隋美麗，龍建，劉敏杰，楊立平

（北京電子科技職業(yè)學院汽車工程學院，北京 100176）

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太陽能光伏電動小車嵌入式系統(tǒng)設計

隋美麗，龍建，劉敏杰，楊立平

（北京電子科技職業(yè)學院汽車工程學院，北京 100176）

摘 要：文章應用硬件和軟件結合的方法，設計了簡易的太陽能光伏電動小車，并實現(xiàn)了該小車的運動控制。該小車可太陽能供電，具有前進、后退、左轉、右轉、加速、減速的基本功能，且能根據(jù)光照情況實現(xiàn)前后輪電機供電在光伏板與蓄電池的之間切換，并保持電源供電電壓的穩(wěn)定。

關鍵詞：太陽能；嵌入式系統(tǒng)；電動車

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.046

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-133-03

前言

隨著社會總體實力的快速發(fā)展，世界汽車領域也得到了空前的發(fā)展，汽車保有量不斷上升，極大的消耗了有限資源，同時也造成周圍環(huán)境的污染。在我國，70%的大氣污染物來自汽車廢棄的排放，這就成為了經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的一個嚴重的環(huán)境污染問題。因此，改變能源消耗，充分利用可持續(xù)發(fā)展的能源，大力發(fā)展?jié)崈?、可再生能源已成為世界各國的能源發(fā)展戰(zhàn)略，太陽能以清潔、環(huán)保、可再生的特點越來越受到的高度重視[1][2][3]。

國內外對太陽能交通工具的研究方興未艾，世界各國都在不斷的探索和研究。我國的太陽能汽車事業(yè)起步較晚，并且大多數(shù)太陽能汽車的研制工作主要在各院校和科研院所進行。清華大學學生自主研制出“追日”號太陽能汽車；上海交通大學設計制造出“思源”號太陽能電動車；2008年，北京奧運會成功使用太陽能觀光游覽車等[4]。未來幾年，隨著光伏技術轉換率的不斷提高，對究太陽能汽車研究越來越多，這為太陽能應用汽車領域的發(fā)展開辟了新的篇章[5]。

本文介紹了一種采用太陽能供電的自動控制小車的嵌入式系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了該小車的供電控制和運動控制。

1、太陽能光伏電動小車控制硬件系統(tǒng)設計

根據(jù)小車設計需具備前進、后退、左轉、右轉、加速、減速的基礎功能，并采用具有外部晶振的最小系統(tǒng)設計。為實現(xiàn)到整個系統(tǒng)的簡單、方便性，控制模塊采用ATmega16作為主控制芯片，該芯片有足夠的存儲空間，很強的擴展性，使用靈活性和實用性，同時操作方便，價格低廉的特點[5]。系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 總體結構框圖

1.1 開發(fā)硬件及軟件需求

硬件需求：計算機、單片機、太陽能電池板、紅外遙控器等。

軟件需求：在AVR Studio環(huán)境中，新建一個工程；然后在該工程下編輯匯編代碼，并調試執(zhí)行；最后下載到單片機中獨立運行。

在ICCAVR集成環(huán)境中編寫C語言程序，編譯后利用AVR Studio進行調試、運行，最后下載執(zhí)行。

AVR Studio環(huán)境：

（1）項目的建立和程序的編寫下載。

（2）芯片類型選擇。

（3）匯編語言的編。

（4）程序的調。

（5）單步跟。

（6）特別注意通過窗口觀察寄存器、IO和堆棧的狀態(tài)變化。

（7）程序的下載。

（8）計算機與目標板的物理連接方式。

（9）連接端口的選擇、下載存儲器的選擇。

1.2 SPGT62C19B 電機控制及模組

該電動小車的能量來源于太陽能光伏板。電動小車為四輪結構，前面兩個車輪為轉向輪，后面兩個車輪為驅動輪。實現(xiàn)小車運動主要由兩個電機實現(xiàn)，其中一個為前輪直流電機，通過齒輪齒條結構與轉向橫拉桿相連，通過前輪左右偏轉實現(xiàn)小車前進方向的控制；另一個為后輪步進電機，通過與主減速器相連帶動差速器驅動半軸，實現(xiàn)對車輪運動的控制。

1.2.1 前輪電機控制

模組配備的前輪電機為微型直流電機，型號為310CA，工作電壓3V-12V，在5V電壓下空載轉速約4000轉/分，空載電流約20mA，堵轉電流約300mA。該電機的控制方法比較簡單，只需給電機的兩根控制線加上適當?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉動起來，電壓越高則電機轉速越高。該電機的速度調節(jié)采用PWM調速方法，通過改變兩端的電壓方波的占空比實現(xiàn)對電機轉速的調節(jié)。

1.2.2 后輪電機控制

模組配備的后輪電機為永磁步進電機，型號為35BYJ26，工作方式為雙極性兩相四拍。為實現(xiàn)步進電機控制，采用的是低電壓單片式步進電機驅動器集成電路芯片SPGT62 C19B，其輸出電壓可達40V，輸出電流可達750mA，由輸入的邏輯電平來決定輸出脈沖的寬度及頻率。SPGT62C19B的內部控制電機電路原理如圖2所示。輸入控制信號經(jīng)前級緩沖后送入片內控制器，然后由控制部分進行處理并驅動晶體管，最后由OUT端口輸出驅動信號以控制電機的運行。并通過設定PHASE1的邏輯電平，即可實現(xiàn)電機的正反轉控制。

圖2 電機控制電路原理

為使步進電機獲得更大的轉動力矩和更高的精度，電機內部加入了變速齒輪組的減速裝置，該變速齒輪組減小傳動比為至1/64。這樣，步進電機每接收到一個脈沖信號，輸出轉動的角度（即步距角）可以達到15°的1/64。

1.3 AVR 單片機控制系統(tǒng)

考慮到操縱小車的方便性，以AVR單片機為核心。根據(jù)小車的運行情況、太陽光照度強弱，從而實現(xiàn)了小車的各種運動功能。

（1）蓄電池充放電控制。為了保證蓄電池的正常工作，采用ATmegal6單片機為控制核心，實時監(jiān)控其兩端電壓值。當具有足夠的太陽光照射時，多余的能量就給蓄電池充電；當太陽能電池功率不足時，由蓄電池給小車供電；系統(tǒng)對蓄電池的過充、過放等狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

（2）ATmegal6單片機控制電動機。為了保證小車操控時的靈活性，AVR單片機必須能夠控制車子的運動，通過單片機PORTB端口的輸出信號控制太陽能光伏小車完成前進和后退等動作。另外，單片機PORTB端口輸出的PWM方波信號控制小車車速，加速過程占空比由56%到94%；減速過程占空比由56%到12%。

（3）最小系統(tǒng)。為實現(xiàn)該電動小車的功能，采用的最小系統(tǒng)設計，最小系統(tǒng)框圖3所示。

圖3 單片機最小系統(tǒng)

1.4 供電系統(tǒng)

該小車采用太陽能供電系統(tǒng)，利用光伏發(fā)電原理，光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。太陽能智能小車供電系統(tǒng)的關鍵是太陽能電池和蓄電池之間的合理配置。本裝置中選用的太陽能電池18個太陽能電池板串聯(lián)成一組。使太陽能電池列陣輸出電壓達到9V，輸出電流約0.3A。與此相配備的蓄電池為鎳氫電池，型號為SN NI-MH，其主要技術指標：額定容量為900mAh，標準電壓為1.2V，如果將5個蓄電池串聯(lián)成一組,輸出電壓將達到1.2Vx5=6V。

1.5 LM7805 穩(wěn)壓電源電路

為實現(xiàn)小車運動電機供電的穩(wěn)定性，該控制系統(tǒng)使用了LM7805 穩(wěn)壓電源電路，用LM78/系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的lm78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如LM7805表示輸出電壓為正5V。穩(wěn)壓電路圖如圖4所示。其中C1為輸入濾波電容，C2為LM7805穩(wěn)壓集成電路輸出濾波電容，它用于穩(wěn)定LM7805內部放大器的工作狀態(tài)，最低電壓為5V，最高電壓5.2V。

圖4 LM7805電路圖

2、太陽能光伏電動小車控制軟件系統(tǒng)設計

圖5 小車控制流程圖

整個控制系統(tǒng)軟件采用了C語言和匯編語言混合編寫，并且主要由主程序和定時中斷服務程序組成?？刂屏鞒虉D如圖5所示。

3、結論

該小車能源供應采用的是太陽能光伏板將太陽能，采用ATmega16作為主控制芯片，實現(xiàn)小車運動控制，供電電源控制和電源穩(wěn)壓控制，功能如下。

（1）該太陽能光伏小車前輪轉向使用微型直流電機，后輪驅動使用永磁步進電機，采用集成芯片SPGT62C19B對的運動電機控制，使小車實現(xiàn)了前進，后退，向左，向右的運動功能；

（2）該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)在不同的光照情況，根據(jù)光伏板的發(fā)電量轉換電機的供電電源，當有足夠的光照強度時，光伏板直接給小車電機供電，并將多余電量給蓄電池充電，光照強度弱時，由蓄電池給小車電機供電；

（3）該系統(tǒng)采用LM7805 穩(wěn)壓電源電路，實現(xiàn)了運動電機供電電壓最高5.2V，最低5V的穩(wěn)壓控制。

參考文獻

[1] 趙玉文.中國光伏技術概況和發(fā)展趨勢[J].中美潔凈能源技術論壇,2001:10-15

[2] 趙春江,楊金煥,陳中華等．太陽能光伏發(fā)電應用的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].節(jié)能技術,2007,25(5):461-465.

[3] 史玉茜. 綠色環(huán)保汽車—太陽能汽車[J].節(jié)能技術,2009,27(1): 78-82.

[4] 張曉東.太陽能電動車模型設計[D]．吉林:沈陽理工大學,2011．

[5] 張琪,黃東,鄭宏飛.太陽能在汽車上應用的前景與挑戰(zhàn)[J].太陽能,2006(4)．

[6] 張毅剛,彭喜元,彭宇. 單片機原理及應用[M].北京:高等教育出版社,2010.5.

Design of Solar Energy Photovoltaic Electric car in embedded system

Sui Meili, Long Jian, Liu Minjie, Yang Liping
（Beijing electronic technology Training college, Beijing 100176）

Abstract:This paper applyto method of combining hardware and software, design a simple solar photovoltaic electric cars, and realize the motion control of the car. The car can be solar power supply, realize the basic function of forward, backward, turn left, turn right, acceleration, deceleration. The power supply of front and rear electric motor are Switching between photovoltaic panels and the battery depend on different lighting conditions, and maintain the stability of the power supply voltage.

Keywords:Solar Energy; Embedded System; Electric Car

基金項目：北京電子科技職業(yè)學院 科技類重點基金(YZKB2014003)。

作者簡介：隋美麗，講師，博士。就職于北京電子科技職業(yè)學院汽車工程學院。主要從事汽車電子、車輛工程等方面的研究。

中圖分類號：U469.7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-133-03