楊倩，張秋娟，李璐

（西安思源學(xué)院，陜西西安， 710000）

0 引言

隨著節(jié)能環(huán)保和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，并適應(yīng)汽車智能化和電動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)的具有發(fā)電功能的儲(chǔ)能小車其優(yōu)點(diǎn)在于不用外接電源，只需依靠小車自身的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，采用法拉電容作為儲(chǔ)能元件，符合現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保的時(shí)代要求。發(fā)電儲(chǔ)能小車是一個(gè)集環(huán)境感知，規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。

1 硬件電路

■1.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

MSP430F14X單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一種超低功率微控制器，它有針對(duì)多種應(yīng)用的不同外設(shè)。這種架構(gòu)與5種低功耗模式相組合，專為在便攜式測(cè)量應(yīng)用中延長(zhǎng)電池的使用壽命而優(yōu)化。該單片機(jī)具有內(nèi)置的16位定時(shí)器、24個(gè)支持觸摸感測(cè)的I/O引腳、一個(gè)通用型模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內(nèi)置通信能力。此外，MSP430系列成員還具有一個(gè)10位模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。電壓低，功耗低；運(yùn)行速度快，內(nèi)置硬件乘法器，片內(nèi)集成資源豐富；有兩組普通 IO口具有中斷功能；靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)：兩個(gè)外部時(shí)鐘和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘；低時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信；具有串行在線編程能力，并有強(qiáng)大的中斷功能；ESD 保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)。

圖1 MSP430F14X單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

■1.2 電動(dòng)機(jī)模塊

直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)特性和調(diào)速特性，轉(zhuǎn)矩比較大，直流電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣且平滑，過(guò)載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響小，相比步進(jìn)電機(jī)，直流電機(jī)對(duì)于電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率高，有利于短時(shí)間快速充電。因此選擇直流電機(jī)。

■1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N ，其結(jié)構(gòu)電路圖如圖2所示，通過(guò)接收單片機(jī) I/O 端口的輸出指令，對(duì)其控制電平進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，可以滿足直流電機(jī)的大電流驅(qū)動(dòng)條件。

圖2 驅(qū)動(dòng)模塊電路

■1.4 紅外檢測(cè)模塊

該模塊通過(guò)紅外接收管接收紅外信號(hào)，根據(jù)有無(wú)光照輸出高低不同的電平。在此將采集到的黑白標(biāo)記線脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞到單片機(jī) MSP430F149，單片機(jī)對(duì)接收的脈沖信號(hào)進(jìn)行程序算法轉(zhuǎn)換處理后，輸出到小車上，對(duì)小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，使小車按照要求智能行駛。紅外傳感器輸出信號(hào)可靠，受外界的干擾小，抗干擾能力強(qiáng)。

■1.5 法拉電容

法拉電容又叫黃金電容、超級(jí)電容，充電10s～10min可達(dá)到其額定容量的95%以上。法拉電容的儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的。此次選擇5.5V 10F的電容。該電容充放電穩(wěn)定，但單一儲(chǔ)能較少，采用兩個(gè)電容串聯(lián)，為小車提供儲(chǔ)能。也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次，所以作為一種較好的儲(chǔ)能元件。

■1.6 接口顯示電路

液晶顯示器（LCD）具有省電、體積小以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等，在單片機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用。接口顯示電路如圖3所示。

圖3 接口顯示電路

■1.7 儲(chǔ)能充電模塊

采用法拉電容作為儲(chǔ)能元件，驅(qū)動(dòng)小車行駛，由小車的四個(gè)輪子帶動(dòng)電機(jī)，電機(jī)發(fā)電的過(guò)程中用 LED 指示燈來(lái)顯示充電過(guò)程，電機(jī)輸出的直流電通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后對(duì)電容進(jìn)行充電。其電路如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能充電模塊

2 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

■2.1 設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)由MSP430單片機(jī)為主控制器，用手推小車機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方式給法拉電容充電，法拉電容所儲(chǔ)能量作為小車和控制器的工作電源；小車上裝載紅外探測(cè)器，將感應(yīng)到的信號(hào)反饋給單片機(jī)，進(jìn)行處理后控制小車按直線行駛、圓形循跡線行駛、并能探測(cè)圓形軌跡上的硬幣，每檢測(cè)到一個(gè)硬幣，單片機(jī)的計(jì)數(shù)器加1，從而實(shí)現(xiàn)循跡與硬幣的檢測(cè)，再由液晶顯示板顯示行駛的距離和硬幣數(shù)量。以此完成預(yù)計(jì)的要求。整體系統(tǒng)框架由圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

■2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過(guò)MSP430微控制器來(lái)控制小車運(yùn)動(dòng)，在小車一鍵啟動(dòng)停頓一秒后，主程序?qū)鞲衅鞯男盘?hào)進(jìn)行接收和處理，使小車實(shí)現(xiàn)直線行駛、沿著黑色圓形循跡行駛；在圓形循跡的路線行駛時(shí)，檢測(cè)放置在圓形軌道上的硬幣，每識(shí)別到一個(gè)硬幣，計(jì)數(shù)器加1，并實(shí)時(shí)顯示硬幣個(gè)數(shù)。程序結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 程序結(jié)構(gòu)圖

程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

3 測(cè)試

■3.1 測(cè)試小車及各個(gè)模塊

將組裝好的小車，用萬(wàn)用表對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，確保所有線路連接無(wú)誤，沒(méi)有虛接或斷開(kāi)的情況，電路可靠。并且對(duì)不同模塊的功能進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果正常，焊接、連接都良好。

■3.2 小車充電電路

按照之前設(shè)計(jì)好的原理圖，詳細(xì)的計(jì)算所需的各個(gè)元件參數(shù)。整個(gè)小車的測(cè)試電路如圖8所示?；瑒?dòng)小車產(chǎn)生的電能通過(guò)R1和D1組成的發(fā)光電路顯示，D2是為防止電流倒灌，在回路中串聯(lián)一支二極管D2，充電時(shí)，實(shí)現(xiàn)電流的單向流動(dòng)。法拉電容作為儲(chǔ)能元件，將電能存儲(chǔ)，并為小車提供電源以及為單片機(jī)和芯片供電。

圖8 測(cè)試電路

■3.3 充電測(cè)試

在長(zhǎng)為 100cm 的發(fā)電區(qū)推動(dòng)小車前進(jìn)進(jìn)行儲(chǔ)能，反復(fù)推小車5次后，啟動(dòng)小車，并觀察小車自主行駛距離。按如下 5 步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

(1)檢查電路；(2)手動(dòng)充電；(3)置于地面的指定起始點(diǎn)；(4)一鍵啟動(dòng)；(5)記錄數(shù)據(jù)在表1中。

表1 小車充電后直線行駛距離測(cè)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試，小車平均自主行駛距離為152.7cm。實(shí)驗(yàn)證明，儲(chǔ)能小車充電快、儲(chǔ)能穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

■3.4 循跡行駛測(cè)試

在圓形黑色循跡線上測(cè)試小車循跡行駛能力。反復(fù) 5次發(fā)電儲(chǔ)能后，啟動(dòng)小車，并觀察小車自主行駛距離。按如下 5 步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

(1)完全放電；(2)手動(dòng)充電；(3)置于圓形軌跡的指定起始點(diǎn)；(4)一鍵啟動(dòng)；(5)記錄數(shù)據(jù)在表2中。

表2 小車充電后沿圓形黑色軌跡行駛距離測(cè)試

■3.5 循跡行駛測(cè)試及檢測(cè)硬幣

在圓形黑色循跡線上測(cè)試小車循跡行駛能力并檢測(cè)小車在行駛過(guò)程中是否能檢測(cè)到提前放置在黑線下的硬幣。反復(fù) 5次發(fā)電儲(chǔ)能后，啟動(dòng)小車，并觀察小車自主行駛距離。按如下 5 步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

(1)完全放電；(2)手動(dòng)充電；(3)置于圓形軌跡的指定起始點(diǎn)；(4)一鍵啟動(dòng)；(5)記錄數(shù)據(jù)在表3中。

表 3 充電后在圓形黑色軌跡行駛距離及是否正常檢測(cè)硬幣個(gè)數(shù)

結(jié)果顯示：儲(chǔ)能小車可以正常沿著黑線行駛并能檢測(cè)到硬幣的個(gè)數(shù)，通過(guò)顯示器顯示出來(lái)。

該發(fā)電儲(chǔ)能小車具有發(fā)電和儲(chǔ)能兩項(xiàng)基本功能。通過(guò)MSP430 單片機(jī)和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)合控制小車運(yùn)行，小車上裝載的紅外探測(cè)器，能感知小車的運(yùn)行軌跡，單片機(jī)接收到信號(hào)后，根據(jù)算法控制小車按直線行駛、圓形循跡線行駛、并能探測(cè)圓形軌跡上的硬幣，在液晶板上顯示所探測(cè)的硬幣數(shù)量。通過(guò)各單元模塊的調(diào)試和整機(jī)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了小車在手動(dòng)推動(dòng)情況下快速充電，充電后的小車在控制系統(tǒng)作用下能沿直線行駛、圓形軌道循跡行駛并探測(cè)放置在軌道上的硬幣數(shù)量，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目為了解決快速充電、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)了利用法拉電容作為儲(chǔ)能元件，通過(guò)手推小車的方式進(jìn)行發(fā)電并且儲(chǔ)能。由于法拉電容儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次，能量轉(zhuǎn)換效率高，可提供瞬時(shí)功率輸出。該儲(chǔ)能小車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有發(fā)電快、可隨時(shí)充電隨時(shí)使用、工作效率高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。該儲(chǔ)能為電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)高效充電、智能行駛提供了一種新思路。