基于AVR单片机的太阳能智能小车控制系统设计_徐开芸

Fig.2 The scheme of battery overchange prevention circuit
ATmega16 单片机内部带有 8 路 A/D 转换器， 本系统 选用了其中 的 两路 。 U1-PA1 端 测 得 蓄 电 池 充 电 的电 压 值， 通过 A/D 采样后与门限电压值相比较， 若超过设定 值 时 ， 单 片 机 U1-PA0 输 出 高 电平 ， Q1 MOSFET 导 通 ， 将蓄电池切离充电回路， 并熄灭充电指示灯。 当 U1-PA1 端测得蓄电池的电压值低于设定值时， 切断输出回路， 以避免蓄电池电量过放。 蓄电池的状态以数据或图像的 形式在屏幕上进行显示， 便于驾车者及时掌握信息。
2.3 AVR 单片机控制系统
考虑 到 操 纵 小 车 的 方 便 性 ， 现 以 AVR 单 片 机 为 核 心， 集成了键盘输入、 液晶显示、 遥控和安全报警模块 于一体； 根据小车的运行情况、 太阳光照度强弱、 蓄电 池充/放电状态等进行智能化控制， 从而实现了小车的 各种运动功能。
（1） 蓄电池充放电控制。 为了保证蓄电池的正常工 作， 采用 ATmega16 单片机为控制核心[5]， 实时监控其两 端 电 压 值 ， 在 LCD 上 予 以 显 示 ， 并 且 系 统 具 有 自 动 控 制和保护功能。 当具有足够的太阳光照射时， 多余的能 量就给蓄电池充电； 当太阳能电池功率不足时， 由蓄电 池给小车供电； 系统对蓄电池的过充、 过放等状态进行 实时监控， 蓄电池防过充的电路原理如图 2 所示。
0 引言
近年来， 光伏产业发展迅速， 国内外对太阳能交通 工具的研究方兴未艾， 与传统的交通工具相比， 太阳能 汽车具有清洁、 环保和可持续发展等优点， 可以说是真 正 “零排放” 的交通工具 [1]。
当今， 世界各国纯电动汽车的研究开发不断升温。 法、 美 、 日 、 德 等 国 在 上 世 纪 80 年代 就 开 发 出 具 有 商 业 化 水 平 的 纯 电 动 汽 车 ， 例 如 法 国 PAS 公 司 的 P106、 雪 铁 龙 AX 纯 电 动汽 车 和 日 本 丰 田 的 RAV-4EV 纯 电 动 汽车等。
（2） ATmega16 单 片 机 控 制 电 动 机 。 为 了 保 证 小 车 操 控 时 的 灵 活 性 ， AVR 单 片 机 必 须 能 够 控 制 车 子 的 运 动， 如图 3 所 示 为 ATmega16 单 片 机 控 制 电动 机 的 电 路 原理图。 通过单片机 U1-PC1 端口的输出信号控制太阳 能智能小车完成前进和后退等动作 。 当 U1-PC1 输出信 号为低电平时，Q3 截止， L293D 的 IN1 端为高电平， IN2 端为低电平， 小车实现前进； 当 U1-PC1 输出信号为高 电 平 时 ，Q3 导 通 ， L293D 的 IN1 端 为 低 电 平 ， IN2 端 为
D1 15
11 9
太 阳 能
16 R1A 1 U4 U1-PA0 1K
电 池
Optoisolator1
阵
列
R1F
R1B
1K
1K
2
U1-PA16ຫໍສະໝຸດ 10R1H 1K 8
14 R1C
D4 1K
R1G C6 1K 30pF
7
BT1 12V 蓄电池
Q1 3
MOSFET-P
D5 Q2
MOSFET-P
图 2 蓄电池防过充电路图
高电平， 小车实现后退。
另外 ， 单 片 机 U1-PD5 端 口 输 出 的 PWM 方 波 信 号
控制 舵 机 转 向 ， U1 当处于 0～90°时 小车左转， 当 处于 90～180°时 小车右转。 U1-
ATmega16L
PD4 端 口 通 过 软件算法输出 的 PWM 方波信
U1-18 +12V +5V
我国的太阳能汽车事业起步较晚， 并且大多数太阳 能汽车的研制工作主要在各院校和科研院所进行。 例如 1996 年， 清华大学研制出 “追日” 号太阳能汽车； 2001 年， 上海交通大学设计制造出 “思源” 号太阳能电动
收稿日期： 2009－11－16 基金项目： 南京工程学院大学生科技创新项目(N20080501) 作者简介： 徐开芸 (1966-)， 女， 江苏仪征人， 高级实验师。 研究方向： 计算机控制及自动化装置等。
2.2 电动机的选择
电动汽车使用的电动机有很多类型， 目前太阳能车 常用的电动机有交流电动机、 永磁同步电动机和直流电 动机。 因为交流电动机存在效率滑落的缺点， 永磁同步 电动机价格过高， 而直流电动机启动速度快， 控制简 单， 很适合太阳能智能小车的需要， 所以选用了直流电 动机。 该电动机额定功率为 20W， 额定电压为 10V。 本 系统控制小车转向的舵机选用了辉盛舵机， 其型号为 MG945 Tower Pro， 工作电压为 4.8~7.2V； 无负载时速度 为 0.23 秒/60 度（4.8V）、0.2 秒/60 度（6V）；堵转 扭 矩 为 10 公斤/厘米（4.8V）、 12 公斤/厘米（6V）； 死区设定为 10 微秒。
第 23 卷第 1 期 2010 年 1 月
机电产品开发与创新
Development ＆ Innovation of Machinery ＆ Electrical Products
文章编号： 1002－6673 （2010） 01－141－03
Vol．23,No．1 ·测Ja试n．,与20控10制·
2 控制器系统硬件设计
2.1 电源的选择
太阳能智能小车供电系统的关键是太阳能电池和蓄 电池之间的合理配置。 光伏电池通常由单晶硅、 多晶 硅、 非晶硅和化合物等材料制成， 目前国内光伏材料的 光电转化效率一般为 14%左右。 本装置中选用的太阳能 电池板型号 为 NZ6161， 6 个太 阳 能 电 池 板 串 联 成 一组 ， 然后 2 组并联， 使太阳能电池列阵输出电压达到 2V×6= 12V， 输出电流约为 0.6A。 与此相配备的 蓄 电 池 为 氢 镍 电 池 ， 型号 为 QNFZ10， 其 主 要 技 术 指 标 ： 额 定 容 量 为 10Ah， 标称电压为 1.2V， 如 果将 10 个 蓄 电 池 串 联 成 一 组， 然后 2 组并联， 输出电压将达到 1.2V×10=12V。
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·测试与控制·
太
电动机控制器
阳
能 光 伏 电
AVR
L293D
电
单片机 电动机 动
控制
驱动
机
系统
电路
池
阵 蓄电池及充
列 放电控制
显示器
图 1 太阳能智能小车控制系统框图 Fig.1 The structure of control system for solar intelligent car
车 ； 2008 年 ， 北 京 奥 运 会 成 功 使 用 太 阳 能 观 光 游 览 车 等。 可见， 近年来太阳能交通工具迅速发展， 本文以太 阳能智能小车为例， 介绍一种由太阳能给小车供电的自 动控制系统。
1 太阳能智能小车控制系统
太阳能车是一种环保型代步工具， 它具有环保、 经 济、 低噪声、 舒适和安全等特点， 是外出人员便捷的交 通工具之一。 它利用光伏效应， 通过太阳能电池将太阳 的光能转化为电能， 存储在高能蓄电池中， 并利用该电 能 驱 动 车 辆 行 驶 [2,3]。
40
FK
39
16
38
U3 1
37 36 35
R2A 47K
2 3
34 33
1
4 5 L293D
22 23 5
SC
R1E 1K
12
Q3
6 7
24
25
8
26
27
28
29 +5V
10
30
A
32
+12V
16 11 10 12 13 14 15 9
号控制小车速
31 11
B1
度， 并且划分
为 低 、 中 、 高 图 3 ATmega16 单片机控制电动机电路 三 档 ， 同 时 将 Fig.3 The main circuit of ATmega16 车 速 显 示 在 single-chip microprocessor control motor
太阳能智能小车控制系统能够实现太阳能智能小车 前进、 后退、 左转和右转等动作； 小车速度分为低、 中、 高三档， 并具有蓄电池过充、 过放的保护装置； LED 实时显示车辆的运行状况以及蓄电池充电和放电等 状态 [4]。
太阳能智能小车控制系统原理结构如图 1 所示， 主要由太阳能光伏电池阵列、 蓄电池及充放电控制、 AVR 单 片 机 控 制 系 统 、 电 动 机 驱 动 电 路 以 及 显 示 器 等 部分组成。
基于 AVR 单片机的太阳能智能小车控制系统设计
徐开芸， 韦树成， 汪木兰， 丁左武
（南京工程学院， 江苏 南京 211167）
摘 要 ： 利 用 AVR 单 片 机 设 计 了 全数 字 化 太 阳 能 智 能 小 车控 制 系 统 ， 给 出 了 智 能 小车 控 制 器 的 设 计 方 案 ， AVR 单片机控制系统可将太阳能电 池 获 取 的 直 流 电 进 行有 效 存 储 和 合 理 转 换 ， 提供 给 智 能 小 车 使 用， 并且对蓄电池进行过充电保护和过放电保护， 从而延长了蓄电池的寿命。 整个系统充分利用了 AVR 单片机的内部资源， 最大程度地简化了硬件电路， 使系统具有较高的性价比和可靠性。
XU Kai-Yun， WEI Shu-Cheng， WANG Mu-Lan， DING Zuo-Wu (Nanjing Institute of Technology， Nanjing Jiangsu 211167， China) Abstract： In this paper， the fully digital solar intelligent car control system based AVR single-chip microcomputer is constructed. Given the design of intelligent car controller， AVR single-chip microcomputer control system can be obtained by the direct current solar cells for ef fective storage and a reasonable conversion， for the use of intelligent Car， and carried out the battery overcharge and over- ischarge protection， thus extending battery life. The internal resources of the AVR microcontroller are utilized fully in this system ， and the hardware circuit is simplified furthest. Finally， this system can hold the high performance-price-ratio and the reliability. Key words： single-chip microcomputer； solar intelligent car； photovolt； control system