隋美丽，龙建，刘敏杰，杨立平

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）



太阳能光伏电动小车嵌入式系统设计

隋美丽，龙建，刘敏杰，杨立平

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）

摘 要：文章应用硬件和软件结合的方法，设计了简易的太阳能光伏电动小车，并实现了该小车的运动控制。该小车可太阳能供电，具有前进、后退、左转、右转、加速、减速的基本功能，且能根据光照情况实现前后轮电机供电在光伏板与蓄电池的之间切换，并保持电源供电电压的稳定。

关键词：太阳能；嵌入式系统；电动车

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

随着社会总体实力的快速发展，世界汽车领域也得到了空前的发展，汽车保有量不断上升，极大的消耗了有限资源，同时也造成周围环境的污染。在我国，70%的大气污染物来自汽车废弃的排放，这就成为了经济可持续发展的一个严重的环境污染问题。因此，改变能源消耗，充分利用可持续发展的能源，大力发展洁净、可再生能源已成为世界各国的能源发展战略，太阳能以清洁、环保、可再生的特点越来越受到的高度重视[1][2][3]。

国内外对太阳能交通工具的研究方兴未艾，世界各国都在不断的探索和研究。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。清华大学学生自主研制出“追日”号太阳能汽车；上海交通大学设计制造出“思源”号太阳能电动车；2008年，北京奥运会成功使用太阳能观光游览车等[4]。未来几年，随着光伏技术转换率的不断提高，对究太阳能汽车研究越来越多，这为太阳能应用汽车领域的发展开辟了新的篇章[5]。

本文介绍了一种采用太阳能供电的自动控制小车的嵌入式系统设计，实现了该小车的供电控制和运动控制。

1、太阳能光伏电动小车控制硬件系统设计

根据小车设计需具备前进、后退、左转、右转、加速、减速的基础功能，并采用具有外部晶振的最小系统设计。为实现到整个系统的简单、方便性，控制模块采用ATmega16作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，很强的扩展性，使用灵活性和实用性，同时操作方便，价格低廉的特点[5]。系统控制框图如图1所示。

图1 总体结构框图

1.1 开发硬件及软件需求

硬件需求：计算机、单片机、太阳能电池板、红外遥控器等。

软件需求：在AVR Studio环境中，新建一个工程；然后在该工程下编辑汇编代码，并调试执行；最后下载到单片机中独立运行。

在ICCAVR集成环境中编写C语言程序，编译后利用AVR Studio进行调试、运行，最后下载执行。

AVR Studio环境：

（1）项目的建立和程序的编写下载。

（2）芯片类型选择。

（3）汇编语言的编。

（4）程序的调。

（5）单步跟。

（6）特别注意通过窗口观察寄存器、IO和堆栈的状态变化。

（7）程序的下载。

（8）计算机与目标板的物理连接方式。

（9）连接端口的选择、下载存储器的选择。

1.2 SPGT62C19B 电机控制及模组

该电动小车的能量来源于太阳能光伏板。电动小车为四轮结构，前面两个车轮为转向轮，后面两个车轮为驱动轮。实现小车运动主要由两个电机实现，其中一个为前轮直流电机，通过齿轮齿条结构与转向横拉杆相连，通过前轮左右偏转实现小车前进方向的控制；另一个为后轮步进电机，通过与主减速器相连带动差速器驱动半轴，实现对车轮运动的控制。

1.2.1 前轮电机控制

模组配备的前轮电机为微型直流电机，型号为310CA，工作电压3V-12V，在5V电压下空载转速约4000转/分，空载电流约20mA，堵转电流约300mA。该电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。该电机的速度调节采用PWM调速方法，通过改变两端的电压方波的占空比实现对电机转速的调节。

1.2.2 后轮电机控制

模组配备的后轮电机为永磁步进电机，型号为35BYJ26，工作方式为双极性两相四拍。为实现步进电机控制，采用的是低电压单片式步进电机驱动器集成电路芯片SPGT62 C19B，其输出电压可达40V，输出电流可达750mA，由输入的逻辑电平来决定输出脉冲的宽度及频率。SPGT62C19B的内部控制电机电路原理如图2所示。输入控制信号经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分进行处理并驱动晶体管，最后由OUT端口输出驱动信号以控制电机的运行。并通过设定PHASE1的逻辑电平，即可实现电机的正反转控制。

图2 电机控制电路原理

为使步进电机获得更大的转动力矩和更高的精度，电机内部加入了变速齿轮组的减速装置，该变速齿轮组减小传动比为至1/64。这样，步进电机每接收到一个脉冲信号，输出转动的角度（即步距角）可以达到15°的1/64。

1.3 AVR 单片机控制系统

考虑到操纵小车的方便性，以AVR单片机为核心。根据小车的运行情况、太阳光照度强弱，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ATmegal6单片机为控制核心，实时监控其两端电压值。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。

（2）ATmegal6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，通过单片机PORTB端口的输出信号控制太阳能光伏小车完成前进和后退等动作。另外，单片机PORTB端口输出的PWM方波信号控制小车车速，加速过程占空比由56%到94%；减速过程占空比由56%到12%。

（3）最小系统。为实现该电动小车的功能，采用的最小系统设计，最小系统框图3所示。

图3 单片机最小系统

1.4 供电系统

该小车采用太阳能供电系统，利用光伏发电原理，光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。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。本装置中选用的太阳能电池18个太阳能电池板串联成一组。使太阳能电池列阵输出电压达到9V，输出电流约0.3A。与此相配备的蓄电池为镍氢电池，型号为SN NI-MH，其主要技术指标：额定容量为900mAh，标准电压为1.2V，如果将5个蓄电池串联成一组,输出电压将达到1.2Vx5=6V。

1.5 LM7805 稳压电源电路

为实现小车运动电机供电的稳定性，该控制系统使用了LM7805 稳压电源电路，用LM78/系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7805表示输出电压为正5V。稳压电路图如图4所示。其中C1为输入滤波电容，C2为LM7805稳压集成电路输出滤波电容，它用于稳定LM7805内部放大器的工作状态，最低电压为5V，最高电压5.2V。

图4 LM7805电路图

2、太阳能光伏电动小车控制软件系统设计

图5 小车控制流程图

整个控制系统软件采用了C语言和汇编语言混合编写，并且主要由主程序和定时中断服务程序组成。控制流程图如图5所示。

3、结论

该小车能源供应采用的是太阳能光伏板将太阳能，采用ATmega16作为主控制芯片，实现小车运动控制，供电电源控制和电源稳压控制，功能如下。

（1）该太阳能光伏小车前轮转向使用微型直流电机，后轮驱动使用永磁步进电机，采用集成芯片SPGT62C19B对的运动电机控制，使小车实现了前进，后退，向左，向右的运动功能；

（2）该系统能够实现在不同的光照情况，根据光伏板的发电量转换电机的供电电源，当有足够的光照强度时，光伏板直接给小车电机供电，并将多余电量给蓄电池充电，光照强度弱时，由蓄电池给小车电机供电；

（3）该系统采用LM7805 稳压电源电路，实现了运动电机供电电压最高5.2V，最低5V的稳压控制。

参考文献

[1] 赵玉文.中国光伏技术概况和发展趋势[J].中美洁净能源技术论坛,2001:10-15

[2] 赵春江,杨金焕,陈中华等．太阳能光伏发电应用的现状及发展[J].节能技术,2007,25(5):461-465.

[3] 史玉茜. 绿色环保汽车—太阳能汽车[J].节能技术,2009,27(1): 78-82.

[4] 张晓东.太阳能电动车模型设计[D]．吉林:沈阳理工大学,2011．

[5] 张琪,黄东,郑宏飞.太阳能在汽车上应用的前景与挑战[J].太阳能,2006(4)．

[6] 张毅刚,彭喜元,彭宇. 单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2010.5.

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

基金项目：北京电子科技职业学院 科技类重点基金(YZKB2014003)。

作者简介：隋美丽，讲师，博士。就职于北京电子科技职业学院汽车工程学院。主要从事汽车电子、车辆工程等方面的研究。

中图分类号：U469.7

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)02-133-03