太阳能智能小车的研究与制作

摘要：我国地域辽阔有着丰富的太阳能资源，在太阳能利用方面有着很大优势。基于太阳能来源广泛、储量无限、洁净环保的优点，本项目积极响应我国“十一五”规划纲要中倡导的“节能减排”， 构建社会主义和谐社会，建设资源节约型、环境友好型社会。太阳能作为可再生能源应用广泛，其中太阳能汽车目前虽然还有许多性能不完善，但是今后是新能源汽车发展方向之一。本太阳能小车将建立由太阳能发电、蓄能及负载系统。通过实验测量，了解太阳能电池板的基本性能，掌握不同电性能太阳能电池之间的组合方法和规律；掌握了太阳能小车充、放电的效率、时间和其运动特性。为今后进一步改进打好基础。

关键词：太阳能汽车；太阳能电池板；蓄电池；电动机

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

1项目背景

1.1项目概述

我国地域辽阔有着丰富的太阳能资源，在太阳能利用方面有着很大优势。基于太阳能来源广泛、储量无限、洁净环保的优点，本项目积极响应我国“十一五”规划纲要中倡导的“节能减排”， 构建社会主义和谐社会，建设资源节约型、环境友好型社会。我们大学生创新计划项目小组设计并制作了一辆太阳能智能小车。本论文主要阐述该项目的制作过程及收获。

1.2项目目的

为了结合学校教学改革，培养学生兴趣爱好，提高学生动手能力，灵活运用自己本科阶段所学的知识，更为了为自己以后的工作积累一些经验，在学校的大力支持下，我们成功地申请了我校大学生创新计划项目，本项目对于本科的创新教育具有一定的示范、启示作用。也为发展太阳能汽车的想法提供一定的实践性和实用性。

1.3设计任务

我们小组成员通过合作互助，自学慎思，并运用所学知识，结合当前低碳环保生活，我们制作的太阳能智能小车能够实现如下功能。通过电脑上位机能远程控制小车前进、左转、右转、后退等动作；并在恶劣环境下实时监控，还能自动运行；实现太阳能智能追踪，自动充电；以及可用220V交流电源充电。

2项目总体方案设计

2.1系统工作原理

将太阳能作为小车主要能量来源，用充电电池把收集到的太阳能转化为电能储存；利用光敏电阻对太阳光进行自动、即时跟踪，大大提高了对太阳能的利用率；红外传感器的应用，CMOS摄像头的使用，成功实现了小车的智能避障，远距离无线采集并传输图像，实时监控，同时使用Arduino单片机控制电路和远距离无线控制模块技术实现对小车行驶的远程控制。

2.2按摸块化设计每个单元电路

（1）小车控制部分

操作人员使用电脑上位机发送指令，指令信号通过无线模块传给下位机上的接受模块，使单片机做出相应信号的反应。下位机本项目采用的是北京纳克斯机器人公司的Arduino单片机控制板（带驱动），其基本特点为：处理速度快，兼容性好，自带驱动还可以省总系统所需要的驱动模块；无线模块采用NRF905，其基本特点为：接收发送功能合一，抗干扰性强，信号发送/接受距离长等特点。

（2）驱动电路部分

本小车采用四驱模式，通过电脑上位机发出的控制信号，在驱动电路的作用下，执行此时信号的操作要求。此部分我们采用SGS 公司的L298N，常见的15 脚Multiwatt 封装。L298N可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机；可以直接用单片机的IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。IN1～4接单片机控制信号，使能端EA，EB高电平有效，CA，CB接地，OUT1～4分接直流减速电机，加续流二极管做保护。VSS，VS同接12v电压供电。

（3）太阳能光伏转换部分

太阳能电池组的选取原理：通过太阳能照射在太阳能电池组上，将太阳能转换成直流电，此时的直流电是不稳定的，通过太阳能充放电模块使之成为可以提供足够稳定的电源电压。

我们小组选用的是单晶硅太阳能电池板其光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，坚固耐用，使用寿命一般可达15年。此外还有多晶硅太阳能电池板，多元化合物太阳电池板等，有待进一步学习使用。

（4）充电控制器原理

充电控制器采用了斩波式PWM原理，分两个阶段，第一阶段为快充阶段，第二阶段为PWM 阶段（慢充阶段）。电路采用斩波式PWM 充电原理，检测蓄电池的充电端电压，将检测得到的蓄电池端电压与给定点电压比较，若小于给定电压，斩波器全通，迅速给蓄电池充电； 当蓄电池的电压大于给定电压时，则根据比例调整功率管的占空比，充电进入慢充阶段，改善充电特性，防止过充。有效转化并存储太阳能电池组提供的能量。

（5）蓄电池部分

12V蓄电池均由6个单格电池串联而成，每个单格的标称电压为2V，串联成12V的电源。蓄电池主要由极板、电解液、格板、电极、壳体等部分组成。蓄电池的初充电电流大小一般按说明书中的规定值，或按额定容量1/10的电流来进行。 密封电池可允许的运行范围为15℃～50℃ ，但5℃～35℃之内使用可延长电池寿命。长时间存放的电池每6个月必须充电一次，电池必须存放在干燥凉爽的环境；该蓄电池可以不用加液，但定期检查外壳有无裂缝，电解液有无渗漏等仍为必要的。

2.3上位机控制面板

上位机控制面板功能有：控制小车前，后，左，右运动；控制摄像头云台上，下，左，右摆动；控制太阳能扇的打开与关闭；采集智能小车实时捕获的视频并存储于电脑。

3组装调试

在本项目制作过程中我们遇到了好多问题，比如小车底盘，控制模块，图传模块等的选取，太阳能扇的制作，和太阳能扇驱动装置选取等。刚开始想小车底盘自己设计加工的，后来考虑成本决定是买现成的底盘。太阳能扇我们试了两种材料，第一种是亚克力面板上安装太阳能电池板，这样不仅重力不集中，不易驱动而且亚克力面板比较脆很容易发生断裂；第二种是玻璃丝布板，这种材料不仅通过雕刻把太阳能电池板嵌套在里面，而且重力集中，比较容易驱动，于是我们选择了玻璃丝布板。太阳能扇的驱动装置是自己设计并制作的，通过有机材料做成的合页与直流减速电机结合，以保证速度适中还能使扭矩充分利用，角度可以通过控制电机运行时间来调节，最后达到太阳能扇正常工作的目的。通过不断地进行试验，调试，初步测量出本项目在阳光比较充足的条件下充电时间需要5～6个小时，连续工作约7h，行驶距离约5km，最终成功的组装了功能较完善的太阳能智能小车。

4结束语

通过本次课题的研究，我们较好的完成了任务，并达到了预期的效果。在这个看似简单的项目制作过程中，我们深深的懂得了团队的重要性，也非常明白我们现在学的知识的局限性，更知道了自己的不足。在这个调试的过程中，遇到很多的问题，有些小的问题，正是实验素养不够造成的，正是这些小的问题困扰乃至浪费我们的时间精力都多过了编写程序的调试。由此可见，我们平时还是要抓住学校给大学生创建良好创新平台的机会，注重实验技能的培训。

参考文献：

[1] 郭天祥.新概念，51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[2] 赵建领等.Protel 99 se设计宝典[M].电子工业出版社，2011.

[3] 程晨. Arduino开发实战指南（AVR篇）[M].机械工业出版社，2012.

[4] 林明献.太阳能电池新技术[M].北京：科学出版社，2012.