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(yōu)勢?；谔柲軄碓磸V泛、儲量無限、潔凈環(huán)保的優(yōu)點，本項目積極響應(yīng)我國“十一五”規(guī)劃綱要中倡導(dǎo)的“節(jié)能減排”， 構(gòu)建社會主義和諧社會，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。太陽能作為可再生能源應(yīng)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(fā)展方向之一。本太陽能小車將建立由太陽能發(fā)電、蓄能及負(fù)載系統(tǒng)。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(guī)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(jìn)一步改進(jìn)打好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：太陽能汽車；太陽能電池板；蓄電池；電動機(jī)

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)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(yōu)勢?；谔柲軄碓磸V泛、儲量無限、潔凈環(huán)保的優(yōu)點，本項目積極響應(yīng)我國“十一五”規(guī)劃綱要中倡導(dǎo)的“節(jié)能減排”， 構(gòu)建社會主義和諧社會，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。我們大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目小組設(shè)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(jié)合學(xué)校教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生興趣愛好，提高學(xué)生動手能力，靈活運用自己本科階段所學(xué)的知識，更為了為自己以后的工作積累一些經(jīng)驗，在學(xué)校的大力支持下，我們成功地申請了我校大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目，本項目對于本科的創(chuàng)新教育具有一定的示范、啟示作用。也為發(fā)展太陽能汽車的想法提供一定的實踐性和實用性。

1.3設(shè)計任務(wù)

我們小組成員通過合作互助，自學(xué)慎思，并運用所學(xué)知識，結(jié)合當(dāng)前低碳環(huán)保生活，我們制作的太陽能智能小車能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能。通過電腦上位機(jī)能遠(yuǎn)程控制小車前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退等動作；并在惡劣環(huán)境下實時監(jiān)控，還能自動運行；實現(xiàn)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(shè)計

2.1系統(tǒng)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(zhuǎn)化為電能儲存；利用光敏電阻對太陽光進(jìn)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(yīng)用，CMOS攝像頭的使用，成功實現(xiàn)了小車的智能避障，遠(yuǎn)距離無線采集并傳輸圖像，實時監(jiān)控，同時使用Arduino單片機(jī)控制電路和遠(yuǎn)距離無線控制模塊技術(shù)實現(xiàn)對小車行駛的遠(yuǎn)程控制。

2.2按摸塊化設(shè)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(jī)發(fā)送指令，指令信號通過無線模塊傳給下位機(jī)上的接受模塊，使單片機(jī)做出相應(yīng)信號的反應(yīng)。下位機(jī)本項目采用的是北京納克斯機(jī)器人公司的Arduino單片機(jī)控制板（帶驅(qū)動），其基本特點為：處理速度快，兼容性好，自帶驅(qū)動還可以省總系統(tǒng)所需要的驅(qū)動模塊；無線模塊采用NRF905，其基本特點為：接收發(fā)送功能合一，抗干擾性強(qiáng)，信號發(fā)送/接受距離長等特點。

（2）驅(qū)動電路部分

本小車采用四驅(qū)模式，通過電腦上位機(jī)發(fā)出的控制信號，在驅(qū)動電路的作用下，執(zhí)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(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)；可以直接用單片機(jī)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(jī)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(jī)，加續(xù)流二極管做保護(hù)。VSS，VS同接12v電壓供電。

（3）太陽能光伏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成直流電，此時的直流電是不穩(wěn)定的，通過太陽能充放電模塊使之成為可以提供足夠穩(wěn)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(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24%，堅固耐用，使用壽命一般可達(dá)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(jìn)一步學(xué)習(xí)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(dāng)蓄電池的電壓大于給定電壓時，則根據(jù)比例調(diào)整功率管的占空比，充電進(jìn)入慢充階段，改善充電特性，防止過充。有效轉(zhuǎn)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(lián)而成，每個單格的標(biāo)稱電壓為2V，串聯(lián)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(guī)定值，或按額定容量1/10的電流來進(jìn)行。 密封電池可允許的運行范圍為15℃～50℃ ，但5℃～35℃之內(nèi)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(huán)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(jī)控制面板

上位機(jī)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(guān)閉；采集智能小車實時捕獲的視頻并存儲于電腦。

3組裝調(diào)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(qū)動裝置選取等。剛開始想小車底盤自己設(shè)計加工的，后來考慮成本決定是買現(xiàn)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(qū)動而且亞克力面板比較脆很容易發(fā)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(qū)動，于是我們選擇了玻璃絲布板。太陽能扇的驅(qū)動裝置是自己設(shè)計并制作的，通過有機(jī)材料做成的合頁與直流減速電機(jī)結(jié)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(jī)運行時間來調(diào)節(jié)，最后達(dá)到太陽能扇正常工作的目的。通過不斷地進(jìn)行試驗，調(diào)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(xù)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(jié)束語

通過本次課題的研究，我們較好的完成了任務(wù)，并達(dá)到了預(yù)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(tuán)隊的重要性，也非常明白我們現(xiàn)在學(xué)的知識的局限性，更知道了自己的不足。在這個調(diào)試的過程中，遇到很多的問題，有些小的問題，正是實驗素養(yǎng)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(diào)試。由此可見，我們平時還是要抓住學(xué)校給大學(xué)生創(chuàng)建良好創(chuàng)新平臺的機(jī)會，注重實驗技能的培訓(xùn)。

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