基于单片机的太阳能电动车设计

本科毕业论文（设计、创作）题目： 基于单片机的太阳能电动车设计 学生姓名： 学号： 103402031 所在系院： 专业： 电子信息工程 入学时间： 2010 年 9 月导师姓名： 职称/学位： 副 教 授 /硕 士 导师所在单位： 完成时间： 2014 年 5 月安徽三联学院教务处 制安徽三联学院毕业论文 基于单片机的太阳能电动车设计 摘 要：太阳能车作为现代社会的新生产物，是未来发展的一个重要方向，它可以替代不可再生能源如石油、天然气、甲烷气等，可以说极大地节省了社会能源，同时又保护了环境。设计中的理论方案、分析方法等是源于太阳能化控制、智能电动车的设计，具有一定的参考意义。整个太阳能电动车的设计主要以AVR 单片机为控制核心，由太阳能板、直流电机、电机驱动器为主要组成部分，以四轮玩具小车为控制对象。在有太阳能辐射的天气下，利用太阳能板将太阳能转换成电能源源不断地输送给电机，驱动小车运行。关键词：电动车； AVR 单片机； 太阳能板； 电机驱动安徽三联学院毕业论文IThe Design Of Solar Electric Vehicle Based On MCU Abstract：As the new producer of modern society，solar car can substitute for non-renewable energy sources such as rock oil，natural and methane is a future. Not only it can save social energy largely but also protect environment. The theoretical scheme and analysis method is from the solar control and intelligent vehicle has practical reference value. design of the solar car Mainly AVR DSP as control core，and the solar panels，DC motor， motor driver is the main component，the four wheeled toy car as the control object. In the solar radiation weather，converting solar energy into electric energy source constantly by solar panels and deliver to the motor to drive car.Keywords：Electric cars；Solar panels；AVR single chip；Motor drive安徽三联学院毕业论文 II目 录第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 本文所做的工作 .1第二章 系统方案设计 .32.1 总体设计框图 .32.2 核心控制单元的选择 .3 2.3 电机驱动方案选择 .4第三章 系统硬件电路设计 .53.1 最小系统电路 .63.2 舵机控制模块 .73.3 寻迹模块电路 .73.4 能量采集模块 .73.5 电机驱动模块 .73.5.1 L298N 电机驱动芯片 .83.5.2 PWM 调速原理 .93.5.3 驱动电路 .9第四章 系统软件设计 .124.1 ICCAVR 简介 .124.2 主控制模块主程序设计 .134.3 能量模块子程序设计 .134.4 电机控制子程序设计 .13结 论 .15致 谢 .16参考文献 .17附 录 A 总电路图 .18附 录 B 源程序 .19安徽三联学院毕业论文0第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义太阳能是可再生、可持续利用发展战略能源。通过转换设备将太阳能转化为电能，太阳能电动汽车不仅可以大大降低能源消耗，降低成本，尤其环保。可以说，以太阳能为动力的电动车是永恒的绿色交通出行工具。目前，虽然太阳能汽车有更多的优点，但太阳能为辅助动力系统实现的可行性，还有很长的路要走。光电转换效率是制约太阳能电动车发展的瓶颈。目前太阳能电动汽车仍处于概念车，太阳能光伏电池的能量密度低主要由于太阳能不稳定，分散和太阳能收集装置的转换效率低，成本高，尚未广泛应用。由于谋些问题，太阳能电池板的特殊光学射线技术暂是没有得到应用。使用热创造能量收集太阳能，已被科学家们作为研究成果，目前正在开发用于大规模的商业应用。日本一家公司通过太阳能菲涅耳透镜聚焦技术，在小面积的太阳能电池上实现了捕捉上百万的太阳能，使转换效率大幅度提高。光伏技术的功率转换效率高达五倍，远远超于传统的光电电池。太阳能电动汽车使用轻量级昂贵航空材料，成本自然是非常昂贵的。目前的科技应用和技术能力，难以满足汽车高速行驶的足够动力；太阳能电力较大，速度快，承载力低；假使太阳能汽车正式进入人们的生活，可能还要几十年的时间。但是，如果在未来我们可能运用大型太阳能发电装置，用太阳能电池为电动汽车充电，太阳能大规模使用必经成为未来发展的趋势。单片机的特点如下：1、成本低，高性能显著特征；2、控制能力超强，单片机是电子计算机中的一个特殊品种，体积虽小，但部件齐全，它非常适用于工业控制；3、低电压、低功耗，工作电压低，功耗降至 VA 级,只需一粒纽扣电池就可以长期使用；4、微控制器的所有功能集成在一块芯片上，这样就大大低减少了芯片之间的连接，使得集成度提高了防干扰能力和功能性。安徽三联学院毕业论文11.2 本文所做的工作本课题目标是利用太阳能实现绿色汽车驾驶，这一研究项目的主要目的是不仅满足消费者出行需求，同时保护环境、节约能源。（1）自动采集光能，把光能转换成电能，并能够对蓄电池进行充放电；（2）通过AVR单片机和太阳能电机驱动模块将电能传输给动力系统，实现太阳能驱动小车。从以下几个方面对本课题进行研究任务。（1）根据系统功能的要求，进行系统的硬件与软件的整体设计。（2）选择性价比高的器件来进行硬件设计，采用模块化软件设计方法，程序结构明了，可读性好。（3）系统硬件设计包括：外围电路设计。主要内容有：核心控制模块、 电机驱动模块、方案选择和光电转换模块的设计。（4）系统软件有主程序，控制程序，中断程序。系统的分析和可行性的研究包括：整体功能，功能模块，每个模块的电路设计，以及软件设计和整个系统的各个功能模块电路的调试。以在达到各方性能和指标的前提下，我们要仔细揣摩系统的实用性，以实现降低成本，使它大幅度经济实用，以满足本身设计要求，实现太阳能小车的驱动。安徽三联学院毕业论文2第二章 系统方案设计2.1 总体设计框图本系统是基于单片机为核心，作为太阳能汽车控制芯片的核心ATMEGA16，利用光伏效应，通过太阳能电池将太阳能转换成电能，储存在电池中，并采用电力驱动车辆。直流电机驱动电路和控制电路采用H桥，具有较低的成本，通过不同的转速控制每个电动机。太阳能电池用多晶硅太阳能电池板，转换电压通过调节器的电池充电，然后由其他电路块电池供电。供电模块采用双电池供电，单芯片计算机电源，电压稳定电路的电压MCU的供给后固定到5V;另一个调节器电路的电源额定电压传送到电动机驱动马达，提高了系统的稳定性和可靠性。图1 总体设计框图2.2 核心控制单元的选择爱特梅尔公司新系列单片机的嵌入式高速闪存是基于增强精简指令的（精简指令集的单片机结构） ，简称为AVR单片机，此单片机吸收了PIC以及8051单片机的优点等，实现了显著的改善。AVR单片机的特点(1)速度快AVR单片机拥有较高的MIPS / MW8位微控制。我们通常认为AVR微控制器要AVR单片机电源模块太阳能板模块电机驱动模块电机安徽三联学院毕业论文3求实现注册文件的快速访问以及快速单周期指令。虽然高速访问寄存器RISC文件拥有32个通用的工作寄存器，但通用工作寄存器更换蓄电池时，不仅执行指令在一个时钟周期内同时访问两个相互独立的寄存器，更有代码效率十倍快于常规CISC微控制器。AVR 微控制器用来执行指令在一个时钟周期，在执行之前单一指令的读取下一条指令，后单周期指令执行（类似） ，是一个位微控制器是第一个微控制器。(2)性能价格比高单片集成电路具有小器件引脚（英尺） ，也有较大的存储容量，更针对设备，让用户充分的选择。单片机将程序存储和数据存储分开，你不仅可以访问万字节的程序存储的数据存储。AVR单片机片内资源丰富。包括：32通用工作寄储器、模拟比较、有2K-128K字节可供下载的Flash存储、定时器/计数器，可编程异步串行端口，内部和外部中断与内部振荡器的可编程看门狗定时器，还有专为下载SPI串行端口，10位AD转换器，空闲的触摸节电模式。(3)系统内从新编程（ISP In-System Programming) 功能总之，AVR单片机闪存，可以重新编程在系统内通过SPI串行接口或一般的程序，极大的方便了新产品的维护和开发。2.3 电机驱动方案选择方案1：继电器控制电动机来打开或关闭控制的继电器，由在轿厢的速度的开关调整。此解决方案的优势是中继电路简单，但劣势是中继的响应时间非常慢，且容易损坏、寿命短，因而不建议使用。方案2：由晶体管组成的H桥电路单片机控制晶体管使它在可变占空比下进行转换。此电路由于管子在饱和截止模式下，效率较高高；H- 桥电路可以保证控制方向和转速；开关速度快，功能性比较稳定，是一种较广泛使用的技术。方案3：采用L298N驱动芯片L298N 属于一种高电压、高电流全桥驱动芯片，其响应频率较高，一个L298N 可以同时控制两个直流电机，且带有控制使能端。电机驱动使用该芯片作为核心，具有得天独厚的性能优势。由于设计的响应时间缓慢，由于 L298N安徽三联学院毕业论文4驱动芯片有各方面的优势，但最终决定使用设计方案三。2.4 电机选择方案1：采用步进电机角度可旋转，准确的定位，虽然采用步进电机有许多优点，步进电动机的输出转矩不足时，与旋转速度的增加而降低，并且更高的速度会急剧下降，转速低，不适合用于车辆和系统的运行速度要求。方案2：采用直流减速电机直流齿轮电机的转动力矩，体积小，重量轻，安装简单，使用方便。由于其内部的高速电动机提供的原始能量，传动齿轮组速度(减速)，你可以有更大的扭矩。从上面的分析，步进电机是不适用的设计要求，选择设计方案二。安徽三联学院毕业论文5第三章 系统硬件电路设计3.1 最小系统电路中央处理器我们采用ATMEGA16单片机，这是因为ATMEGA16是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内具有16k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，ATMEL公司高密度制造的标准MCS-51与其中的指令系统兼容。80针C51的结构装置，以及芯片8位通用CPU和ISP Flash存储单元，功能强大的ATMEGA16微机，可以为许多嵌入式的控制应用程序提供经济高效明显方便的解决方案。图2是共同带图的最低系统单片机编程接口。图2 最小系统电路3.2 舵机控制模块转向与一个给定的线性关系的 PWM 信号输出的角度值，PWM 输入信号系统，通过改变 PWM 的占空比实现开环控制。通过转变的太阳能车方向（转向伺服电机）AGND 31X113X212RESET9PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PB0 (T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0)3PB3 (AIN1)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8(ADC0) PA0 40(ADC1) PA1 39(ADC2) PA2 38(ADC3) PA3 37(ADC4) P