林少帥 謝 勇 趙齊齊 郭志波

（揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

地球資源的日益貧乏，基礎(chǔ)能源的投資成本日益攀高，太陽能作為一種“取之不盡、用之不竭”的綠色新能源越來越受到重視。太陽能智能電動小車是一種環(huán)保型代步工具，它利用光伏效應(yīng)，通過太陽能電池把太陽光轉(zhuǎn)化為電能，存儲在高能蓄電池中，并利用該電能驅(qū)動行駛車輛。本文基于AVR智能控制芯片對小車進(jìn)行充放電的智能檢測控制，并對小車的行駛做出智能控制。

1 太陽能小車總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)框圖

太陽能智能小車系統(tǒng)框圖如圖1所示，由太陽能電池板、蓄電池、充電電路、驅(qū)動和電機(jī)構(gòu)成的動力系統(tǒng)組成，而由單片機(jī)、紅外傳感器及遙控器構(gòu)成控制系統(tǒng)。

當(dāng)光伏電池電壓值大于蓄電池電壓值時，控制器利用太陽能給蓄電池進(jìn)行充電，同時給負(fù)載供電。在充電的同時，系統(tǒng)對太陽能陣列、蓄電池、負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控和管理，對蓄電池采取了防過充保護(hù)措施。當(dāng)光伏電池電壓值較低時，充電電路不工作，由蓄電池直接給負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池電壓值較低時，蓄電池本身帶有防過放的功能，能夠切斷負(fù)載電路，防止蓄電池過放。紅外遙控器發(fā)射遙控碼，通過紅外一體管接收遙控碼，經(jīng)過程序識別，可以控制小車做前進(jìn)、后退、左拐、右拐以及智能避障等動作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 小車底盤

小車在行駛的過程中，需要加載太陽能電池板，并且根據(jù)紅外避障傳感器避開障礙物，所以小車要有較強(qiáng)的電機(jī)扭矩，并且需要堅固的車身，要求車身材料易于鉆孔，方便安裝單片機(jī)最小系統(tǒng)、電動機(jī)驅(qū)動電路模塊以及紅外避障傳感器等單元模塊。根據(jù)這些要求，決定選用有機(jī)玻璃作車身，采用鋁合金電機(jī)固定座，后輪采用雙電機(jī)驅(qū)動模式，選擇金屬齒輪大扭矩減速電機(jī)作驅(qū)動電機(jī)，前輪采用萬向輪支撐，其中金屬齒輪大扭矩減速電機(jī)的扭力6kg*cm，額定轉(zhuǎn)速是150r/min，額定電壓是6V，額定電流為500mA。這樣小車的負(fù)重能力可以達(dá)到5kg，足以載動太陽能電池板等硬件模塊。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)中的Atmega16，其最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、ISP接口、JTAG接口、PA～PD四個端口全部引出，支持JTAG仿真。其中PA～PD四個端口全部引出，便于應(yīng)用或連接外圍設(shè)備，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時只需要使用排線和外圍設(shè)備連接即可。預(yù)留有ISP接口，可以使用相應(yīng)的ISP下載線向Atmega16L芯片中寫入程序。

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動芯片采用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片，驅(qū)動電路如圖2所示。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種兩相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)涵兩個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。

圖2 電機(jī)驅(qū)動電路圖

圖2中，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接兩個電動機(jī)。IN1、IN2、IN3、IN4引腳從單片機(jī)接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。電機(jī)采用PWM調(diào)速的方法，其原理是開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為t，周期為T，則電機(jī)兩端的平均電壓U=Vcc*(t/T)=αVcc。其中α為占空比，Vcc是電源電壓。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例關(guān)系，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速與占空比成比例，占空比越大電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。 另外采用7085穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定輸出一個+5v的直流電壓，供單片機(jī)使用。

2.4 遠(yuǎn)距離紅外避障模塊

為了使小車能夠?qū)崿F(xiàn)自動避障功能，我們在小車的車前安裝了三個紅外避障傳感器，該傳感器的檢測距離為2-80cm，可以通過模塊上的電位器調(diào)節(jié)檢測距離。傳感器檢測到有障礙物時，輸出TTL低電平信號，無障礙物時輸出高電平信號。單片機(jī)可以根據(jù)輸出信號做出相應(yīng)判斷。另外模塊上附有使能端，低電平有效，可以根據(jù)需要選擇要檢測的傳感器。

2.5 紅外遙控裝置

紅外遙控的遙控編碼是連續(xù)的32位二進(jìn)制碼組，其中前16位為用戶識別碼，能區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同幾種遙控碼互相干擾。后16位為8位操作碼及其反碼。這種遙控碼采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565ms、周期為2.25ms的組合表示二進(jìn)制的“1”。當(dāng)發(fā)射器按鍵按下后，即有遙控碼發(fā)出，所按的鍵不同遙控碼也不同。遙控碼由一個起始碼（9ms），一個結(jié)果碼（4.5ms），低8位地址碼，高8位地址碼，8位數(shù)據(jù)碼和這8位數(shù)據(jù)碼的反碼組成。通過一體化紅外接收器接收遙控器發(fā)射出來的紅外脈沖波，然后由程序識別是否有按鍵按下以及按下的是那個鍵，然后根據(jù)程序?qū)Π存I的定義，對不同按鍵做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.6 充電電路設(shè)計

圖3 充電電路模塊

由于太陽能電池板輸出電壓不穩(wěn)定且輸出電壓比蓄電池高的多。故需降壓電路得到穩(wěn)定且比蓄電池電壓稍高的電壓給蓄電池充電。充電主電路采用BUCK變換器，由UC3845、TL431構(gòu)成閉環(huán)控制，同時使用光耦合隔離技術(shù)保證控制電路與功率電路安全隔離，最終達(dá)到輸出穩(wěn)定的電壓。本設(shè)計裝置還具有過流、過壓保護(hù)功能，當(dāng)過壓或過流時通過反饋使UC3845的6腳輸出波形的占空比減小，從而達(dá)到過流過壓保護(hù)作用。隨著充電的進(jìn)行，蓄電池兩端電壓不斷升高，為防止電池過充，用單片機(jī)檢測蓄電池兩端電壓。當(dāng)蓄電池兩端電壓過高時，port1輸出為高電平，由于光耦作用，IC3的第3端為高電平，可使D2的陰極電位大于1V，即UC3845的3腳大于1V，封鎖UC3845的6腳輸出，此時即停止對蓄電池的充電。

圖4 程序設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)要求，程序設(shè)計框圖如圖4所示。

本系統(tǒng)采用Atmega16做控制芯片，其內(nèi)部帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可以方便對充電電壓進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)。另外兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過PWM調(diào)壓實(shí)現(xiàn)的，而Atmega16的定時器有相位修正的PWM功能，可以在相應(yīng)的定時中斷中修改占空比，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)通過紅外遙控，進(jìn)而對小車進(jìn)行運(yùn)動控制，其中有五個可調(diào)用函數(shù)，分別是前進(jìn)函數(shù)、后退函數(shù)、左拐函數(shù)、右拐函數(shù)以及自動避障函數(shù)，紅外遙控實(shí)現(xiàn)對調(diào)用函數(shù)的選擇。在陽光充足情況下可實(shí)現(xiàn)不間斷行駛，電路工作穩(wěn)定可靠，有很好的應(yīng)用前景。

［1］王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].5 版.機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］路秋生.常用充電器電路與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

［3］海濤.Atmega系列單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

［4］沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.