太陽能小車智能控制系統的設計

李 健 蔣全勝 任玲芝

（巢湖學院電子工程與電氣自動化學院，安徽 巢湖 238000）

太陽能小車智能控制系統的設計

李 健 蔣全勝 任玲芝

（巢湖學院電子工程與電氣自動化學院，安徽 巢湖 238000）

介紹了一種自動避障、追光和太陽能充電的小車設計，其智能控制系統保證：小車能自動向著光源方向行進，途中遇到障礙能自動繞開并繼續前進；車身放置了太陽能板充電系統，太陽能板能自動尋光，在小車行進過程中始終對準光源對電池進行充電，即保持充電功率的最大化，同時對當前的充電狀態進行了顯示.文中給出了系統的軟硬件設計.

太陽能智能小車；自動避障；自動追光

1 引言

近年來，光伏產業發展迅速，國內外對太陽能交通工具的研究方興未艾，與傳統的交通工具相比，太陽能汽車具有清潔、環保和可持續發展等優點，可以說是真正“零排放”的交通工具[1].輪式智能小車是目前移動機器人常用的一種形式，被廣泛應用到現代制造企業中.智能小車的設計與開發涉及控制、傳感技術、電子電氣、計算機、機械等多個學科.開展自主循跡智能小車的研究工作，對促進控制、機電、汽車、電子等學科的發展，具有良好推動作用[2].

智能小車是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合系統[3].文中設計的太陽能智能小車具備如下功能：一是小車自動檢測光源，向著光源方向行進，在途中檢測障礙物并繞開繼續前進；二是車身放置了太陽能板充電系統，在小車行進過程中系統檢測光源方向，并始終讓太陽能板正對光源，對電池進行充電，即保持充電功率的最大化，同時對當前的充電狀態進行顯示[4].通過對功能的分析，可以看出，實現這樣的小車，需要使用多路和多種傳感器檢測環境因素，再利用傳感器采集的數據制定決策，控制小車的不同行為.

2 系統總體結構

根據功能要求可將系統分成兩個子系統：一是小車控制系統，即小車的驅動、追光和避障，另一是尋光充電系統，即太陽能板的尋光和對蓄電池的充電以及充電狀態的顯示.在主控制芯片的選擇上采用STC89C52單片機，考慮到這兩個子系統可相互獨立且一片單片機的I/O口不夠用，故使用兩片單片機將之分別加以實現.圖1是系統的總體框圖.

3 系統硬件設計

系統各模塊的硬件設計在實際中大都有多種方案，表1是在實驗的基礎上進行的各方案的對比，從而確定可行的硬件設計.

圖1 系統總體框圖

表1 系統各硬件模塊方案

3.1 系統電源

為保證能驅動步進電機正常工作，系統采用兩塊大容量鋰電池串聯供電，以獲得較大的電壓和電流.同時單片機等元器件需要的5V電壓是由此電源經過7805穩壓得到的，見圖2.

3.2 驅動模塊

太陽能板和小車車輪的轉動都使用了步進電機.步進電機的四相控制線分別由一對三極管構成的達林頓管來驅動.各相的通斷由單片機來控制從而保持小車的正確行進.如圖3（圖上的是右車輪的驅動電路，左車輪和支桿的與此類似）.

3.3 光源檢測模塊

小車追光和太陽能板尋光都采用了光敏電阻[7]來檢測光源方向.其原理如圖4所示：由運放LM324組成電壓比較器，當光敏電阻R15受到光照，運放+端壓降減小至小于-端電壓時，運放輸出低電平；反之光敏電阻未受到光照或光照弱，運放輸出高電平.以此判斷光源方向.另外系統要求當小車到達離光源一定位置后應停止前進，這只需調節變阻器R13至合適位置即可達到.

圖4 光信號檢測電路

圖5 紅外避障電路

3.4 避障模塊

小車避障利用紅外檢測實現，如圖5所示：發射部分采用555定時器產生38kHz方波信號驅動紅外發射管，接收部分采用紅外一體化接收頭.此方法可有效避免光源中紅外線的影響.未接近障礙物時，接收頭輸出保持高電平；在距離臨近時，接收頭接收到反射回來的單一頻率的紅外信號后，輸出低電平.但在一定距離范圍內，接收信號有所不穩定，所以采用了電容電阻進行消振，除去干擾.同時用二極管的0.7V管壓降進一步減弱近光源干擾.此方案電路體積小，單片機需要進行的運算處理少.

3.5 太陽能充電及其顯示模塊

利用太陽能板給3節5號電池充電，用ADC0832采集電壓電流送給單片機進行一定的處理，并通過LCD12864顯示實時的充電狀態，原理如圖6所示.

4 系統軟件設計

開機后，首先小車在原地自動完成尋光功能，確定光源方向后，開始向著光源行進.行進過程中檢測障礙物，如果障礙物臨近，小車會繞過障礙物后繼續前進.小車以及太陽能板始終在檢測光源，保證行進方向的正確和太陽能板正對光源.當小車行至光源較近距離處停下，然后等待5秒轉頭逆行且保持前述的功能，到達一定位置時停止.圖7給出小車追光避障 （小車逆光行駛部分未給出，原理類似）和太陽能板尋光充電的流程框圖.

5 結束語

對根據上述軟硬件設計制作的小車進行實地測試，結果達到了預期效果，實現了智能小車的功能.它具有硬件電路簡單、成本低廉、可靠性高、實時控制性能好等優點.圖8為小車實物圖（圖中光敏電阻用小紙筒套住，避免周圍光亮的干擾，增強抗干擾性）和LCD的顯示效果圖.此小車還有許多可改進和改造之處，比如其中的太陽能電池不足以提供系統工作需要的能源，可增加太陽能電池板，利用收集和轉化的電能驅動小車，實現真正意義上的太陽能小車.這些值得進一步研究.

[1]徐開蕓，韋樹成，汪木蘭，丁左武.基于AVR單片機的太陽能智能小車控制系統設計[J].機電產品開發與創新.2010，23（1）.

[2]鄧志輝,朱江.基于ATmega8515的輪式智能小車控制系統的設計[J].農業科技與裝備.2010,（2）.

[3]朱孟強,盧博友,雷永鋒,周茂雷.基于ARM的智能機器人小車控制系統設計[J].微計算機信息.2008,24（2）.

[4]自動追光自動避障電動小車.2010年安徽省電子設計競賽B題.http://ahedc.eei.edu.cn/uploads/uploads/soft/100903/2010ST_B.doc.

[5]張雷,王志鵬.基于AT89S52單片機的超聲波測距避障小車[J].機電信息.2010,（24）.

[6]康華光.電子技術基礎(數字部分)(第五版)[M].北京：高等教育出版社.2006.

[7]林建平,吳必瑞,葉德柱.基于單片機模擬路燈控制系統的設計[J].河南工程學院學報.2010,22（4）.

DESIGN OF A SOLAR INTELLIGENT CAR

LI Jian JIANG Quan-sheng REN Ling-zhi
（Department of Physics and Electronics,Chaohu College,Chaohu Anhui 238000）

The paper introduces the design of a solar intelligent car,its control system can promise:the car runs automatically towards the light.It also can detect and avoid the barrier on its way automatically;A solar panel charging system is located on the car.The solar panel can search light automatically so as to keep facing to the light and the charging power being maximum when the car is running.The charging status is displayed during the process.The paper gives hardware and software designs of the system.

solar intelligent car;automatic avoiding barrier;automatic following light

TP23

A

1672－2868（2011）06－0070－05

2011-9-17

李健（1985-），男，安徽巢湖人。助教，碩士，研究方向：電子專業的教學與科研

責任編輯：宏 彬