太陽能光伏電動小車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隋美麗，龍建，劉敏杰，楊立平

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

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太陽能光伏電動小車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隋美麗，龍建，劉敏杰，楊立平

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

摘 要：文章應(yīng)用硬件和軟件結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了簡易的太陽能光伏電動小車，并實(shí)現(xiàn)了該小車的運(yùn)動控制。該小車可太陽能供電，具有前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速的基本功能，且能根據(jù)光照情況實(shí)現(xiàn)前后輪電機(jī)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(guān)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(shí)力的快速發(fā)展，世界汽車領(lǐng)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(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個嚴(yán)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)崈簟⒖稍偕茉匆殉蔀槭澜绺鲊哪茉窗l(fā)展戰(zhàn)略，太陽能以清潔、環(huán)保、可再生的特點(diǎn)越來越受到的高度重視[1][2][3]。

國內(nèi)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(jìn)行。清華大學(xué)學(xué)生自主研制出“追日”號太陽能汽車；上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)制造出“思源”號太陽能電動車；2008年，北京奧運(yùn)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(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用汽車領(lǐng)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該小車的供電控制和運(yùn)動控制。

1、太陽能光伏電動小車控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)小車設(shè)計(jì)需具備前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速的基礎(chǔ)功能，并采用具有外部晶振的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為實(shí)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(qiáng)的擴(kuò)展性，使用靈活性和實(shí)用性，同時操作方便，價格低廉的特點(diǎn)[5]。系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 開發(fā)硬件及軟件需求

硬件需求：計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、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(diào)試執(zhí)行；最后下載到單片機(jī)中獨(dú)立運(yùn)行。

在ICCAVR集成環(huán)境中編寫C語言程序，編譯后利用AVR Studio進(jìn)行調(diào)試、運(yùn)行，最后下載執(zhí)行。

AVR Studio環(huán)境：

（1）項(xiàng)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(diào)。

（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(jì)算機(jī)與目標(biāo)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(jī)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(jié)構(gòu)，前面兩個車輪為轉(zhuǎn)向輪，后面兩個車輪為驅(qū)動輪。實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動主要由兩個電機(jī)實(shí)現(xiàn)，其中一個為前輪直流電機(jī)，通過齒輪齒條結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連，通過前輪左右偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)方向的控制；另一個為后輪步進(jìn)電機(jī)，通過與主減速器相連帶動差速器驅(qū)動半軸，實(shí)現(xiàn)對車輪運(yùn)動的控制。

1.2.1 前輪電機(jī)控制

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

1.2.2 后輪電機(jī)控制

模組配備的后輪電機(jī)為永磁步進(jìn)電機(jī)，型號為35BYJ26，工作方式為雙極性兩相四拍。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制，采用的是低電壓單片式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器集成電路芯片SPGT62 C19B，其輸出電壓可達(dá)40V，輸出電流可達(dá)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(nèi)部控制電機(jī)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(nèi)控制器，然后由控制部分進(jìn)行處理并驅(qū)動晶體管，最后由OUT端口輸出驅(qū)動信號以控制電機(jī)的運(yùn)行。并通過設(shè)定PHASE1的邏輯電平，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

圖2 電機(jī)控制電路原理

為使步進(jìn)電機(jī)獲得更大的轉(zhuǎn)動力矩和更高的精度，電機(jī)內(nèi)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(jìn)電機(jī)每接收到一個脈沖信號，輸出轉(zhuǎn)動的角度（即步距角）可以達(dá)到15°的1/64。

1.3 AVR 單片機(jī)控制系統(tǒng)

考慮到操縱小車的方便性，以AVR單片機(jī)為核心。根據(jù)小車的運(yùn)行情況、太陽光照度強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)了小車的各種運(yùn)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(jī)為控制核心，實(shí)時監(jiān)控其兩端電壓值。當(dāng)具有足夠的太陽光照射時，多余的能量就給蓄電池充電；當(dāng)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(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

（2）ATmegal6單片機(jī)控制電動機(jī)。為了保證小車操控時的靈活性，AVR單片機(jī)必須能夠控制車子的運(yùn)動，通過單片機(jī)PORTB端口的輸出信號控制太陽能光伏小車完成前進(jìn)和后退等動作。另外，單片機(jī)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(shí)現(xiàn)該電動小車的功能，采用的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最小系統(tǒng)框圖3所示。

圖3 單片機(jī)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(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。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(guān)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(dá)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(shù)指標(biāo)：額定容量為900mAh，標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到1.2Vx5=6V。

1.5 LM7805 穩(wěn)壓電源電路

為實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動電機(jī)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(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)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(nèi)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(shè)計(jì)

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(wù)程序組成。控制流程圖如圖5所示。

3、結(jié)論

該小車能源供應(yīng)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(shí)現(xiàn)小車運(yùn)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(zhuǎn)向使用微型直流電機(jī)，后輪驅(qū)動使用永磁步進(jìn)電機(jī)，采用集成芯片SPGT62C19B對的運(yùn)動電機(jī)控制，使小車實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)，后退，向左，向右的運(yùn)動功能；

（2）該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的光照情況，根據(jù)光伏板的發(fā)電量轉(zhuǎn)換電機(jī)的供電電源，當(dāng)有足夠的光照強(qiáng)度時，光伏板直接給小車電機(jī)供電，并將多余電量給蓄電池充電，光照強(qiáng)度弱時，由蓄電池給小車電機(jī)供電；

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

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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(xiàng)目：北京電子科技職業(yè)學(xué)院 科技類重點(diǎn)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(xué)院汽車工程學(xué)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(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-133-03