林少帅 谢 勇 赵齐齐 郭志波

（扬州大学信息工程学院 江苏 扬州 225127）

0 引言

地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的绿色新能源越来越受到重视。太阳能智能电动小车是一种环保型代步工具，它利用光伏效应，通过太阳能电池把太阳光转化为电能，存储在高能蓄电池中，并利用该电能驱动行驶车辆。本文基于AVR智能控制芯片对小车进行充放电的智能检测控制，并对小车的行驶做出智能控制。

1 太阳能小车总体系统结构

图1 系统框图

太阳能智能小车系统框图如图1所示，由太阳能电池板、蓄电池、充电电路、驱动和电机构成的动力系统组成，而由单片机、红外传感器及遥控器构成控制系统。

当光伏电池电压值大于蓄电池电压值时，控制器利用太阳能给蓄电池进行充电，同时给负载供电。在充电的同时，系统对太阳能阵列、蓄电池、负载进行监控和管理，对蓄电池采取了防过充保护措施。当光伏电池电压值较低时，充电电路不工作，由蓄电池直接给负载供电。当蓄电池电压值较低时，蓄电池本身带有防过放的功能，能够切断负载电路，防止蓄电池过放。红外遥控器发射遥控码，通过红外一体管接收遥控码，经过程序识别，可以控制小车做前进、后退、左拐、右拐以及智能避障等动作。

2 系统硬件设计

2.1 小车底盘

小车在行驶的过程中，需要加载太阳能电池板，并且根据红外避障传感器避开障碍物，所以小车要有较强的电机扭矩，并且需要坚固的车身，要求车身材料易于钻孔，方便安装单片机最小系统、电动机驱动电路模块以及红外避障传感器等单元模块。根据这些要求，决定选用有机玻璃作车身，采用铝合金电机固定座，后轮采用双电机驱动模式，选择金属齿轮大扭矩减速电机作驱动电机，前轮采用万向轮支撑，其中金属齿轮大扭矩减速电机的扭力6kg*cm，额定转速是150r/min，额定电压是6V，额定电流为500mA。这样小车的负重能力可以达到5kg，足以载动太阳能电池板等硬件模块。

2.2 单片机最小系统

单片机最小系统采用AVR单片机中的Atmega16，其最小系统包括复位电路、ISP接口、JTAG接口、PA～PD四个端口全部引出，支持JTAG仿真。其中PA～PD四个端口全部引出，便于应用或连接外围设备，在进行实验时只需要使用排线和外围设备连接即可。预留有ISP接口，可以使用相应的ISP下载线向Atmega16L芯片中写入程序。

2.3 电机驱动模块

电机驱动芯片采用L298N双H桥直流电机驱动芯片，驱动电路如图2所示。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种两相和四相电机的专用驱动器，即内涵两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

图2 电机驱动电路图

图2中，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机。IN1、IN2、IN3、IN4引脚从单片机接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。电机采用PWM调速的方法，其原理是开关管在一个周期内的导通时间为t，周期为T，则电机两端的平均电压U=Vcc*(t/T)=αVcc。其中α为占空比，Vcc是电源电压。电机的转速与电机两端的电压成比例关系，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的转速与占空比成比例，占空比越大电机转得越快。 另外采用7085稳压芯片稳定输出一个+5v的直流电压，供单片机使用。

2.4 远距离红外避障模块

为了使小车能够实现自动避障功能，我们在小车的车前安装了三个红外避障传感器，该传感器的检测距离为2-80cm，可以通过模块上的电位器调节检测距离。传感器检测到有障碍物时，输出TTL低电平信号，无障碍物时输出高电平信号。单片机可以根据输出信号做出相应判断。另外模块上附有使能端，低电平有效，可以根据需要选择要检测的传感器。

2.5 红外遥控装置

红外遥控的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同几种遥控码互相干扰。后16位为8位操作码及其反码。这种遥控码采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控码也不同。遥控码由一个起始码（9ms），一个结果码（4.5ms），低8位地址码，高8位地址码，8位数据码和这8位数据码的反码组成。通过一体化红外接收器接收遥控器发射出来的红外脉冲波，然后由程序识别是否有按键按下以及按下的是那个键，然后根据程序对按键的定义，对不同按键做出相应的反应。

2.6 充电电路设计

图3 充电电路模块

由于太阳能电池板输出电压不稳定且输出电压比蓄电池高的多。故需降压电路得到稳定且比蓄电池电压稍高的电压给蓄电池充电。充电主电路采用BUCK变换器，由UC3845、TL431构成闭环控制，同时使用光耦合隔离技术保证控制电路与功率电路安全隔离，最终达到输出稳定的电压。本设计装置还具有过流、过压保护功能，当过压或过流时通过反馈使UC3845的6脚输出波形的占空比减小，从而达到过流过压保护作用。随着充电的进行，蓄电池两端电压不断升高，为防止电池过充，用单片机检测蓄电池两端电压。当蓄电池两端电压过高时，port1输出为高电平，由于光耦作用，IC3的第3端为高电平，可使D2的阴极电位大于1V，即UC3845的3脚大于1V，封锁UC3845的6脚输出，此时即停止对蓄电池的充电。

图4 程序设计框图

3 系统软件设计

根据系统要求，程序设计框图如图4所示。

本系统采用Atmega16做控制芯片，其内部带有模数转换模块，可以方便对充电电压进行检测，从而实现过充保护。另外两个电机的转速控制是通过PWM调压实现的，而Atmega16的定时器有相位修正的PWM功能，可以在相应的定时中断中修改占空比，从而控制电机转速。实验通过红外遥控，进而对小车进行运动控制，其中有五个可调用函数，分别是前进函数、后退函数、左拐函数、右拐函数以及自动避障函数，红外遥控实现对调用函数的选择。在阳光充足情况下可实现不间断行驶，电路工作稳定可靠，有很好的应用前景。

［1］王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5 版.机械工业出版社.

［2］路秋生.常用充电器电路与应用[M].机械工业出版社.

［3］海涛.Atmega系列单片机原理及应用[M].机械工业出版社.

［4］沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].化学工业出版社.