基于单片机MSP430控制的发电储能小车

杨倩，张秋娟，李璐

（西安思源学院，陕西西安， 710000）

0 引言

随着节能环保和自动驾驶技术的发展，并适应汽车智能化和电动化的发展趋势，本文设计的具有发电功能的储能小车其优点在于不用外接电源，只需依靠小车自身的运动进行发电，采用法拉电容作为储能元件，符合现在节能环保的时代要求。发电储能小车是一个集环境感知，规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统。

1 硬件电路

■1.1 单片机控制系统

MSP430F14X单片机结构如图1所示，是一种超低功率微控制器，它有针对多种应用的不同外设。这种架构与5种低功耗模式相组合，专为在便携式测量应用中延长电池的使用寿命而优化。该单片机具有内置的16位定时器、24个支持触摸感测的I/O引脚、一个通用型模拟比较器以及采用通用串行通信接口的内置通信能力。此外，MSP430系列成员还具有一个10位模数（A/D）转换器。电压低，功耗低；运行速度快，内置硬件乘法器，片内集成资源丰富；有两组普通 IO口具有中断功能；灵活的时钟系统：两个外部时钟和一个内部时钟；低时钟频率可实现高速通信；具有串行在线编程能力，并有强大的中断功能；ESD 保护，抗干扰力强。

图1 MSP430F14X单片机最小系统原理图

■1.2 电动机模块

直流电机具有良好的启动特性和调速特性，转矩比较大，直流电机的启动和调速性能好，调速范围广且平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小，相比步进电机，直流电机对于电能和机械能的转化效率高，有利于短时间快速充电。因此选择直流电机。

■1.3 电机驱动模块

电机驱动模块L298N ，其结构电路图如图2所示，通过接收单片机 I/O 端口的输出指令，对其控制电平进行设定，进而对电机进行正转反转驱动，操作简单、稳定性好，可以满足直流电机的大电流驱动条件。

图2 驱动模块电路

■1.4 红外检测模块

该模块通过红外接收管接收红外信号，根据有无光照输出高低不同的电平。在此将采集到的黑白标记线脉冲信号，转换为电信号传递到单片机 MSP430F149，单片机对接收的脉冲信号进行程序算法转换处理后，输出到小车上，对小车进行转向控制，使小车按照要求智能行驶。红外传感器输出信号可靠，受外界的干扰小，抗干扰能力强。

■1.5 法拉电容

法拉电容又叫黄金电容、超级电容，充电10s～10min可达到其额定容量的95%以上。法拉电容的储能过程是可逆的。此次选择5.5V 10F的电容。该电容充放电稳定，但单一储能较少，采用两个电容串联，为小车提供储能。也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次，所以作为一种较好的储能元件。

■1.6 接口显示电路

液晶显示器（LCD）具有省电、体积小以及抗干扰能力强等优点，可用于显示字母、数字、符号等，在单片机系统中广泛使用。接口显示电路如图3所示。

图3 接口显示电路

■1.7 储能充电模块

采用法拉电容作为储能元件，驱动小车行驶，由小车的四个轮子带动电机，电机发电的过程中用 LED 指示灯来显示充电过程，电机输出的直流电通过稳压电路稳压后对电容进行充电。其电路如图4所示。

图4 储能充电模块

2 系统机构

■2.1 设计方案

该系统由MSP430单片机为主控制器，用手推小车机械运动的方式给法拉电容充电，法拉电容所储能量作为小车和控制器的工作电源；小车上装载红外探测器，将感应到的信号反馈给单片机，进行处理后控制小车按直线行驶、圆形循迹线行驶、并能探测圆形轨迹上的硬币，每检测到一个硬币，单片机的计数器加1，从而实现循迹与硬币的检测，再由液晶显示板显示行驶的距离和硬币数量。以此完成预计的要求。整体系统框架由图5所示。

图5 系统结构框图

■2.2 系统软件设计

在软件设计上，本系统软件采用模块化结构，通过MSP430微控制器来控制小车运动，在小车一键启动停顿一秒后，主程序对传感器的信号进行接收和处理，使小车实现直线行驶、沿着黑色圆形循迹行驶；在圆形循迹的路线行驶时，检测放置在圆形轨道上的硬币，每识别到一个硬币，计数器加1，并实时显示硬币个数。程序结构图如图6所示。

图6 程序结构图

程序流程图如图7所示。

图7 程序流程图

3 测试

■3.1 测试小车及各个模块

将组装好的小车，用万用表对其进行检测，确保所有线路连接无误，没有虚接或断开的情况，电路可靠。并且对不同模块的功能进行了测试和实验，结果正常，焊接、连接都良好。

■3.2 小车充电电路

按照之前设计好的原理图，详细的计算所需的各个元件参数。整个小车的测试电路如图8所示。滑动小车产生的电能通过R1和D1组成的发光电路显示，D2是为防止电流倒灌，在回路中串联一支二极管D2，充电时，实现电流的单向流动。法拉电容作为储能元件，将电能存储，并为小车提供电源以及为单片机和芯片供电。

图8 测试电路

■3.3 充电测试

在长为 100cm 的发电区推动小车前进进行储能，反复推小车5次后，启动小车，并观察小车自主行驶距离。按如下 5 步进行实验：

(1)检查电路；(2)手动充电；(3)置于地面的指定起始点；(4)一键启动；(5)记录数据在表1中。

表1 小车充电后直线行驶距离测试

经过测试，小车平均自主行驶距离为152.7cm。实验证明，储能小车充电快、储能稳定，满足系统设计要求。

■3.4 循迹行驶测试

在圆形黑色循迹线上测试小车循迹行驶能力。反复 5次发电储能后，启动小车，并观察小车自主行驶距离。按如下 5 步进行实验：

(1)完全放电；(2)手动充电；(3)置于圆形轨迹的指定起始点；(4)一键启动；(5)记录数据在表2中。

表2 小车充电后沿圆形黑色轨迹行驶距离测试

■3.5 循迹行驶测试及检测硬币

在圆形黑色循迹线上测试小车循迹行驶能力并检测小车在行驶过程中是否能检测到提前放置在黑线下的硬币。反复 5次发电储能后，启动小车，并观察小车自主行驶距离。按如下 5 步进行实验：

(1)完全放电；(2)手动充电；(3)置于圆形轨迹的指定起始点；(4)一键启动；(5)记录数据在表3中。

表 3 充电后在圆形黑色轨迹行驶距离及是否正常检测硬币个数

结果显示：储能小车可以正常沿着黑线行驶并能检测到硬币的个数，通过显示器显示出来。

该发电储能小车具有发电和储能两项基本功能。通过MSP430 单片机和L298N电机驱动联合控制小车运行，小车上装载的红外探测器，能感知小车的运行轨迹，单片机接收到信号后，根据算法控制小车按直线行驶、圆形循迹线行驶、并能探测圆形轨迹上的硬币，在液晶板上显示所探测的硬币数量。通过各单元模块的调试和整机调试，实现了小车在手动推动情况下快速充电，充电后的小车在控制系统作用下能沿直线行驶、圆形轨道循迹行驶并探测放置在轨道上的硬币数量，达到了预期效果。

4 结论

本项目为了解决快速充电、实现经济效益，设计了利用法拉电容作为储能元件，通过手推小车的方式进行发电并且储能。由于法拉电容储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次，能量转换效率高，可提供瞬时功率输出。该储能小车结构简单，具有发电快、可随时充电随时使用、工作效率高等特点。实验测试结果达到了预期的目标。该储能为电动汽车实现高效充电、智能行驶提供了一种新思路。