
}
//--------------------------------------------------关闭显示
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,unsignedcharInBuffer[33]）
{
unsignedcharI_LOOP;
LCD_DISON（）;
CPU_DELAYTIME（500）;
switch（row）
{
case1:
row=0x80;break;
case2:
row=0xC0;break;
default:
break;
}
LCD_WRI（row+col-1）;
for（I_LOOP=0;I_LOOP<=32;I_LOOP++）{
if（InBuffer[I_LOOP]=='%'&&InBuffer[I_LOOP+1]=='d'）{break;}
if（col+I_LOOP==17&&row==0x80）{LCD_WRI（0xC0）;}
LCD_WRD（InBuffer[I_LOOP]）;
}
}
//------------------------------------------------------------------
voidLCD_PRINTCHAR（unsignedcharrow,unsignedcharcol,unsignedcharBuffer）{
LCD_DISON（）;
CPU_DELAYTIME（500）;
switch（row）
{
case1:
row=0x80;break;
case2:
row=0xC0;break;
default:
break;
}
LCD_WRI（row+col-1）;
LCD_WRD（Buffer）;
}
//-------------------------------------------------清屏指令
voidCLR_SCREEN（void）{
LCD_INT（）;
LCD_WRI
（1）;
CPU_DELAYTIME（200）;
}
//-------------------------------------------------延时函数
voidCPU_DELAYTIME（unsignedintcount）{
unsignedintiu_LOOP;
iu_LOOP=count;
while（iu_LOOP--）{;}
显示屏写指令子程序为
voidLCD_WRI（unsignedcharadr）
{LCD_RW=0;
LCD_RS=0;
LCD_E=1;
LCD_DAT=adr;
CPU_DELAYTIME
（2）;
LCD_E=0;
CPU_DELAYTIME（10）;
}
//----------------------------------------------显示屏写数据子程序
voidLCD_WRD（unsignedcharasc）{
LCD_RW=0;
LCD_RS=1;
LCD_E=1;
LCD_DAT=asc;
CPU_DELAYTIME
（2）;
LCD_E=0;
CPU_DELAYTIME（10）;
编写完单片机主程序之后还需要进行程序导入工作如图所示
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
附图1
附图2
附图3
附图4
附图5
附图6
2、项目执行过程中仪器设备的使用情况
序号
仪器设备名称
机时
操作人
实验室名称
01
直流稳压电源
100
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
传杰
机电一体化实验室
（3）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，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_____2600_________________________________________________
资料、印刷费_________400________________________________________
出版费_________1500_____________________________________
其他合理费用（分项详述）_____________________________________________
（6）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。
（7）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、
升级会员 