基于Atmega16的太陽能智能小車

林少帥 謝 勇 趙齊齊 郭志波

（揚州大學信息工程學院 江蘇 揚州 225127）

0 引言

地球資源的日益貧乏，基礎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保型代步工具，它利用光伏效應，通過太陽能電池把太陽光轉化為電能，存儲在高能蓄電池中，并利用該電能驅動行駛車輛。本文基于AVR智能控制芯片對小車進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結構

圖1 系統框圖

太陽能智能小車系統框圖如圖1所示，由太陽能電池板、蓄電池、充電電路、驅動和電機構成的動力系統組成，而由單片機、紅外傳感器及遙控器構成控制系統。

當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行充電，同時給負載供電。在充電的同時，系統對太陽能陣列、蓄電池、負載進行監控和管理，對蓄電池采取了防過充保護措施。當光伏電池電壓值較低時，充電電路不工作，由蓄電池直接給負載供電。當蓄電池電壓值較低時，蓄電池本身帶有防過放的功能，能夠切斷負載電路，防止蓄電池過放。紅外遙控器發射遙控碼，通過紅外一體管接收遙控碼，經過程序識別，可以控制小車做前進、后退、左拐、右拐以及智能避障等動作。

2 系統硬件設計

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

2.2 單片機最小系統

單片機最小系統采用AVR單片機中的Atmega16，其最小系統包括復位電路、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，便于應用或連接外圍設備，在進行實驗時只需要使用排線和外圍設備連接即可。預留有ISP接口，可以使用相應的ISP下載線向Atmega16L芯片中寫入程序。

2.3 電機驅動模塊

電機驅動芯片采用L298N雙H橋直流電機驅動芯片，驅動電路如圖2所示。L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種兩相和四相電機的專用驅動器，即內涵兩個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。

圖2 電機驅動電路圖

圖2中，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接兩個電動機。IN1、IN2、IN3、IN4引腳從單片機接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA、ENB接控制使能端，控制電機的停轉。電機采用PWM調速的方法，其原理是開關管在一個周期內的導通時間為t，周期為T，則電機兩端的平均電壓U=Vcc*(t/T)=αVcc。其中α為占空比，Vcc是電源電壓。電機的轉速與電機兩端的電壓成比例關系，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的轉速與占空比成比例，占空比越大電機轉得越快。 另外采用7085穩壓芯片穩定輸出一個+5v的直流電壓，供單片機使用。

2.4 遠距離紅外避障模塊

為了使小車能夠實現自動避障功能，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節檢測距離。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。單片機可以根據輸出信號做出相應判斷。另外模塊上附有使能端，低電平有效，可以根據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的32位二進制碼組，其中前16位為用戶識別碼，能區別不同的電器設備，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的組合表示二進制的“0”；以脈寬為0.565ms、周期為2.25ms的組合表示二進制的“1”。當發射器按鍵按下后，即有遙控碼發出，所按的鍵不同遙控碼也不同。遙控碼由一個起始碼（9ms），一個結果碼（4.5ms），低8位地址碼，高8位地址碼，8位數據碼和這8位數據碼的反碼組成。通過一體化紅外接收器接收遙控器發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，然后根據程序對按鍵的定義，對不同按鍵做出相應的反應。

2.6 充電電路設計

圖3 充電電路模塊

由于太陽能電池板輸出電壓不穩定且輸出電壓比蓄電池高的多。故需降壓電路得到穩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構成閉環控制，同時使用光耦合隔離技術保證控制電路與功率電路安全隔離，最終達到輸出穩定的電壓。本設計裝置還具有過流、過壓保護功能，當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，從而達到過流過壓保護作用。隨著充電的進行，蓄電池兩端電壓不斷升高，為防止電池過充，用單片機檢測蓄電池兩端電壓。當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 程序設計框圖

3 系統軟件設計

根據系統要求，程序設計框圖如圖4所示。

本系統采用Atmega16做控制芯片，其內部帶有模數轉換模塊，可以方便對充電電壓進行檢測，從而實現過充保護。另外兩個電機的轉速控制是通過PWM調壓實現的，而Atmega16的定時器有相位修正的PWM功能，可以在相應的定時中斷中修改占空比，從而控制電機轉速。實驗通過紅外遙控，進而對小車進行運動控制，其中有五個可調用函數，分別是前進函數、后退函數、左拐函數、右拐函數以及自動避障函數，紅外遙控實現對調用函數的選擇。在陽光充足情況下可實現不間斷行駛，電路工作穩定可靠，有很好的應用前景。

［1］王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].5 版.機械工業出版社.

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