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简介：2018年TI杯大学生电子设计竞赛C题“无线充电电动小车”完整资料包，面向电子、自动化及相关专业学生与备赛选手，浓缩赛题要求、设计方案和详细解答步骤。压缩包共166个文件、约4.15MB，以C源码、H头文件、编译生成的O/HEX/AXF文件和Keil工程配置（uvprojx、uvopt等）为主，辅以DOCX/TXT说明文档，便于按代码、文档、固件三条线对照学习。这一项目涵盖电磁感应无线充电、PWM电机调速、PID控制、充电状态检测等关键技术，从题目拆解、硬件选型到程序调试均有对应材料，结构清晰，适合入门到进阶的嵌入式爱好者深入研读，也适合课设或竞赛备赛复盘。目前已有1888人学习下载，借助完整工程源码和烧录文件，可以在常见单片机上逐步复现并验证整车逻辑，对理解系统联调与电源管理也有直接帮助。

1. 无线充电电动小车：一份竞赛资源到底值不值得照着做

做电子设计竞赛的人，多半绕不开这道经典题：小车不许带电池，只在发射线圈上短暂停几秒，充满电后自己跑起来，跑完一圈还要带载。很多第一次做这道题的队伍，都在“充电没充满就跑不动”和“充满了但超时”之间反复横跳。这份资源把题目原文和一套完整答案打包在一起，核心思路是“先解决能量获取，再谈控制”，避开了大多数队伍一上来就死磕电机控制、最后被能量预算打脸的坑。适合正在备赛、想用最短时间把无线充电小车跑通的队伍，也适合想快速搞懂谐振充电和PWM占空比控制关系的从业者。它的价值不在题目文字，而在答案里那套能落地的参数取法和调试顺序。

2. 吃透题目要求：先把能量预算算清楚

2.1 题目里的隐藏约束：不是所有参数都在题目上

这道题很多人第一眼看到的是“无线充电”四个字，但真正决定整辆车能不能跑完全程的，是题目里的能量约束。题目给出的是发射端供电电压和充电时间上限，以及小车在无外部供电条件下需要完成的行驶距离。很多队伍把这些当“线路条件”看，忽略了它们实际上是能量预算的硬边界。

我一般拿到题目会先把两个数算出来：充电时间内的最大可获取能量，以及行驶全程（含带载段）的总能耗。前者由接收线圈输出电压、充电电路效率和充电时间共同决定，后者由电机功率、整车重量和行驶时间决定。两份数一对，就能判断这辆车是应该做成轻量化小车、把发射端功率拉到顶，还是干脆放弃部分带载能力、用更大电容换续航。

这道题的典型工况是：充电时间上限大约在几十秒量级，发射端供电为直流稳压电源，接收端用超级电容蓄能，再通过升压电路驱动电机。注意，题目并没有限制接收端的储能方式，实际答案里最常见的是超级电容方案，少数队伍用了锂电池。锂电池能量密度高但充电速度受限制流保护影响，超级电容可以大电流快充，但电压会持续跌落，必须搭配升压电路来稳定母线电压。

2.2 谐振拓扑怎么选：串联还是并联，决定了充电电流上限

无线充电的接收端拓扑，直接决定你充进去多少能量。这道题的主流做法是电磁感应式，发射线圈和接收线圈之间通过高频交变磁场耦合。但同样是感应式，发射端补偿网络有串联和并联两种接法，答案里给的参考方案是串联谐振发射、串联谐振接收（SS），原因是它对负载变化不太敏感，而且设计公式最直接。

谐振频率的计算很简单，关键是选准补偿电容值，公式是 C = 1 / (4π²f²L)，f是驱动频率，L是线圈电感。很多队伍在频率上翻车，用的是便宜的信号发生器输出固定频率，但线圈电感会因为温度和小车震动轻微漂移，导致谐振点偏移、电流急剧下降。常见做法是用带调频功能的驱动电路，实际调试时一边看发射端电流一边微调频率，让电流达到最大点，这个点才是真正的谐振点。

一个实操经验：发射端电流不是越大越好。电流大意味着磁场强、耦合功率高，但线圈和电容的发热也会急剧上升。这道题充电时间只有几十秒，热积累不明显，但如果反复调试，线圈温度升起来之后电感会漂移，导致后续测量不准。我一般会在发射端串联一个电流采样电阻，实时监控电流，把频率锁定在让电流稳定的区间，而不是单纯追求峰值。

2.3 超级电容容量怎么定：从“跑完全程”倒推

超级电容的容量选型是答案里最值得抄的部分。很多队伍上来就问“是不是越大越好”，其实完全看行驶功耗。我把计算过程简化成三步：

第一步，估算电机平均功耗。车重1kg左右、带载500g、行驶速度1m/s左右的工况，直流减速电机的平均功耗大约在5W到8W之间。行驶距离如果按10米算（含往返），凑整下来约需15到30秒的行驶时间，总能耗大约120到240焦耳。

第二步，确定电容电压范围。电容可用能量是0.5×C×(V²max−V²min)，其中Vmax是充电结束电压，典型值5.4V（两串2.7V超级电容），Vmin是升压电路能够正常工作的最低输入电压，常见取值3.2V到3.6V。低于这个值，升压芯片输出会跌落，电机转速明显下降。

第三步，解出C的最小值。以总能耗150J为例，Vmax=5.4V，Vmin=3.5V，算出来C最小约为7F，留20%余量选10F比较稳。答案里给的方案基本就是这条思路，只不过把升压电路的效率也加进去了，一般按90%算，那么电容容量还要再放大一成。

这里有个容易算错的点：超级电容的标称容量是单体值，两串之后总容量是减半的。比如两个10F/2.7V的电容串联，等效容量是5F，耐压是5.4V。很多队伍没换算，以为买了两个10F就拥有10F的容量，结果就是跑到一半电压掉到底，还没到终点就趴窝。

3. 硬件链路拆解：充电、升压、驱动和循迹的选型逻辑

3.1 接收端电路：从线圈到超级电容之间的整流与保护

接收端放在小车底盘上，零件就几样：接收线圈、整流桥（或同步整流MOS管）、充电限流电路、超级电容、升压电路。参考答案里的接收端用的是全桥整流加一个PMOS做防倒灌保护，逻辑是这样的：线圈感应出的交流电经过整流变成直流，直接给超级电容充电；当发射端断电时，PMOS的体二极管方向反向，电容不会反向回放电到线圈。

这个电路里最容易被忽略的是限流。发射端功率比较大的情况下，接收端如果不限流，充电电流可能冲到十几安培，不仅发热严重，还可能把整流桥和电容打穿。比较稳健的做法是加一个低阻值采样电阻，配合比较器做一个简单的恒流/恒压切换：初始阶段恒流充电，电压升到设定值之后切到恒压，电流自然回落。

参数上，我一般把充电截止电压设在5.4V，恒流段电流设为4A左右，对应一个10F电容从3.5V充到5.4V，所需时间大约是10×(5.4−3.5)/4=4.75秒，实际算上效率和电压上升带来的电流下降，8到10秒能完成充电，在题目限制的充电时间内非常从容。

有些答案用的是DCDC降压芯片做恒压充电，注意这种方案的适用条件是发射端功率预留足够。如果发射端输出能力有限，恒压模式会吃掉大部分电压，导致充电前期电流上不去，实际充电时间会明显拉长。我倾向于用分立元件做限流，虽然精度不如芯片方案，但在这种大电流短期充电场景里，可靠性反而更好。

3.2 升压电路：为什么不能直接把电容电压接电机

超级电容的电压会从5.4V一路跌到3.5V左右，而直流电机在低电压下转速掉得非常厉害，直接驱动会导致“后半程明显减速”。答案里的做法是加一个升压电路到稳定电压再给电机供电，一般是把3.5V到5.4V的输入稳定到5V或6V输出。

升压芯片选型上，常见的型号是TPS61088、FP6291这类低输入电压升压IC，但注意它们的最大输出电流和输入电流限制。以FP6291为例，典型升压到6V、输出电流1.5A时，输入电流接近2.8A，这要求前端超级电容的等效串阻（ESR）足够低，否则电压会被瞬间拉低，触发升压芯片的欠压保护。超级电容的ESR比普通电解电容低很多，这也是它适合这种大电流脉冲场景的原因之一。

实际调试中还发现一个和升压芯片软启动有关的问题：电容充满后第一次启动，升压电路输入端的浪涌电流非常大，如果PCB走线细，电容和芯片之间的寄生电阻会造成压降，导致芯片反复启动失败。解决办法是在升压输入端加一个小的铝电解电容（100µF到220µF），配合超级电容一起承担瞬时电流，同时加粗走线、铜箔加宽。

3.3 电机驱动与循迹方案：PWM频率和转向策略

电机驱动常见做法是TB6612或DRV8837这类小封装驱动芯片，PWM频率一般设15kHz到20kHz。这个频率区间有两个好处：一是超出人耳听觉范围，不会在测试时发出刺耳的啸叫；二是PWM开关损耗和电机电感纹波电流之间达到一个合理的折中。频率太高的话，驱动芯片的开关损耗会让芯片明显发烫，模块上的小散热片根本压不住。

循迹部分，答案里用的是两路灰度传感器，贴在车头下方，根据黑线和白地的反射差输出高低电平。控制逻辑很简单：左侧传感器压到黑线，说明车头往右偏了，要向左转，反之同理。新手容易犯的错误是只调比例参数，不调阈值。灰度传感器的阈值设定最好现场测一遍：把传感器分别放在白纸和黑胶带上方，记录两个值，取中间值作为比较阈值。这样做的好处是不受环境光线波动影响，能稳定跑完全程。

答案里还有一个小细节：转向时不是直接给电机反向电压，而是降低内侧轮PWM占空比，靠两侧轮速差实现差速转向。这种做法的好处是整车不会因为突然反转而打滑，尤其在带载状态下，急转很容易把电容的电量白白浪费在轮胎摩擦上。

3.4 代码框架：状态机比裸奔循环稳定十倍

小车控制代码看起来简单，但如果没有清晰的状态划分，调试时非常容易失控。参考答案用的是标准状态机，几个状态分别是：待机、充电中、启动、循迹行驶、停止。状态之间靠标志位切换，标志位由充电电压阈值、灰度传感器信号和计时器共同决定。

状态机的好处是能处理“充电还没结束但时间到了”这种边界情况：充电状态超时后会强制切到启动状态，避免小车一直停在起点、一分未得。很多队伍用裸循环写，只在main函数里顺序读传感器、驱动电机，结果遇到掉电重启或传感器误触发，整个流程全乱套。

状态机的核心C代码大概长这样：

typedef enum { STATE_IDLE, STATE_CHARGING, STATE_START, STATE_RUNNING, STATE_STOP } car_state_t; car_state_t state = STATE_IDLE; uint8_t charge_timeout_flag = 0; // 简单的非阻塞延时计数，主循环10ms扫描一次 void state_machine_run(void) { switch (state) { case STATE_IDLE: if (sensor_charge_complete()) { state = STATE_CHARGING; timer_start(TIMER_CHARGE_TIMEOUT); } break; case STATE_CHARGING: if (timer_check(TIMER_CHARGE_TIMEOUT)) { charge_timeout_flag = 1; } if (sensor_charge_full() || charge_timeout_flag) { state = STATE_START; motor_pwm_set(MOTOR_LEFT, PWM_START_LEFT); motor_pwm_set(MOTOR_RIGHT, PWM_START_RIGHT); timer_start(TIMER_RUN_STALL); } break; case STATE_RUNNING: // 循迹控制，左右灰度差决定PWM修正 if (!sensor_left() && sensor_right()) { motor_pwm_set(MOTOR_LEFT, PWM_BASE + PWM_CORRECT); } else if (sensor_left() && !sensor_right()) { motor_pwm_set(MOTOR_RIGHT, PWM_BASE + PWM_CORRECT); } if (timer_check(TIMER_RUN_STALL)) { state = STATE_STOP; } break; default: motor_pwm_set(MOTOR_LEFT, 0); motor_pwm_set(MOTOR_RIGHT, 0); state = STATE_IDLE; break; } }

这套代码的逻辑说明：主循环每10ms调用一次state_machine_run，整个控制都在这一个函数里完成。TIMER_CHARGE_TIMEOUT是充电超时保护，防止传感器坏了导致小车永远停在起点；TIMER_RUN_STALL是行驶超时保护，防止循迹失败后小车原地打转耗电。sensor_left和sensor_right是灰度传感器的读取函数，返回1表示压到黑线。PWM_BASE是基础占空比，PWM_CORRECT是转向修正量，这两个值在调试时单独调整，互不干扰。

参数说明：PWM_BASE一般取电机额定电压下能维持目标速度的占空比，比如6V供电、15kHzPWM时，50%到60%占空比对应约1m/s的速度。PWM_CORRECT取10%到20%，太大转弯会甩尾，太小则压线后不能及时回正。TIMER_CHARGE_TIMEOUT按题目充电时间上限设置，TIMER_RUN_STALL按最长行驶时间加2秒设置，除非小车卡死，否则不会触发。

4. 竞赛场地调试：五个高频翻车点排查

这道题的坑不在电路原理多深，而在现场环境带来的各种“玄学”问题。我把历年队伍最容易翻车的地方整理成五条，每一条都是实际发生过的。

4.1 充电中断后小车不启动：电容电压保持不住

现象：充电时电压正常升到5V以上，断开发射端电源后，升压电路输出瞬间掉零，小车趴窝。

原因：超级电容的自放电率虽然低，但断开瞬间如果升压电路输入端没有足够的储能电容，“最后几毫秒”的保持电压会快速跌落，触发升压芯片的欠压锁定（UVLO）。另外，很多升压芯片在输入电压刚超过阈值时启动电流很大，输入端没有支撑电容，电压会瞬间塌陷到阈值以下，芯片反复尝试启动失败。

解决：在升压电路输入端并联220µF铝电解电容，位置尽量贴近升压芯片引脚；同时检查UVLO阈值分压电阻，把阈值降低0.2V到0.3V，给启动留出余量。

4.2 充了老半天电却跑不远：充电截止电压偏低

现象：充电指示灯亮、电压显示5.0V左右，但小车跑出去两三米就没电了。

原因：很多队伍的“充电截止”设置成恒压模式掉电流即停止，但恒压阶段后期充电电流已经很小，此时电容实际只充到设定电压的90%。以10F电容为例，5.4V和5.0V之间的可用能量差大约17%，对行驶距离就是硬生生少了两三米。

解决：把截止电压提高到5.4V，同时延长恒压充电的驻留时间，看到充电电流降到0.2A以下再判定充满。另外检查发射端和接收端线圈的间隙，距离拉大1mm，耦合系数会下降不少，充电速度肉眼可见地变慢。

4.3 跑偏严重，明明循迹传感器都正常：转向修正相位反了

现象：小车在直线段正常，一到弯道就朝反方向冲出去，完全不听传感器指挥。

原因：灰度传感器的安装位置装反了，或者左右传感器信号在代码里接反了。这种问题在demo代码里非常常见，因为原作者习惯从左往右定义传感器ID，而实际接线可能从右往左。

解决：做一次开环测试。把小车架起来，手动挡左侧传感器，观察电机的实际转向是否和预设一致。这个方法能十分钟内定位问题，比反复调差速值靠谱得多。我在调这类小车时，永远先做“挡传感器看转向”这一步，调试速度快的队伍都是这么干的。

4.4 充电时发射端电流爆高但小车不跑：谐振频率偏了

现象：发射端电流明显很大，甚至线圈发烫，但接收端输出电压很低，充电极慢。

原因：发射端频率和接收端谐振频率不一致。发射端驱动频率是固定的，接收端的线圈电感因为温度或耦合位置变化导致谐振点偏移，接收到的能量大幅下降。发射端电流大说明发射线圈自身损耗大，并不等于接收端拿到了能量。

解决：用示波器同时测发射端驱动波形和接收端整流后的电压波形，调整驱动频率往接收端谐振点靠。如果没有示波器，可以在接收端加一个峰值检波电路，用万用表看检波电压，微调频率直到读数最大。

4.5 启动瞬间重启，跑一半断电：PWM占空比加得太猛

现象：充电结束后小车刚起步，升压电路输出电压正常，但跑出两米后突然断电重启，之后又恢复正常，反复出现。

原因：起步时PWM占空比瞬间拉满，电机堵转电流很大，升压电路输出端电压被拉低，控制板检测到掉电后复位。复位后PWM归零，电机恢复空转，电流下降，系统又恢复正常，所以看起来是“跑一半断电”。

解决：软件上做软启动，PWM占空比在200ms内从0线性增加到目标值。我一般这么做：先占空比到30%维持50ms，再每秒增加10%到目标占空比。同时检查电机堵转保护，正常行驶中如果遇到障碍物堵转超过500ms，直接切到停止状态而不是反复重启。这个细节在带载跑坡道时非常关键，堵转电流能比正常电流高出三倍。

5. 复现验收技巧：用数据说话，别靠感觉调车

5.1 做一个5分钟快速体检表，每次改完都跑一遍

调试阶段最怕的是“调了参数但不知道是好是坏”。我习惯把验收流程固定成一张自查表，每次改软件或硬件之后全部跑一遍，不跳项。

自查表内容分四块：一是充电段，记录从充电开始到充满的总时间、截止电压；二是起步段，记录从状态切到启动到车速稳定的时间，以及这一瞬间母线电压跌落幅度；三是行驶段，记录完整跑完一圈的时间、中途最低电压、是否有明显降速点；四是停止段，记录刹车距离和余电电压。这张表跑三次取平均值，每次改完对比数据，而不是凭“感觉快了”来判断。

表格里最关键的是“中途最低电压”这一行。如果最低电压低于升压芯片的最低工作电压，说明电容容量不够或者升压效率偏低；如果最低电压在行驶前段就出现，说明起步时电流分配不合理；如果最低电压出现在后半程，则可能是电容容量偏小或者行驶阻力变大。每个现象对应的整改方向完全不同，有数据才能精准定位。

5.2 效率实测：从发射端输入到电机输出的完整链路

这道题看起来是“调小车”，实际上是“调能量效率”。我复现答案时会特意在三个点测数据：发射端直流输入电压和电流、超级电容充到截止电压时的总容量、以及升压输出端在行驶过程中的平均电压和电流。三个数据一除，整条无线充电链路的总效率就出来了。

常见效率分布是：线圈耦合效率70%到85%，整流+限流电路效率90%到95%，升压效率85%到92%，电机驱动效率80%到90%，乘完差不多45%到60%。如果实测总效率低于40%，就说明某个环节损耗异常偏大，逐段排查比盲目加大发射端功率更有效。很多队伍在发射端加大电流，结果只是让线圈更烫，总效率反而更低。

参数上我建议预留一个“电表测试点”：在超级电容正极串联一个0.05Ω采样电阻，用示波器测电压波形再换算电流。这里的采样电阻不能用普通色环电阻，温漂太大，需要用锰铜电阻或者康铜丝，读数才稳定。

5.3 带载测试的边界：电量余量至少留20%

最后说一个容易被忽视的边界问题：全程测试和正式验收之间，环境条件会变。地面摩擦系数、轮胎气压、电池余量都会影响实际表现。我做完一版方案后，会强制带载测试三遍，并且模拟“充电时间缩短20%”和“行驶距离增加20%”两种极限工况，确保即使在最不利条件下小车也能完成全程。

从那以后，我每次调这类无线充电小车，都强制走一遍“充电时间实测→行驶功耗实测→总效率实测”这三步流程，不再凭指示灯判断好坏。数据齐了，翻车的概率会小很多。如果你准备备赛，建议先把能量预算算清楚，再动手焊电路，这样至少不会出现“做完才发现电容选小了”的尴尬。希望帮到你。

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