電動自行車節(jié)能裝置設(shè)計制作

1、 課外開放實驗校級重點項目結(jié)題報告項目年度： 2014- 2015年度第十四期項目名稱：電動自行車節(jié)能裝置設(shè)計制作 項目成員：專業(yè)年級： 指導(dǎo)教師：_承擔(dān)學(xué)院： _（蓋章）起止日期：_2015年 10 月 9 日一、項目基本信息2、 項目申請書中約定的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點：（1） 項目申請書中的主要內(nèi)容 1)結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)將發(fā)電儲能系統(tǒng)安裝于自行車上結(jié)構(gòu)合理化，代替原有的蓄電池；2)通過計算確定發(fā)電儲能系統(tǒng)中變速傳動機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，以較小尺寸實現(xiàn)較大變速，來增大單位時間發(fā)電量；3)通過計算確定發(fā)電儲能系統(tǒng)中交直流轉(zhuǎn)換電路，以減少傳輸和交直流轉(zhuǎn)換過程中的電量耗散；4)確定蓄電裝置和電流輸出參數(shù)；

2、5)基于理論設(shè)計的實物制作：1)根據(jù)設(shè)計需要用相關(guān)軟件將新型電動自行車?yán)L制好，并做功能模擬；2)根據(jù)所需實現(xiàn)的傳動要求，選擇合適的規(guī)格進(jìn)行零件加工或購買；3)根據(jù)轉(zhuǎn)換電路選擇相關(guān)電器元件進(jìn)行適當(dāng)組裝，以實現(xiàn)要求；4)購買蓄電裝置并連接好幾種不同電流輸出線路； 5)將所有系統(tǒng)組裝在一起，并測試其功能實現(xiàn)情況；（2） 項目申請書中的創(chuàng)新點1、創(chuàng)新點1該項目結(jié)合現(xiàn)在的節(jié)能環(huán)保的主題，以節(jié)能發(fā)電為主題，設(shè)計以較低轉(zhuǎn)速實現(xiàn)較高的電能輸出，能更合理利用能源。2、創(chuàng)新點2該作品項目的發(fā)電裝置體積小，適合安裝于自行車上，不僅節(jié)能環(huán)保，并且使用方便，不存在忘了充電等現(xiàn)象造成的困擾，適宜場合廣泛。3、 創(chuàng)新點3傳

3、統(tǒng)的電動自行車節(jié)能系統(tǒng)在電動車運動過程中進(jìn)行發(fā)電，雖然回收了能量但回收的能量來自于駕駛者本身的能量，增加駕駛者的負(fù)擔(dān)且使行駛速度降低不符合電動自行車設(shè)計目的。而本裝置設(shè)計為在電動自行車下坡時回收勢能進(jìn)行發(fā)電，不會對駕駛者增加負(fù)擔(dān)，在電動自行車上坡時該作品會通過角度傳感器感應(yīng)角度不進(jìn)行發(fā)電。即實現(xiàn)回收能量，又不增加駕駛者負(fù)擔(dān)的要求。4、 創(chuàng)新點4電動直行車節(jié)在下坡時進(jìn)行回收勢能，將下坡的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，使得電動自行車動能減小，降低了電動自行車的行駛速度，智能的實現(xiàn)電動自行車下坡減速的目的，增加了行駛過程中的安全性。三、項目完成情況(一) 項目內(nèi)容、達(dá)到的目標(biāo)和解決的關(guān)鍵問題1、主要內(nèi)容 1）電動

4、自行車保有量進(jìn)行市場調(diào)研。2）研究電動機(jī)自行車的原理，確定電動自行車類型。3）確定發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)械傳動系統(tǒng)，設(shè)計傳動元件。4）確定電路控制系統(tǒng)，進(jìn)行電路控制元件的設(shè)計及分析。5）發(fā)電系統(tǒng)整流、濾波、穩(wěn)壓電路的設(shè)計。6）繪制電路圖及機(jī)械設(shè)計圖紙。7）進(jìn)行理論分析和實際驗證。2、達(dá)到的目標(biāo)實現(xiàn)對電動自行車儲能機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出合適的電路，繪制出相應(yīng)模擬電路和電動自行車以及相關(guān)零件的三維模型，完成實物制作進(jìn)行校核檢驗并且寫出設(shè)計研究報告及設(shè)計說明書。3、 解決的關(guān)鍵問題(1) 電動自行車行駛路段坡度的角度的感應(yīng)，在下坡時感應(yīng)到車身角度變化能夠啟動發(fā)電裝置，自行車在平路時感應(yīng)器發(fā)出信號停止發(fā)電機(jī)發(fā)電

5、工作。(2) 電動自行車發(fā)電裝置設(shè)計。電動自行車后輪為驅(qū)動輪，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜無法安裝發(fā)電裝置，只能選擇前輪安裝。發(fā)電裝置要在角度感應(yīng)器工作情況下進(jìn)行工作，然后進(jìn)行發(fā)電。這需要進(jìn)行發(fā)電裝置的接入和斷開，設(shè)計出一套復(fù)雜功能裝置。然后在日常使用中，電動自行車前輪工況復(fù)雜對發(fā)電裝置的可靠性提出很高要求。(3) 穩(wěn)壓、整流電路的具體設(shè)計。電動自行車發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電流是電壓和電流都不穩(wěn)定的交流電，交流電經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后可以穩(wěn)定的輸入蓄電池，也可以轉(zhuǎn)換為直流輸出，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)為幾組常用電子設(shè)備使用電壓。4、 是否達(dá)到項目申請書的要求，如否，請說明情況各項均已達(dá)到申請書的要求。（二）項目執(zhí)行過程描述1

6、、主要對項目設(shè)計、研究或制作及完成過程進(jìn)行描述，并請附研制過程中的圖片。1) 項目設(shè)計本實驗涉及為一種電動自行車，具體而言是一種帶傾角檢測控制系統(tǒng)的智能節(jié)能電動自行車。隨著電動自行車的普及，越來越多的家庭或個人擁有了所屬的電動自行車。電動自行車綠色環(huán)保、體積小、操作簡單和價格低廉等優(yōu)點。但行駛里程有限，蓄電池能量消耗過快等問題成為了阻礙電動自行車發(fā)展的主要因素?；谝陨显?，本實用新型提供了一種利用智能節(jié)能電動自行車。如圖3.1所示：1、 前輪 2、發(fā)電機(jī) 3、控制器 4、車體 5、傾角傳感器 6蓄電池 7、后輪 8、電動機(jī)圖3.1電動自行車結(jié)構(gòu)簡圖具體的技術(shù)方案是：智能節(jié)能電動自行車，主要由

7、帶電動機(jī)的后輪、蓄電池、帶發(fā)電機(jī)的前輪、傾角傳感器等組成。蓄電池接后輪電動機(jī)，由蓄電池提供電能使后輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動電動自行車前進(jìn)。前輪中的發(fā)電機(jī)通過整流、濾波電路后接入蓄電池，通過傾角傳感器檢測角度、決定發(fā)電機(jī)是否工作。設(shè)定上坡路段的傾角為負(fù)，下坡路段的傾角為正。傾角傳感器在角度小于設(shè)定100時，輸出低電平，發(fā)電機(jī)不工作；當(dāng)傾角傳感器檢測到角度大于或等于100時，輸出高電平，發(fā)電機(jī)啟動，開始發(fā)電，直到傾角傳感器檢測到傾角小于某設(shè)定值后，輸出的高電平變?yōu)榈碗娖?，發(fā)電機(jī)停止發(fā)電。如圖3.2所示圖3.2電動自行車行駛路段示意圖2) 項目系統(tǒng)整體框架與電動自行車節(jié)能電路圖項目系統(tǒng)流程圖如圖3.3所示圖3.

8、3項目系統(tǒng)流程圖電動自行車在斜坡路段帶動前輪旋轉(zhuǎn)帶動前輪發(fā)電機(jī)工作發(fā)電，由于前輪轉(zhuǎn)動輸入的不穩(wěn)定性，交流發(fā)電機(jī)輸出的是不穩(wěn)定的交流電，頻率和幅值都在不斷地變化，而用戶需要的正常頻率的穩(wěn)定的交流電。因此必須先整流成穩(wěn)定的交流電，再通過穩(wěn)壓電路，轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的直電流，這部分直流電可以儲存于可充電電池中，可充電電池可以通過放電達(dá)到使電燈發(fā)光的功能，從而完成項目設(shè)計要求。電動自行車節(jié)能電路圖如3.4所示：圖3.4電動自行車節(jié)能電路圖3) 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)圖如3.5所示：圖3.5發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)圖發(fā)電機(jī)包括包括輪軸、輪轂、定子、與定子同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)子、導(dǎo)線、碳刷、調(diào)節(jié)器以及設(shè)置在輪軸上的換向器。4) 傾角

9、控制系統(tǒng)電動自行車節(jié)能裝置的創(chuàng)新點在與自行車下坡時進(jìn)行發(fā)電，而上坡和平路時不進(jìn)行發(fā)電，這是依靠傾角控制系統(tǒng)來完成的。傾角控制系統(tǒng)由傾角傳感器.單片機(jī).繼電器模塊三大部分組成，如圖所示：圖3.6傾角控制系統(tǒng)下面依次介紹三大組成部分。5) 傾角傳感器設(shè)計由于本實驗的設(shè)計為電動自行車在下坡時對前輪能量進(jìn)行回收，轉(zhuǎn)換為電能，需要一個感應(yīng)裝置來啟動電動機(jī)進(jìn)行發(fā)電。我們的解決方案為在電動自行車安裝傾角傳感器，來感應(yīng)車身角度變化，傳出信號。傾角傳感器的工作原理為：傾角傳感器用來測量相對于水平面的傾角變化量。是基于牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，測量系統(tǒng)內(nèi)部的加速度。實質(zhì)是一個運用慣性原理的加速度傳感器。當(dāng)

10、傳感器所測傾角大于等于設(shè)定值時，傳感器會輸出一個高電平；所測角度小于等于設(shè)定值時，則會輸出低電平。利用這兩個電平，就可以實現(xiàn)控制回路通斷的作用。通過網(wǎng)絡(luò)檢索我們獲得了以下三種類型傳感器供選擇： MM7361模塊如圖3.7所示：圖3.7 MM7361模塊此模塊是由深圳杰越公司生產(chǎn)的三軸加速度傳感器，速度傳感器采用Freescale（飛思卡爾）公司生產(chǎn)性價比高微型電容式加速度傳感器MMA7361芯片。其采用了信號調(diào)理、單級低通濾波器和溫度補償技術(shù)，并且提供了2個靈敏度量程選擇的接口和休眠模式接口，帶有低通濾波并已作零g補償。特點：該傳感器模塊價格便宜、性價比高。且安裝調(diào)試方便，但抗沖擊振動能力弱。

11、NS-QJ01 單軸傳感器如圖3.8所示：圖3.8 NS-QJ01 單軸傳感器該傳感器為上海天沐自動化儀表公司生產(chǎn)的工業(yè)級傳感器，抗沖擊、振動能力高，靈敏度好。輸出方式多，且集成度高，安裝方便。但價格高昂。不適用于本次實驗。MPU6050傾角傳感器如圖3.9所示：圖3.9 MPU6050傾角傳感器此模塊為一六軸高精度慣性傾角檢測模塊，采用高精度的陀螺加速度計 MPU6050，通過處理器讀取 MPU6050 的測量 數(shù)據(jù)然后通過串口輸出，免去了用戶自己去開發(fā) MPU6050 復(fù)雜的 I2C 協(xié)議，同時精心的 PCB布局和工藝保證了 MPU6050 收到外接的干擾最小，測量的精度最高；模塊內(nèi)部自帶

12、電壓穩(wěn)定電路，可以兼容 3.3V/5V 的嵌入式系統(tǒng)，連接方便。模塊保留了 MPU6050 的 I2C 接口，以滿足高級用戶希望訪問底層測量數(shù)據(jù)的需求。采用先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，能有效降低測量噪聲，提高測量精度。模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模 塊的當(dāng)前姿態(tài)，姿態(tài)測量精度 0.01 度，穩(wěn)定性極高，性能甚至優(yōu)于某些專業(yè)的傾角儀。符合本次實驗需要。MPU6050傾角傳感器各項參數(shù)如下：a. MPU6050傾角傳感器產(chǎn)品概述此六軸模塊采用高精度的陀螺加速度計 MPU6050，通過處理器讀取 MPU6050 的測量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出， 免去了用戶自己去開發(fā)

13、 MPU6050 復(fù)雜的 I2C 協(xié)議， 同時精心的 PCB布局和工藝保證了 MPU6050 收到外接的干擾最小，測量的精度最高。模塊內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，可以兼容 3.3V/5V 的嵌入式系統(tǒng)，連接方便。模塊保留了 MPU6050 的 I2C 接口，以滿足高級用戶希望訪問底層測量數(shù)據(jù)的需求。采用先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，能有效降低測量噪聲，提高測量精度。模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器， 配合動態(tài)卡爾曼濾波算法， 能夠在動態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)，姿態(tài)測量精度 0.01 度，穩(wěn)定性極高，性能甚至優(yōu)于某些專業(yè)的傾角儀！采用郵票孔鍍金工藝，品質(zhì)保證，可嵌入用戶的 PCB 板中。b. 性能參數(shù)1、電壓：3

14、V6V2、電流：<10mA3、體積：15.24mm X 15.24mm X 2mm4、焊盤間距：上下 100mil(2.54mm)，左右 600mil(15.24mm)5、測量維度：加速度：3 維，角速度：3 維，姿態(tài)角：3 維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、穩(wěn)定性：加速度：0.01g，角速度 0.05°/s。9、姿態(tài)測量穩(wěn)定度：0.01°。10、數(shù)據(jù)輸出頻率 100Hz(波特率 115200)/20Hz(波特率 9600)。11、數(shù)據(jù)接口

15、：串口（TTL 電平），I2C（直接連 MPU6050，無姿態(tài)輸出）。12、波特率 115200kps/9600kpsc. 引腳說明圖3.10傾角傳感器引腳圖d. MCU 連單片機(jī)并輸出調(diào)試信息。通常情況下，MCU 的串口資源比較緊張，有的單片機(jī)只有一個串口，而且調(diào)試的時候需要通過串口輸出調(diào)試信息， 這時可以將MCU的 TX 引腳連接到USB轉(zhuǎn)串口模塊的 RX上，6050 模塊的 TX 接到 MCU 的 RX 引腳上， 這樣 MCU 既可以收到 6050 模塊的數(shù)據(jù)， 又可以輸出調(diào)試信息了。只是 MCU 無法輸出串口指令給 6050 模塊了，不過模塊的配置都是可以掉電保存的， 而且校準(zhǔn)可以再上

16、電后第三秒鐘自動執(zhí)行， 通常情況下不用發(fā)送任何指令即可工作。圖3.11傾角傳感器與單片機(jī)連接圖e. 表3.1角度輸出角速度計算公式：滾轉(zhuǎn)角（x 軸）Roll=(RollH<<8)|RollL)/32768*180(°)俯仰角（y 軸）Pitch=(PitchH<<8)|PitchL)/32768*180(°)偏航角（z 軸）Yaw=(YawH<<8)|YawL)/32768*180(°)溫度計算公式：T=(TH<<8)|TL) /340+36.53 校驗和：Sum=0x55+0x53+RollH+RollL+Pitc

17、hH+PitchL+YawH+YawL+TH+TLf. 機(jī)械尺寸如圖所示：圖3.12角度傳感器機(jī)械尺寸6) 單片機(jī)的設(shè)計 單片機(jī)的電路原理如圖所示圖3.13下載器電路原理圖圖3.14cpu單片機(jī)原理圖圖3.15單片機(jī)引腳圖片單片機(jī)通過對角度傳感器提供電源和檢測角度傳感器來給繼電器傳輸信號，繼電器因此作出相關(guān)反映來控制電路的開關(guān)。實驗選擇為8c522c,52系列。7） 繼電器的設(shè)計繼電器電路圖如圖所示：圖3.16續(xù)電器電路圖繼電器實物圖如圖所示：圖3.17續(xù)電器實物圖8） 角度傳感器，單片機(jī)，繼電器調(diào)試。繼電器，單片機(jī)，計電器組裝完成之后，進(jìn)行對單片機(jī)的程序設(shè)定和相關(guān)調(diào)試。編寫單片機(jī)程序如圖所示

18、：圖3.18軟件編程調(diào)試界面其中顯示了主程序和按鍵程序。主程序為void CLR_SCREEN(void);void LCD_DISOFF(void);void LCD_DISON(void);void LCD_CUROFF(void);void LCD_CURON(void);void LCD_INT(void);void LCD_PRINT(unsigned char row,unsigned char col,unsigned char count,unsigned int dats);void LCD_PRINTF(unsigned char row,unsigned char col

19、,unsigned char InBuffer33);void LCD_PRINTCHAR(unsigned char row,unsigned char col,unsigned char Buffer);void CPU_DELAYTIME(unsigned int count);void LCD_WRI(unsigned char adr);void LCD_WRD(unsigned char asc);/-顯示數(shù)值 void LCD_PRINT(unsigned char row,unsigned char col,unsigned char count,unsigned int da

20、ts)LCD_DISON();CPU_DELAYTIME(100);switch (row)case 1:row=0x80;break;case 2: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

21、+48); LCD_WRD(dats%10+48); /-LCD初始化void LCD_INT(void) LCD_WRI(0X38); /8位數(shù)據(jù)總線 兩行顯示模式 5X7點陣光標(biāo)顯示模式 LCD_CUROFF(); /無光標(biāo)跟隨 LCD_WRI(0X80); /設(shè)置顯示地址00H/-關(guān)閉顯示void LCD_DISOFF(void)LCD_WRI(0X08);/-打開顯示void LCD_DISON(void)LCD_WRI(0X0C); /-光標(biāo)消失void LCD_CUROFF(void)LCD_WRI(0X0C);/-光標(biāo)跟隨void LCD_CURON(void)LCD_WRI(0

22、X0F);/-顯示字符串void LCD_PRINTF(unsigned char row,unsigned char col,unsigned char InBuffer33)unsigned char I_LOOP;LCD_DISON();CPU_DELAYTIME(500);switch (row)case 1:row=0x80;break;case 2:row=0xC0;break;default: break;LCD_WRI(row+col-1); for(I_LOOP=0;I_LOOP<=32;I_LOOP+)if(InBufferI_LOOP='%'&

23、;&InBufferI_LOOP+1='d') break;if(col+I_LOOP=17&&row=0x80)LCD_WRI(0xC0); LCD_WRD(InBufferI_LOOP); /-void LCD_PRINTCHAR(unsigned char row,unsigned char col,unsigned char Buffer)LCD_DISON();CPU_DELAYTIME(500);switch (row)case 1:row=0x80;break;case 2:row=0xC0;break;default: break;LCD

24、_WRI(row+col-1);LCD_WRD(Buffer);/-清屏指令void CLR_SCREEN(void)LCD_INT();LCD_WRI(1);CPU_DELAYTIME(200);/-延時函數(shù)void CPU_DELAYTIME(unsigned int count) unsigned int iu_LOOP; iu_LOOP=count; while(iu_LOOP-); 顯示屏寫指令子程序為void LCD_WRI(unsigned char adr) LCD_RW=0; LCD_RS=0; LCD_E=1; LCD_DAT=adr; CPU_DELAYTIME(2);

25、LCD_E=0; CPU_DELAYTIME(10);/-顯示屏寫數(shù)據(jù)子程序void LCD_WRD(unsigned char asc) LCD_RW=0;LCD_RS=1; LCD_E=1; LCD_DAT=asc;CPU_DELAYTIME(2); LCD_E=0; CPU_DELAYTIME(10);編寫完單片機(jī)主程序之后還需要進(jìn)行程序?qū)牍ぷ魅鐖D所示圖3.19程序下載界面選擇打開程序文件，選擇“gx”文件，然后點擊“Download/下載”即可為單片機(jī)輸入指令程序。9） 研制過程附圖附圖1附圖2附圖3附圖4附圖5附圖62、項目執(zhí)行過程中儀器設(shè)備的使用情況序號儀器設(shè)備名稱機(jī)時操作人實驗

26、室名稱01直流穩(wěn)壓電源100李傳杰機(jī)電一體化實驗室02示波器60何勁松機(jī)電一體化實驗室03電烙鐵30何勁松機(jī)電一體化實驗室04萬用表100李傳杰機(jī)電一體化實驗室（3） 項目創(chuàng)新點 1、創(chuàng)新點1該項目結(jié)合現(xiàn)在的節(jié)能環(huán)保的主題，以節(jié)能發(fā)電為主題，設(shè)計以較低轉(zhuǎn)速實現(xiàn)較高的電能輸出，能更合理利用能源。 2、創(chuàng)新點2該作品項目的發(fā)電裝置體積小，適合安裝于自行車上，不僅節(jié)能環(huán)保，并且使用方便，不存在忘了充電等現(xiàn)象造成的困擾，適宜場合廣泛。 3、創(chuàng)新點3傳統(tǒng)的電動自行車節(jié)能系統(tǒng)在電動車運動過程中進(jìn)行發(fā)電，雖然回收了能量但回收的能量來自于駕駛者本身的能量，增加駕駛者的負(fù)擔(dān)且使行駛速度降低不符合電動自行車設(shè)計目

27、的。而本裝置設(shè)計為在電動自行車下坡時回收勢能進(jìn)行發(fā)電，不會對駕駛者增加負(fù)擔(dān)，在電動自行車上坡時該作品會通過角度傳感器感應(yīng)角度不進(jìn)行發(fā)電。即實現(xiàn)回收能量，又不增加駕駛者負(fù)擔(dān)的要求。 4、創(chuàng)新點4電動直行車節(jié)在下坡時進(jìn)行回收勢能，使得直行車動能減小，降低了直行車的行駛速度，智能的實現(xiàn)電動自行車下坡減速的目的，增加了行駛過程中的安全性。（四）研究成果及其完成情況標(biāo)志性成果要詳細(xì)說明是以下哪種形式：授權(quán)專利、公開刊物發(fā)表論文、參加學(xué)科競賽獲省級三等獎及以上獎勵、創(chuàng)新實驗教學(xué)項目(該項目列入實驗教學(xué)大綱)、用于教學(xué)的自研自制儀器或設(shè)備功能改進(jìn)(該設(shè)備需承擔(dān)實驗教學(xué)任務(wù))等。公開發(fā)表專利，已收錄。專利名稱：一種智能節(jié)能電動車（五）經(jīng)費及使用說明批