楊倩，張秋娟，李璐

（西安思源學(xué)院，陜西西安， 710000）

0 引言

隨著節(jié)能環(huán)保和自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，并適應(yīng)汽車智能化和電動化的發(fā)展趨勢，本文設(shè)計的具有發(fā)電功能的儲能小車其優(yōu)點在于不用外接電源，只需依靠小車自身的運動進行發(fā)電，采用法拉電容作為儲能元件，符合現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保的時代要求。發(fā)電儲能小車是一個集環(huán)境感知，規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。

1 硬件電路

■1.1 單片機控制系統(tǒng)

MSP430F14X單片機結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一種超低功率微控制器，它有針對多種應(yīng)用的不同外設(shè)。這種架構(gòu)與5種低功耗模式相組合，專為在便攜式測量應(yīng)用中延長電池的使用壽命而優(yōu)化。該單片機具有內(nèi)置的16位定時器、24個支持觸摸感測的I/O引腳、一個通用型模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內(nèi)置通信能力。此外，MSP430系列成員還具有一個10位模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。電壓低，功耗低；運行速度快，內(nèi)置硬件乘法器，片內(nèi)集成資源豐富；有兩組普通 IO口具有中斷功能；靈活的時鐘系統(tǒng)：兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘；低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信；具有串行在線編程能力，并有強大的中斷功能；ESD 保護，抗干擾力強。

圖1 MSP430F14X單片機最小系統(tǒng)原理圖

■1.2 電動機模塊

直流電機具有良好的啟動特性和調(diào)速特性，轉(zhuǎn)矩比較大，直流電機的啟動和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣且平滑，過載能力較強，受電磁干擾影響小，相比步進電機，直流電機對于電能和機械能的轉(zhuǎn)化效率高，有利于短時間快速充電。因此選擇直流電機。

■1.3 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊L298N ，其結(jié)構(gòu)電路圖如圖2所示，通過接收單片機 I/O 端口的輸出指令，對其控制電平進行設(shè)定，進而對電機進行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動，操作簡單、穩(wěn)定性好，可以滿足直流電機的大電流驅(qū)動條件。

圖2 驅(qū)動模塊電路

■1.4 紅外檢測模塊

該模塊通過紅外接收管接收紅外信號，根據(jù)有無光照輸出高低不同的電平。在此將采集到的黑白標(biāo)記線脈沖信號，轉(zhuǎn)換為電信號傳遞到單片機 MSP430F149，單片機對接收的脈沖信號進行程序算法轉(zhuǎn)換處理后，輸出到小車上，對小車進行轉(zhuǎn)向控制，使小車按照要求智能行駛。紅外傳感器輸出信號可靠，受外界的干擾小，抗干擾能力強。

■1.5 法拉電容

法拉電容又叫黃金電容、超級電容，充電10s～10min可達到其額定容量的95%以上。法拉電容的儲能過程是可逆的。此次選擇5.5V 10F的電容。該電容充放電穩(wěn)定，但單一儲能較少，采用兩個電容串聯(lián)，為小車提供儲能。也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次，所以作為一種較好的儲能元件。

■1.6 接口顯示電路

液晶顯示器（LCD）具有省電、體積小以及抗干擾能力強等優(yōu)點，可用于顯示字母、數(shù)字、符號等，在單片機系統(tǒng)中廣泛使用。接口顯示電路如圖3所示。

圖3 接口顯示電路

■1.7 儲能充電模塊

采用法拉電容作為儲能元件，驅(qū)動小車行駛，由小車的四個輪子帶動電機，電機發(fā)電的過程中用 LED 指示燈來顯示充電過程，電機輸出的直流電通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后對電容進行充電。其電路如圖4所示。

圖4 儲能充電模塊

2 系統(tǒng)機構(gòu)

■2.1 設(shè)計方案

該系統(tǒng)由MSP430單片機為主控制器，用手推小車機械運動的方式給法拉電容充電，法拉電容所儲能量作為小車和控制器的工作電源；小車上裝載紅外探測器，將感應(yīng)到的信號反饋給單片機，進行處理后控制小車按直線行駛、圓形循跡線行駛、并能探測圓形軌跡上的硬幣，每檢測到一個硬幣，單片機的計數(shù)器加1，從而實現(xiàn)循跡與硬幣的檢測，再由液晶顯示板顯示行駛的距離和硬幣數(shù)量。以此完成預(yù)計的要求。整體系統(tǒng)框架由圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

■2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計上，本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過MSP430微控制器來控制小車運動，在小車一鍵啟動停頓一秒后，主程序?qū)鞲衅鞯男盘栠M行接收和處理，使小車實現(xiàn)直線行駛、沿著黑色圓形循跡行駛；在圓形循跡的路線行駛時，檢測放置在圓形軌道上的硬幣，每識別到一個硬幣，計數(shù)器加1，并實時顯示硬幣個數(shù)。程序結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 程序結(jié)構(gòu)圖

程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

3 測試

■3.1 測試小車及各個模塊

將組裝好的小車，用萬用表對其進行檢測，確保所有線路連接無誤，沒有虛接或斷開的情況，電路可靠。并且對不同模塊的功能進行了測試和實驗，結(jié)果正常，焊接、連接都良好。

■3.2 小車充電電路

按照之前設(shè)計好的原理圖，詳細的計算所需的各個元件參數(shù)。整個小車的測試電路如圖8所示?；瑒有≤嚠a(chǎn)生的電能通過R1和D1組成的發(fā)光電路顯示，D2是為防止電流倒灌，在回路中串聯(lián)一支二極管D2，充電時，實現(xiàn)電流的單向流動。法拉電容作為儲能元件，將電能存儲，并為小車提供電源以及為單片機和芯片供電。

圖8 測試電路

■3.3 充電測試

在長為 100cm 的發(fā)電區(qū)推動小車前進進行儲能，反復(fù)推小車5次后，啟動小車，并觀察小車自主行駛距離。按如下 5 步進行實驗：

(1)檢查電路；(2)手動充電；(3)置于地面的指定起始點；(4)一鍵啟動；(5)記錄數(shù)據(jù)在表1中。

表1 小車充電后直線行駛距離測試

經(jīng)過測試，小車平均自主行駛距離為152.7cm。實驗證明，儲能小車充電快、儲能穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

■3.4 循跡行駛測試

在圓形黑色循跡線上測試小車循跡行駛能力。反復(fù) 5次發(fā)電儲能后，啟動小車，并觀察小車自主行駛距離。按如下 5 步進行實驗：

(1)完全放電；(2)手動充電；(3)置于圓形軌跡的指定起始點；(4)一鍵啟動；(5)記錄數(shù)據(jù)在表2中。

表2 小車充電后沿圓形黑色軌跡行駛距離測試

■3.5 循跡行駛測試及檢測硬幣

在圓形黑色循跡線上測試小車循跡行駛能力并檢測小車在行駛過程中是否能檢測到提前放置在黑線下的硬幣。反復(fù) 5次發(fā)電儲能后，啟動小車，并觀察小車自主行駛距離。按如下 5 步進行實驗：

(1)完全放電；(2)手動充電；(3)置于圓形軌跡的指定起始點；(4)一鍵啟動；(5)記錄數(shù)據(jù)在表3中。

表 3 充電后在圓形黑色軌跡行駛距離及是否正常檢測硬幣個數(shù)

結(jié)果顯示：儲能小車可以正常沿著黑線行駛并能檢測到硬幣的個數(shù)，通過顯示器顯示出來。

該發(fā)電儲能小車具有發(fā)電和儲能兩項基本功能。通過MSP430 單片機和L298N電機驅(qū)動聯(lián)合控制小車運行，小車上裝載的紅外探測器，能感知小車的運行軌跡，單片機接收到信號后，根據(jù)算法控制小車按直線行駛、圓形循跡線行駛、并能探測圓形軌跡上的硬幣，在液晶板上顯示所探測的硬幣數(shù)量。通過各單元模塊的調(diào)試和整機調(diào)試，實現(xiàn)了小車在手動推動情況下快速充電，充電后的小車在控制系統(tǒng)作用下能沿直線行駛、圓形軌道循跡行駛并探測放置在軌道上的硬幣數(shù)量，達到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

本項目為了解決快速充電、實現(xiàn)經(jīng)濟效益，設(shè)計了利用法拉電容作為儲能元件，通過手推小車的方式進行發(fā)電并且儲能。由于法拉電容儲能過程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次，能量轉(zhuǎn)換效率高，可提供瞬時功率輸出。該儲能小車結(jié)構(gòu)簡單，具有發(fā)電快、可隨時充電隨時使用、工作效率高等特點。實驗測試結(jié)果達到了預(yù)期的目標(biāo)。該儲能為電動汽車實現(xiàn)高效充電、智能行駛提供了一種新思路。