太陽(yáng)能小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 健 蔣全勝 任玲芝

（巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

太陽(yáng)能小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 健 蔣全勝 任玲芝

（巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

介紹了一種自動(dòng)避障、追光和太陽(yáng)能充電的小車設(shè)計(jì)，其智能控制系統(tǒng)保證：小車能自動(dòng)向著光源方向行進(jìn)，途中遇到障礙能自動(dòng)繞開(kāi)并繼續(xù)前進(jìn)；車身放置了太陽(yáng)能板充電系統(tǒng)，太陽(yáng)能板能自動(dòng)尋光，在小車行進(jìn)過(guò)程中始終對(duì)準(zhǔn)光源對(duì)電池進(jìn)行充電，即保持充電功率的最大化，同時(shí)對(duì)當(dāng)前的充電狀態(tài)進(jìn)行了顯示.文中給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì).

太陽(yáng)能智能小車；自動(dòng)避障；自動(dòng)追光

1 引言

近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能交通工具的研究方興未艾，與傳統(tǒng)的交通工具相比，太陽(yáng)能汽車具有清潔、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，可以說(shuō)是真正“零排放”的交通工具[1].輪式智能小車是目前移動(dòng)機(jī)器人常用的一種形式，被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代制造企業(yè)中.智能小車的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)涉及控制、傳感技術(shù)、電子電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科.開(kāi)展自主循跡智能小車的研究工作，對(duì)促進(jìn)控制、機(jī)電、汽車、電子等學(xué)科的發(fā)展，具有良好推動(dòng)作用[2].

智能小車是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)[3].文中設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能智能小車具備如下功能：一是小車自動(dòng)檢測(cè)光源，向著光源方向行進(jìn)，在途中檢測(cè)障礙物并繞開(kāi)繼續(xù)前進(jìn)；二是車身放置了太陽(yáng)能板充電系統(tǒng)，在小車行進(jìn)過(guò)程中系統(tǒng)檢測(cè)光源方向，并始終讓太陽(yáng)能板正對(duì)光源，對(duì)電池進(jìn)行充電，即保持充電功率的最大化，同時(shí)對(duì)當(dāng)前的充電狀態(tài)進(jìn)行顯示[4].通過(guò)對(duì)功能的分析，可以看出，實(shí)現(xiàn)這樣的小車，需要使用多路和多種傳感器檢測(cè)環(huán)境因素，再利用傳感器采集的數(shù)據(jù)制定決策，控制小車的不同行為.

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能要求可將系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)：一是小車控制系統(tǒng)，即小車的驅(qū)動(dòng)、追光和避障，另一是尋光充電系統(tǒng)，即太陽(yáng)能板的尋光和對(duì)蓄電池的充電以及充電狀態(tài)的顯示.在主控制芯片的選擇上采用STC89C52單片機(jī)，考慮到這兩個(gè)子系統(tǒng)可相互獨(dú)立且一片單片機(jī)的I/O口不夠用，故使用兩片單片機(jī)將之分別加以實(shí)現(xiàn).圖1是系統(tǒng)的總體框圖.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計(jì)在實(shí)際中大都有多種方案，表1是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的各方案的對(duì)比，從而確定可行的硬件設(shè)計(jì).

圖1 系統(tǒng)總體框圖

表1 系統(tǒng)各硬件模塊方案

3.1 系統(tǒng)電源

為保證能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常工作，系統(tǒng)采用兩塊大容量鋰電池串聯(lián)供電，以獲得較大的電壓和電流.同時(shí)單片機(jī)等元器件需要的5V電壓是由此電源經(jīng)過(guò)7805穩(wěn)壓得到的，見(jiàn)圖2.

3.2 驅(qū)動(dòng)模塊

太陽(yáng)能板和小車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)都使用了步進(jìn)電機(jī).步進(jìn)電機(jī)的四相控制線分別由一對(duì)三極管構(gòu)成的達(dá)林頓管來(lái)驅(qū)動(dòng).各相的通斷由單片機(jī)來(lái)控制從而保持小車的正確行進(jìn).如圖3（圖上的是右車輪的驅(qū)動(dòng)電路，左車輪和支桿的與此類似）.

3.3 光源檢測(cè)模塊

小車追光和太陽(yáng)能板尋光都采用了光敏電阻[7]來(lái)檢測(cè)光源方向.其原理如圖4所示：由運(yùn)放LM324組成電壓比較器，當(dāng)光敏電阻R15受到光照，運(yùn)放+端壓降減小至小于-端電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低電平；反之光敏電阻未受到光照或光照弱，運(yùn)放輸出高電平.以此判斷光源方向.另外系統(tǒng)要求當(dāng)小車到達(dá)離光源一定位置后應(yīng)停止前進(jìn)，這只需調(diào)節(jié)變阻器R13至合適位置即可達(dá)到.

圖4 光信號(hào)檢測(cè)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(cè)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示：發(fā)射部分采用555定時(shí)器產(chǎn)生38kHz方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)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(shí)，接收頭輸出保持高電平；在距離臨近時(shí)，接收頭接收到反射回來(lái)的單一頻率的紅外信號(hào)后，輸出低電平.但在一定距離范圍內(nèi)，接收信號(hào)有所不穩(wěn)定，所以采用了電容電阻進(jìn)行消振，除去干擾.同時(shí)用二極管的0.7V管壓降進(jìn)一步減弱近光源干擾.此方案電路體積小，單片機(jī)需要進(jìn)行的運(yùn)算處理少.

3.5 太陽(yáng)能充電及其顯示模塊

利用太陽(yáng)能板給3節(jié)5號(hào)電池充電，用ADC0832采集電壓電流送給單片機(jī)進(jìn)行一定的處理，并通過(guò)LCD12864顯示實(shí)時(shí)的充電狀態(tài)，原理如圖6所示.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

開(kāi)機(jī)后，首先小車在原地自動(dòng)完成尋光功能，確定光源方向后，開(kāi)始向著光源行進(jìn).行進(jìn)過(guò)程中檢測(cè)障礙物，如果障礙物臨近，小車會(huì)繞過(guò)障礙物后繼續(xù)前進(jìn).小車以及太陽(yáng)能板始終在檢測(cè)光源，保證行進(jìn)方向的正確和太陽(yáng)能板正對(duì)光源.當(dāng)小車行至光源較近距離處停下，然后等待5秒轉(zhuǎn)頭逆行且保持前述的功能，到達(dá)一定位置時(shí)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(yáng)能板尋光充電的流程框圖.

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)根據(jù)上述軟硬件設(shè)計(jì)制作的小車進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了智能小車的功能.它具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高、實(shí)時(shí)控制性能好等優(yōu)點(diǎn).圖8為小車實(shí)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(qiáng)抗干擾性）和LCD的顯示效果圖.此小車還有許多可改進(jìn)和改造之處，比如其中的太陽(yáng)能電池不足以提供系統(tǒng)工作需要的能源，可增加太陽(yáng)能電池板，利用收集和轉(zhuǎn)化的電能驅(qū)動(dòng)小車，實(shí)現(xiàn)真正意義上的太陽(yáng)能小車.這些值得進(jìn)一步研究.

[1]徐開(kāi)蕓，韋樹(shù)成，汪木蘭，丁左武.基于AVR單片機(jī)的太陽(yáng)能智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新.2010，23（1）.

[2]鄧志輝,朱江.基于ATmega8515的輪式智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備.2010,（2）.

[3]朱孟強(qiáng),盧博友,雷永鋒,周茂雷.基于ARM的智能機(jī)器人小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2008,24（2）.

[4]自動(dòng)追光自動(dòng)避障電動(dòng)小車.2010年安徽省電子設(shè)計(jì)競(jìng)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(jī)的超聲波測(cè)距避障小車[J].機(jī)電信息.2010,（24）.

[6]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)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(jī)模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào).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?。?985-），男，安徽巢湖人。助教，碩士，研究方向：電子專業(yè)的教學(xué)與科研

責(zé)任編輯：宏 彬