Транспорт будущего — каким он будет в эпоху исчерпанных топливных ресурсов? Будет ли он ездить, ползать, ходить? Какая модель подходит человеку? Сейчас мы создадим прообраз будущего транспортного средства, экологически чистого и экономичного. Разумеется, важную роль в построении будущих аппаратов сыграют гибкое микроконтроллерное управление и новые технологии. Композитные материалы облегчат вес транспорта, создадут новый образ конструкций. Электродвигатели с широтно-импульсным управлением позволят экономно тратить энергию.

Какова основная идея создания солнечного электромобиля? Солнечная энергия попадает на землю бесплатно и в неограниченном количестве. Человечеству же необходимо научиться собирать, распределять и эффективно расходовать ее. Для всего этого требуется гибкая, логическая схема управления.

Однако существуют и физические ограничения. Солнечная энергия передается только днем. Солнце может быть закрыто облаками или погодные условия снизят эффективность солнечных лучей. Схема будущего транспорта на солнечной энергии должна реагировать на все препятствия, преподносимые человечеству природой. Именно поэтому выбирается микроконтроллерная схема управления на основе устройства АТ-tinyl 5 от компания Atmel.

Для определения функций устройства решим несложную задачу формирования основных требований. Конструкция выполнена как ми-нимодель; ее вес — до 500 г; в процессе прямолинейного движения она должна преодолеть расстояние 10 м за минимальный промежуток времени. Возможно применение солнечных модулей любой полезной площади и конфигурации. Солнечный миниэлектромобиль может быть любой формы на двух и более колесах. В качестве привода колес используется электродвигатель любого типа.

Автор представляет на рассмотрение читателей действующую ми-нимодель электромобиля, показанную на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Солнечный миниэлектромобиль

Электромобиль очень похож на насекомое перед взлетом, поэтому автор назвал конструкцию "Мухой". Прообраз солнечного электромобиля уже рассматривался на страницах журнала [7]. Предыдущий вариант использовал отдельные фотоэлементы и привод от двигателя к колесу через пассик. В продаже есть монокристальные и поликристальные солнечные модули разных размеров и на разные токи (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Доступные солнечные модули

Таблица 5.1. Окончание

Появляется возможность моделировать различные конструкции солнечных миниэлектромобилей. В рассматриваемой модели электродвигатель установлен рядом с передним колесом, т.е. конструкция имеет передний привод. Такое расположение двигателя наиболее рационально.

Плата управления находится в передней части платформы. Предположительно, над ней будет размещено сидение водителя. Позади водителя — солнечный модуль (см. рис. 5.1).

Для того чтобы конструкция была устойчивой, выбран самый легкий вариант платформы на трех колесах. Задняя ось неподвижна, вращение реализовано непосредственно на задних колесах. Их ось крепится к перегородке и элементам накопления энергии (рис. 5.2).

Для более эффективной работы солнечного модуля по бокам платформы установлены отражатели солнечного света (рис. 5.3). Привод переднего колеса реализован в виде шестеренчатой передачи (рис. 5.4). Для улучшения сцепления с дорогой на переднее колесо можно дополнительно установить боковой резиновый протектор (в данной минимо-дели не используется).

Схематически дизайн солнечного миниэлектромобиля показан на рис. 5.5. В основании конструкции используется платформа, к которой крепятся электролитические конденсаторы и перегородка, а также — отражатели, солнечная батарея, плата управления и стойка переднего колеса. Электродвигатель и ось задних колес крепятся к перегородке.

В конструкции используется минимум деталей. Двигается мини-электромобиля только прямо. Если конструкция должна поворачивать, то перегородку необходимо разделить на две части, из которых перед-

няя прикрепляется к оси поворота переднего колеса. В результате будет поворачиваться весь передний узел с двигателем. В данной модели поворот переднего колеса не рассматривается, поскольку наша основная задача — рациональное использование солнечной энергии.

Рис. 5.2. Крепление задней оси солнечного миниэлектромобиля

Рис. 5.3. Отражатели солнечного света

Рис. 5.4. Привод переднего колеса

Рис. 5.5. Дизайн солнечного миниэлектромобиля

Структурная схема

Структурная схема солнечного миниэлектромобиля построена на микроконтроллере ATtinyl5 [8] (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Структурная схема солнечного миниэлектромобиля

Солнечные лучи, попадая на поликристаллы фотоэлемента, создают электродвижущую силу (ЭДС). Ток от фотоэлемента заряжает конденсаторы CI, С2 через диод Шотки D [2]. Напряжение с конденсаторов передается на микроконтроллер ATtinyl5. Как только напряжение превысило 2,7 В [8], включается микроконтроллер, и запускается программа управления.

Напряжение на конденсаторах CI, С2 непрерывно растет. Микроконтроллер отслеживает этот рост и формирует уровень срабатывания. Напряжение реального уровня срабатывания снимается с потенциометра R1, проверяется встроенным в микроконтроллер АЦП. Когда уровень достиг заданного программой первого значения порога АЦП, на транзистор VT1 подается положительный импульс длительностью 34 мс. Транзистор VT1 открывается на короткий промежуток времени, и через электродвигатель протекает ток.

Ток через двигатель ограничен на уровне 70 мА из-за малой мощности транзистора VT1. Его сила будет возрастать постепенно, поскольку электродвигатель имеет индуктивную составляющую. За короткий промежуток ток электродвигателя не успеет достичь значения 70 мА.

Когда разрабатывалась схема, постоянно возникали вопросы: "Как решить задачу по расчету накопленной энергии? Каково идеальное соотношение площади фотоэлемента и мощности двигателя и его собственной индуктивности? Где "золотая середина"? Как заставить конструкцию на фотоэлементе двигаться непрерывно, без остановок, используя широтно-импульсное управления током двигателя?".

Ответ скрывается в разделении энергии на порции и эффективном поглощении этих порций. В программе для АЦП микроконтроллера задан второй уровень срабатывания. При его достижении на транзистор VT2 подается положительный импульс длительностью 34 мс, синфазный по отношению к импульсу, подаваемому на VT1. Результирующий ток через двигатель достигнет 140 мА (максимальный для двигателя). В этот момент конденсаторы CI, С2 будут разряжаться слишком быстро, однако максимальное значение силы тока заряда конденсаторов С1, С2 для фотоэлемента Y65*45-8A/B80-P в солнечную погоду составляет 88 мА. Это значит, что за следующий полупериод конденсаторы CI, С2 не успеют зарядится, т.е. порция излишней энергии поглощена. Ее надо восстановить. Кроме того, мы пришли к выводу, что пауза между импульсами должна составлять примерно 60 мс. В реальной программе пауза она — около 45 мс.

На следующем этапе цикла формирования импульса откроется один транзистор VT1. Возможно, опять появится излишняя порция энергии, и опять откроется VT1, VT2. При пульсации напряжения питания сложно спрогнозировать эффективность работы микроконтроллера, а также сказать, на сколько процентов потеряет мощность электродвигатель при постоянном разряде CI, С2 и недостаточном заряде от фотоэлемента. Именно для этой цели и разработана модель солнечного миниэлектромобиля. Мы ищем эффективные схемы, программы, конструкции, и в рассматриваемой модели исследуется формула накопления и поглощения энергии порциями.

Принципиальная схема

Принципиальная схема солнечного миниэлектромобиля очень напоминает предыдущий вариант [7] (рис. 5.7), но для чистоты эксперимента пришлось отказаться от аккумуляторов, питающих микроконтроллер. Кроме того, отсутствует оперативная регулировка скорости вращения электродвигателя. Напряжение питания формирует фотоэлемент, ток от которого заряжает электролит 20 ООО мкФ, 10 В через диоды Шотки Dl, D2.

.Рис. 5.7. Принципиальная схема солнечного миниэлектромобиля

В схеме отсутствует выключатель питания. Его роль выполняет перемычка сброса S1. Пока она установлена на плате, микроконтроллер находится в состоянии сброса. Как только перемычка снята, микроконтроллер включается. Это позволяет управлять электромобилем во время соревнования, а также уменьшает вес конструкции ввиду отсутствия кнопки. В формировании режима сброса участвует цепочка R4, С1.

Питание на микроконтроллер подается через диод Шотки D3 и резистор R5 на вывод 8. Если солнечная активность очень высока, и фотоэлемент генерирует большое напряжение ЭДС, то при питании микроконтроллера эту величину необходимо ограничить. Для этого служит накопительная емкость С2 и стабилитрон D4, не влияющий на заряд основного электролитического конденсатора 20 ООО мкФ, 10 В.

Потенциометр R3 предназначен для оперативного управления уровнем срабатывания. Микроконтроллер формирует импульсы управления двигателем на выводах 5 и 6. Эти импульсы поступают на транзисторы Ql, Q2. Как только они открыты, ток от электролитического конденсатора 20 ООО мкФ 10 В протекает по цепочке: LSP3, LSP2, электродвигатель, R1-R2, Q1-Q2, нулевой вывод, LSP5. Если напряжение питания упадет ниже нормы, микроконтроллер перейдет в "спящий" режим.

Детали на плате управления предназначены для поверхностного монтажа SMD:

• микроконтроллер ATtinyl5L-lSU в корпусе SOIC;

• транзисторы Ql, Q2 — BSS123 (ток стока — 150 мА, напряжение управления — 2,8 В);

• диоды Шотки D1-D3 — BAS70 (ток — 70 мА, напряжение перехода—410В);

• стабилитрон D4 на 3,9 В; ток 15 мА;

• два параллельно включенных электролитических конденсаторах на 10 000 мкФ, 10 В;

• солнечный фотоэлемент Y65*45-8A/B80-P.

Алгоритм работы

Алгоритм работы "Мухи" (рис. 5.8) начинается с двух пауз: ИЗ мс и 45 мс.

Начальная пауза 113 мс необходима в том случае, когда электролитические конденсаторы заряжены, электромобиль установлен на стартовую позицию, игрок снимает перемычку "RESET". Длительность паузы очень незначительна, однако она позволяет на старте дать устойчивость электромобилю при манипуляциях с перемычкой.

Далее обязательно обнуляется порт В. Любые действия микроконтроллера после восстановления питания начинаются именно со сброса состояния порта. Это позволяет вывести микроконтроллер в нормальное исходное состояние и не спровоцировать полный разряд батареи. Когда АЦП проверит состояние заряда батареи, будет принято решение: ожидать накопления энергии или расходовать ее в незначительной степени. Хотя второй уровень сравнения АЦП не имеет оперативной регулировки, такой подход сравнения данных АЦП и привязанных уровней к одной регулируемой точке позволяет гибко использовать логическую структуру АЦП. Такой подход сокращает количество деталей на плате, создает точку разветвления в программе, привязывает эту точку к оперативной регулировке.

В блок-схеме видно, что к данным АЦП прибавляется небольшое значение 248h, и если значение S превысит EFDh, то произойдет полный разряд энергии. Программа создает искусственный скачок компаратора. Такой скачок позволит более четко разделить границу заряда и неполного заряда емкости батареи.

Программа

Программа управления солнечным миниэлектромобилем представлена в листинге 5.1 и листинге 5.2.

Листинг 5.1. Программа управления солнечным миниэлектромобилем

Как только конденсатор заряжен до необходимого значения, равного 437 уровням АЦП (01B5h), на порт РВО подается единичный уровень. Открываются транзисторы выходного каскада, и электродвигатель начинает расходовать запасенную энергию. Единичный уровень в порте В держится 34 мс, после чего сбрасывается в ноль. Далее в течении 45 мс проверяется состояние заряда конденсатора. За это время конденсатор (батарея) может подзарядится от солнечного фотоэлемента. Если заряд конденсатора удовлетворительный, то на порт РВО выдается единичный уровень. Цикл продолжается до полного разряда конденсатора (батареи).

В хорошую солнечную погоду уровень заряда конденсатора может быть очень высоким, поэтому, если на входе АЦП уровень выше чем 3 837 уровней АЦП (OEFDh), на порты РВО, РВ1 выдается единичный уровень. Открываются два транзистора выходного каскада, и сила тока через электродвигатель удваивается, т.е. робот начинает передвигаться быстрее. Как только заряд упал, скорость снижается до прежнего уровня.

Монтажная плата

Монтаж деталей автор выполнил на плате для макетирования: переходник для SMD-микросхем S095 (Sox-34). Габаритные размеры платы: 25,5x30,5 мм. Для подключения двигателя, солнечного фотоэлемента и кнопки "RESET" предусмотрены разъемы с парными выводами. Для подключения кабеля программирования микроконтроллера предусмот-

рен пятивыводной разъем Е1ка22 [7]. От электролитических конденсаторов используется такой же разъем, который перед программированием отключается от схемы.

Все элементы паяются навесным монтажом специальным паяльником и крестообразным пинцетом на зажим. Перед установкой фотоэлемента подготавливаются медные провода диаметром 0,5 мм, которые сгибаются в виде П-образной рамки под углом 70° и 90° и паяются к выводам питания фотоэлемента.

Для изготовления платы управления (рис. 5.9) необходим двухсторонний текстолит. Вместо кнопки S1 устанавливается разъем с двумя выводами с перемычкой. Разъем SV1 паяется с обратной стороны платы. Перед установкой платы на конструкцию электромобиля через разъем Elka22 программируется микроконтроллер.

Рис. 5.9. Плата управления солнечным миниэлектромобилем

Конструкция

Из тонкого оргстекла толщиной 1,2 мм или из использованных коробок для компакт-дисков изготавливаются следующие детали: основание (рис. 5.10); перегородка (рис. 5.11); отражатель (рис. 5.12).

В основании высверливаются восемь отверстий, которые затем растачиваются до квадратной формы. Они необходимы для пластиковых

хомутов, удерживающих электролитические конденсаторы. Перегородка выпяливается из угла коробки так, чтобы основная часть соответствовала рис. 5.11, а отражатель — из плоскости коробки и обклеивается фольгой.

Детали соединяются согласно рис. 5.13 и склеиваются клеем для оргстекла.

Рис. 5.13. Сборочный чертеж "Мухи"

Перегородка клеится угловой частью в центре основания так, чтобы ее стенка точно совпадала с осевой линией. Ножки электролитических конденсаторов сгибаются для удержания задней оси. Как только склеенные детали корпуса высохли, электролитические конденсаторы с помощью хомутов крепятся к нижней части основания. Задняя ось выполняется из пластиковой трубки диаметром 3,8 мм и длиной 67 мм, в которую вставлены по бокам трубки диаметром 2,3 мм и длиной 56 мм.

В качестве основной оси автор использовал палочку от конфеты "Чупа-Чупс", а дополнительных полуосей — обрезки гигиенических палочек. Задние колеса выполнены из оболочки игрушек "Киндер-Сюрп-риз". В них просверливаются по два отверстия диаметром 2,4 мм, после чего задняя полуось устанавливается в перегородку и закрепляется вы-

водами конденсаторов, к которым затем припаиваются провода согласно схеме, показанной на рис. 5.7. Далее колеса устанавливаются на боковые полуоси и фиксируются двумя нерабочими минисветодиодами.

Электродвигатель — от нерабочего CD привода; переднее колесо — от старого кассетного плеера. Стойка переднего колеса и плата управления крепятся винтами Ml,6, затем двумя винтами Ml,2 крепится двигатель. Солнечный фотоэлемент с помощью медных стоек в виде П-об-разной рамки вставляется поверх основания в хомуты, удерживающие конденсаторы. Выводы медных стоек припаиваются к проводам, имеющим разъем к плате управления.

Более наглядно конструкция представлена на рис. 5.1-5.4. Основная ее идея — максимально облегчить вес, создать устойчивую форму, проверить эффективность солнечной батареи. Повторяя конструкцию из вышеперечисленных материалов, мы придаем вторую жизнь ненужным вещам. Еще один очень интересный материал для конструирования — это дерево, легкое, достаточно прочное, экологически чистое. Этот материал ближе к человеку, он не имеет вредного запаха, легко обрабатывается. Автор согласен с той идеей, что будущее — за деревянными электромобилями.

Эксплуатация

Перед стартом электромобиль находится в темном месте. Как только электромобиль установили на стартовую дорожку, необходимо снять перемычку "RESET". Солнечные лучи попадают на фотоэлемент, заряжают электролитические конденсаторы, и электромобиль начинает двигаться.

Существует еще один вариант использования "Мухи"... Солнечный электромобиль устанавливается фотоэлементом против солнечных лучей, но перемычка "RESET" не снимается. Модель заносят в помещение, устанавливают на стартовую отметку и снимают перемычку "RESET". Победу присваивают тому электромобилю, который двигался по ровной поверхности дольше и дальше конкурентов.

Файлы к статье Солнечный миниэлектромобиль "Муха"