太陽能智能小車的研究與制作

阿布都依木江?卡得爾++侯曉霞

摘要：我國地域遼闊有著豐富的太陽能資源，在太陽能利用方面有著很大優勢?；谔柲軄碓磸V泛、儲量無限、潔凈環保的優點，本項目積極響應我國“十一五”規劃綱要中倡導的“節能減排”， 構建社會主義和諧社會，建設資源節約型、環境友好型社會。太陽能作為可再生能源應用廣泛，其中太陽能汽車目前雖然還有許多性能不完善，但是今后是新能源汽車發展方向之一。本太陽能小車將建立由太陽能發電、蓄能及負載系統。通過實驗測量，了解太陽能電池板的基本性能，掌握不同電性能太陽能電池之間的組合方法和規律；掌握了太陽能小車充、放電的效率、時間和其運動特性。為今后進一步改進打好基礎。

關鍵詞：太陽能汽車；太陽能電池板；蓄電池；電動機

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

1項目背景

1.1項目概述

我國地域遼闊有著豐富的太陽能資源，在太陽能利用方面有著很大優勢?；谔柲軄碓磸V泛、儲量無限、潔凈環保的優點，本項目積極響應我國“十一五”規劃綱要中倡導的“節能減排”， 構建社會主義和諧社會，建設資源節約型、環境友好型社會。我們大學生創新計劃項目小組設計并制作了一輛太陽能智能小車。本論文主要闡述該項目的制作過程及收獲。

1.2項目目的

為了結合學校教學改革，培養學生興趣愛好，提高學生動手能力，靈活運用自己本科階段所學的知識，更為了為自己以后的工作積累一些經驗，在學校的大力支持下，我們成功地申請了我校大學生創新計劃項目，本項目對于本科的創新教育具有一定的示范、啟示作用。也為發展太陽能汽車的想法提供一定的實踐性和實用性。

1.3設計任務

我們小組成員通過合作互助，自學慎思，并運用所學知識，結合當前低碳環保生活，我們制作的太陽能智能小車能夠實現如下功能。通過電腦上位機能遠程控制小車前進、左轉、右轉、后退等動作；并在惡劣環境下實時監控，還能自動運行；實現太陽能智能追蹤，自動充電；以及可用220V交流電源充電。

2項目總體方案設計

2.1系統工作原理

將太陽能作為小車主要能量來源，用充電電池把收集到的太陽能轉化為電能儲存；利用光敏電阻對太陽光進行自動、即時跟蹤，大大提高了對太陽能的利用率；紅外傳感器的應用，CMOS攝像頭的使用，成功實現了小車的智能避障，遠距離無線采集并傳輸圖像，實時監控，同時使用Arduino單片機控制電路和遠距離無線控制模塊技術實現對小車行駛的遠程控制。

2.2按摸塊化設計每個單元電路

（1）小車控制部分

操作人員使用電腦上位機發送指令，指令信號通過無線模塊傳給下位機上的接受模塊，使單片機做出相應信號的反應。下位機本項目采用的是北京納克斯機器人公司的Arduino單片機控制板（帶驅動），其基本特點為：處理速度快，兼容性好，自帶驅動還可以省總系統所需要的驅動模塊；無線模塊采用NRF905，其基本特點為：接收發送功能合一，抗干擾性強，信號發送/接受距離長等特點。

（2）驅動電路部分

本小車采用四驅模式，通過電腦上位機發出的控制信號，在驅動電路的作用下，執行此時信號的操作要求。此部分我們采用SGS 公司的L298N，常見的15 腳Multiwatt 封裝。L298N可同時驅動2個二相或1個四相步進電機，內含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅動46V、2A以下的步進電機；可以直接用單片機的IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。IN1～4接單片機控制信號，使能端EA，EB高電平有效，CA，CB接地，OUT1～4分接直流減速電機，加續流二極管做保護。VSS，VS同接12v電壓供電。

（3）太陽能光伏轉換部分

太陽能電池組的選取原理：通過太陽能照射在太陽能電池組上，將太陽能轉換成直流電，此時的直流電是不穩定的，通過太陽能充放電模塊使之成為可以提供足夠穩定的電源電壓。

我們小組選用的是單晶硅太陽能電池板其光電轉換效率為15%左右，最高的達到24%，堅固耐用，使用壽命一般可達15年。此外還有多晶硅太陽能電池板，多元化合物太陽電池板等，有待進一步學習使用。

（4）充電控制器原理

充電控制器采用了斬波式PWM原理，分兩個階段，第一階段為快充階段，第二階段為PWM 階段（慢充階段）。電路采用斬波式PWM 充電原理，檢測蓄電池的充電端電壓，將檢測得到的蓄電池端電壓與給定點電壓比較，若小于給定電壓，斬波器全通，迅速給蓄電池充電； 當蓄電池的電壓大于給定電壓時，則根據比例調整功率管的占空比，充電進入慢充階段，改善充電特性，防止過充。有效轉化并存儲太陽能電池組提供的能量。

（5）蓄電池部分

12V蓄電池均由6個單格電池串聯而成，每個單格的標稱電壓為2V，串聯成12V的電源。蓄電池主要由極板、電解液、格板、電極、殼體等部分組成。蓄電池的初充電電流大小一般按說明書中的規定值，或按額定容量1/10的電流來進行。 密封電池可允許的運行范圍為15℃～50℃ ，但5℃～35℃之內使用可延長電池壽命。長時間存放的電池每6個月必須充電一次，電池必須存放在干燥涼爽的環境；該蓄電池可以不用加液，但定期檢查外殼有無裂縫，電解液有無滲漏等仍為必要的。

2.3上位機控制面板

上位機控制面板功能有：控制小車前，后，左，右運動；控制攝像頭云臺上，下，左，右擺動；控制太陽能扇的打開與關閉；采集智能小車實時捕獲的視頻并存儲于電腦。

3組裝調試

在本項目制作過程中我們遇到了好多問題，比如小車底盤，控制模塊，圖傳模塊等的選取，太陽能扇的制作，和太陽能扇驅動裝置選取等。剛開始想小車底盤自己設計加工的，后來考慮成本決定是買現成的底盤。太陽能扇我們試了兩種材料，第一種是亞克力面板上安裝太陽能電池板，這樣不僅重力不集中，不易驅動而且亞克力面板比較脆很容易發生斷裂；第二種是玻璃絲布板，這種材料不僅通過雕刻把太陽能電池板嵌套在里面，而且重力集中，比較容易驅動，于是我們選擇了玻璃絲布板。太陽能扇的驅動裝置是自己設計并制作的，通過有機材料做成的合頁與直流減速電機結合，以保證速度適中還能使扭矩充分利用，角度可以通過控制電機運行時間來調節，最后達到太陽能扇正常工作的目的。通過不斷地進行試驗，調試，初步測量出本項目在陽光比較充足的條件下充電時間需要5～6個小時，連續工作約7h，行駛距離約5km，最終成功的組裝了功能較完善的太陽能智能小車。

4結束語

通過本次課題的研究，我們較好的完成了任務，并達到了預期的效果。在這個看似簡單的項目制作過程中，我們深深的懂得了團隊的重要性，也非常明白我們現在學的知識的局限性，更知道了自己的不足。在這個調試的過程中，遇到很多的問題，有些小的問題，正是實驗素養不夠造成的，正是這些小的問題困擾乃至浪費我們的時間精力都多過了編寫程序的調試。由此可見，我們平時還是要抓住學校給大學生創建良好創新平臺的機會，注重實驗技能的培訓。

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