范虹興，蔡　超，張震宇

(浙江科技學(xué)院 自動化與電氣工程學(xué)院，杭州 310023)

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一種電動自行車自動充電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

范虹興，蔡超，張震宇

(浙江科技學(xué)院 自動化與電氣工程學(xué)院，杭州 310023)

摘要:針對電動自行車充電不夠便捷這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種自動充電控制系統(tǒng)，適用于城市居民小區(qū)。該系統(tǒng)由一個中心控制器和若干個智能型充電座構(gòu)成，中心控制器和充電座之間采用ISM無線射頻方式進(jìn)行通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一整套自動充電控制系統(tǒng)。介紹該系統(tǒng)的基本工作原理，描述其整體硬件構(gòu)成并給出其關(guān)鍵的電路圖，還分析了它的軟件設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，歸納了該系統(tǒng)的特點(diǎn)。我們設(shè)計(jì)的這一控制系統(tǒng)，提高了電動自行車充電的便捷性，其所涉及的核心技術(shù)可做相關(guān)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:電動自行車；充電控制系統(tǒng)；單片機(jī)；IC卡；無線通信

圖2　充電座硬件構(gòu)成示意Fig.2　Diagram of hardware composition for charger

電動自行車是一種綠色交通工具，具有無污染、低價、安全等優(yōu)點(diǎn)，深受國內(nèi)城市居民的青睞[1]。電動自行車一般采用充電式電池作為動力源，其充電是否便捷是一個值得關(guān)注的問題。當(dāng)前，在國內(nèi)一些較老的城市小區(qū)，電動自行車充電相關(guān)的公共配套設(shè)施相對欠缺。比如，有的公寓樓沒有電梯，而有些居民所住樓層較高，要為電動自行車充電，目前采用的方法主要有以下幾種[2]：一是取出電池搬回家充電。由于有些電池較重，用戶搬動較為費(fèi)力。雖然近年來出現(xiàn)了一些相對輕便的鋰電池電動自行車，但因其價格較為昂貴，還未大范圍普及。二是從家中接線到一樓充電。用戶不必從電動自行車內(nèi)取出電池，而是直接在一樓單元門處充電。充電完畢后，用戶收回接線板，這種充電方式不僅麻煩，且充電地點(diǎn)無人監(jiān)管，易發(fā)生被盜情況。三是在路邊的投幣式快速充電站充電。因充電站采用大電流充電，所以能達(dá)到快速充滿的效果，但這種充電方式顯然對電池的性能有一定的損害，僅適用于用戶在行駛途中沒電時急用。四是在小區(qū)內(nèi)指定的設(shè)備上付費(fèi)充電。近年來有些小區(qū)安裝了電動自行車專用充電設(shè)備，以方便用戶充電，目前一般是用戶現(xiàn)場付費(fèi)充電，設(shè)備安排有專人負(fù)責(zé)管理。這種方法雖然方便，但增加了人力支出，不值得推廣。

在對上述幾種典型的充電方法進(jìn)行分析后可知，目前的電動自行車充電方式在安全性、便捷性、高效性等方面存在一定的不足。為解決此問題，筆者應(yīng)用電子電路、單片機(jī)、IC卡、無線通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種電動自行車充電自動控制系統(tǒng)(以下簡稱充電自控系統(tǒng))，克服了現(xiàn)有充電方式的缺陷，適合在城市小區(qū)推廣使用。

1基本工作原理及硬件構(gòu)成

圖1　系統(tǒng)整體硬件構(gòu)成示意Fig.1　Diagram of overall hardware composition for system

充電自控系統(tǒng)由一個中心控制器和若干個智能型充電座構(gòu)成，其整體硬件構(gòu)成如圖1所示。中心控制器安裝于小區(qū)物業(yè)管理處，交由物業(yè)管理人員管理，在每幢居民樓的各單元門處分別安裝一個智能型充電座，其配置的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況而定，用戶購買IC卡并充值。當(dāng)電動自行車需要充電時，將其充電器插頭插入智能型充電座的插座，然后刷卡，根據(jù)顯示屏的提示選擇充電時長，充電座即開始為其充電，用戶選擇的時長達(dá)到后，充電座會自動斷開充電電路，并發(fā)送充電完畢的短信至用戶手機(jī)。如此，極大地提高了充電的便捷性和效率。中心控制器和智能型充電座具有RF無線通信功能，由此組成了一個無線通信網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)設(shè)定的通信協(xié)議，各充電座的相關(guān)工作數(shù)據(jù)能無線發(fā)送至中心控制器。

1.1智能型充電座

智能型充電座在硬件上由電源電路、單片機(jī)、IC卡讀寫電路、充電接口電路、用電量計(jì)量電路、人機(jī)對話電路、GSM短信發(fā)送電路、EEPROM電路及無線通信電路構(gòu)成，其硬件構(gòu)成如圖2所示。

充電座以單片機(jī)為控制和信息處理核心，統(tǒng)籌各外圍電路協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)型號選用了STM32F107，該芯片具有豐富的功能模塊和接口[3]。電源電路采用ASM1117-5.0和ASM1117-3.3芯片，將9 V電源適配器的電壓降至5 V和3.3 V穩(wěn)定直流電壓，供給單片機(jī)及上述外圍電路模塊。用戶刷卡時，單片機(jī)首先令I(lǐng)C卡讀寫電路讀取用戶IC卡的身份、密碼、金額等數(shù)據(jù)，經(jīng)判斷后若符合設(shè)定的條件，又令LCD顯示屏給出選擇充電時長的提示信息，然后等待用戶按鍵操作。用戶根據(jù)提示進(jìn)行按鍵操作后，單片機(jī)令I(lǐng)C卡讀寫電路根據(jù)應(yīng)扣除的金額重寫IC卡的對應(yīng)扇區(qū)，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用扣除。單片機(jī)令充電接口電路接通電動自行車的充電器，于是開始充電；同時，單片機(jī)內(nèi)置的定時器開始計(jì)時。當(dāng)達(dá)到用戶所選的時長后，充電接口電路斷開，LCD顯示屏給出充電已完畢的提示信息，同時發(fā)送提示短信到用戶預(yù)留的手機(jī)號碼。在充電過程中，用電量計(jì)量電路能根據(jù)測得的電壓、電流等電參數(shù)，計(jì)算出充電座消耗的有功功率并作記錄。這樣，一方面可根據(jù)用電量情況推斷出各充電座的使用量，另一方面可根據(jù)用電量數(shù)據(jù)定期與供電部門結(jié)算。在每月設(shè)定的日期(比如設(shè)定為每月1日的12:00AM)發(fā)送充電座的用電量給中心控制器，中心控制器記錄各充電座的用電量數(shù)據(jù)。EEPROM電路采用24C256芯片，用于保存充電過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，掉電不丟失。GSM短信發(fā)送電路選用了SIM300模塊，和單片機(jī)之間以串口連接，應(yīng)用AT指令進(jìn)行通信。無線通信電路選用了Si4432芯片，用于和中心控制器實(shí)現(xiàn)雙向無線通信。

1.1.1IC卡讀寫電路

圖3　IC卡讀寫電路Fig.3　Schematic circuit of reading and writing for IC card

1.1.2充電接口電路

通過充電接口電路，單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)對220 V市電火線、零線接通與斷開的控制，充電接口電路如圖4所示。當(dāng)讀到的IC卡符合條件時，單片機(jī)令引腳CON1=1。分析電路可知，此時三極管Q1、Q2導(dǎo)通，于是繼電器Relay1、Relay2的常開觸點(diǎn)均接通，插座上便輸出220 V市電，電動自行車的充電器即開始為蓄電池充電；當(dāng)讀到的IC卡不符合條件或符合條件的IC卡用戶所選的時長達(dá)到后，單片機(jī)令引腳CON1=0，分析后可知插座無電，無法為蓄電池充電。這種將火線、零線都納入控制的做法，確保了用電時的安全性。

圖4　充電接口電路Fig.4　Schematic circuit of charging interface

1.1.3用電量計(jì)量電路

充電自控系統(tǒng)選用CSE7759作為用電量計(jì)量芯片，這是一種單相多功能計(jì)量芯片[5]，計(jì)量精度可達(dá)0.2%，計(jì)量電路如圖5所示。將火線上的電流信號通過1 mΩ的錳銅電阻采樣后，轉(zhuǎn)換為電壓信號差分輸入至CSE7759的V1P、V1N引腳，零線上的電壓信號則通過R3、R4電阻分壓后，輸入至CSE7759的V2P引腳。該芯片的CF輸出指示負(fù)載上有功功率的頻率信號，CF1則輸出指示負(fù)載上電壓有效值(SEL被設(shè)置為1時)或電流有效值(SEL被設(shè)置為0時)的頻率信號。單片機(jī)通過測量出CF、CF1輸出的頻率信號的周期，可計(jì)算出負(fù)載上的有功功率、有效電壓、有效電流，結(jié)合充電座每次的工作時長，即可得出每次工作的用電量數(shù)值。

圖5　用電量計(jì)量電路Fig.5　Schematic circuit of power consumption measurement

1.1.4無線通信電路

充電自控系統(tǒng)采用的無線通信芯片為Si4432，這是一個CMOS射頻集成電路[6]，包含了所有ISM頻段應(yīng)用所需的發(fā)射和接收功能，可工作在315、433、868、915 MHz頻段，工作電壓為3.3 V。無線通信電路如圖6所示，Si4432與單片機(jī)采用SPI接口連接，其中射頻前端采用了分集式開關(guān)電路SKY13267，以實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送和接收的自動切換。

圖6　無線通信電路Fig.6　Schematic circuit of wireless communication

1.2中心控制器

3.2.4 注射進(jìn)針角度不正確 正確的胰島素注射應(yīng)根據(jù)皮下脂肪的厚度以45～90°的角度進(jìn)行皮下注射，以免將藥液注入皮下脂肪較薄的肌肉層內(nèi)，影響胰島素的吸收速度和效率［13］。為保證針頭進(jìn)入皮下的理想吸收區(qū)域，在注射時應(yīng)輕輕捏起注射部位的皮膚，注射后應(yīng)緩慢釋放捏起的皮膚。調(diào)查顯示，社區(qū)糖尿病患者自行注射胰島素的方法不規(guī)范，30.5%的患者進(jìn)針角度不正確。也有調(diào)查發(fā)現(xiàn)，86.96%護(hù)士不能根據(jù)皮下脂肪厚度選擇注射角度，38.4%護(hù)士不知曉應(yīng)捏起注射部位的皮膚［14］。因此，加強(qiáng)患者教育的同時，也不能忽視社區(qū)護(hù)士的培訓(xùn)，通過對護(hù)理人員的教育從而確保健康教育的質(zhì)量。

圖7　中心控制器硬件構(gòu)成示意Fig.7　Diagram of hardware composition for central controller

中心控制器設(shè)計(jì)為一個手持機(jī)，硬件上主要由鋰電池、電源電路、單片機(jī)、IC讀卡器、萬年歷電路、無線通信電路、存儲電路及觸摸屏等構(gòu)成，其硬件構(gòu)成如圖7所示。其中，單片機(jī)型號為STM32F107，無線通信電路采用Si4432，存儲電路采用24C512，IC讀卡器與單片機(jī)之間為USB接口連接。萬年歷電路采用DS1302芯片，和單片機(jī)之間采用I2C方式連接，作用是計(jì)日期及時間(比如判斷當(dāng)前時間是否已到每月1日的12:00AM)。管理員通過該手持機(jī)，可實(shí)現(xiàn)用戶IC卡的開卡、加密、充值、掛失等操作。當(dāng)用戶充值時，單片機(jī)令USB讀卡器將充值金額寫入用戶的IC卡，同時將金額數(shù)據(jù)寫入存儲電路作保存。

2軟件設(shè)計(jì)

充電自控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，涉及智能型充電座的控制和中心控制器的管理及兩者之間的無線通信，為便于后期維護(hù)和功能升級，軟件設(shè)計(jì)均采用C語言編寫，并按照功能模塊進(jìn)行功能函數(shù)的設(shè)計(jì)。

2.1智能型充電座軟件設(shè)計(jì)

智能型充電座的整體軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示，限于篇幅，智能型充電座的軟件設(shè)計(jì)主要介紹IC卡讀寫操作和用電量計(jì)量兩部分。

2.1.1IC卡讀寫操作

充電自控系統(tǒng)采用Micfare One S50卡，這種IC卡共有16個扇區(qū)(扇區(qū)0~15)，每個扇區(qū)有4個塊(塊0~3)，每個塊為16 Byte，除了第0扇區(qū)的塊0因已經(jīng)固化了4 Byte序列號(物理卡號)及卡商相關(guān)代碼等數(shù)據(jù)不可寫外，剩余扇區(qū)的塊0~2都可以在對應(yīng)的塊3的匹配下進(jìn)行讀寫操作[7]。系統(tǒng)選擇扇區(qū)1的塊0用于數(shù)據(jù)讀寫存儲，其數(shù)據(jù)格式定義為null 3 Byte，卡身份號(發(fā)卡卡號)2 Byte,密碼4 Byte,手機(jī)號5 Byte,金額2 Byte,合計(jì)16 Byte。本設(shè)計(jì)中，扇區(qū)1的塊3的存取控制碼設(shè)置為“08 77 8F 69”，塊數(shù)據(jù)讀寫操作認(rèn)證方式為KEYB。

要進(jìn)行IC卡的讀寫控制，首先應(yīng)初始化MFRC522的相關(guān)工作寄存器，然后由單片機(jī)控制MFRC522進(jìn)行尋卡，以判斷信號范圍內(nèi)是否有卡進(jìn)入，接著進(jìn)行防沖撞處理，達(dá)到當(dāng)有多張射頻卡同時進(jìn)入讀寫電路天線的有效工作范圍內(nèi)時能避免多卡之間的沖撞，然后選定某張卡，進(jìn)行KEYB、發(fā)卡卡號及密碼的認(rèn)證，若認(rèn)證通過，則可執(zhí)行讀塊或?qū)憠K等操作，否則提示無效卡，程序結(jié)束。整個過程的流程如圖9所示。

圖8　充電座工作流程Fig.8　Work flowchart of charger

圖9　IC卡讀寫工作流程Fig.9　Work flowchart of reading and writing for IC card

2.1.2用電量計(jì)量

CSE7759的CF引腳輸出被充電負(fù)載的有功功率的頻率信號，其計(jì)算式為

(1)

式(1)中:V1為電流通道引腳上的轉(zhuǎn)換得到的電壓值;V2為電壓通道引腳上的電壓值;fosc為CSE7759芯片的內(nèi)置晶振，其頻率為3.579MHz；VREF為CSE7759芯片內(nèi)置基準(zhǔn)源，其電壓值為2.43V。

單片機(jī)通過內(nèi)部定時器和計(jì)數(shù)器，可測出CF的頻率，求出有功功率，然后根據(jù)時長，即可計(jì)算得出用電量數(shù)值。

CSE7759在實(shí)際使用中必須進(jìn)行功率校準(zhǔn)[8]，充電自控系統(tǒng)中采用的方法是：加載標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載(假設(shè)功率值已知為P0)，測量出此時CF引腳輸出頻率的周期T0。由于CF引腳在沒有負(fù)載加載時輸出頻率的周期為0，且由于功率值是線性的，于是有功率校準(zhǔn)系數(shù)

(2)

當(dāng)加載一個未知的負(fù)載時，通過單片機(jī)測量出其頻率信號的周期T1，則有

(3)

在計(jì)算實(shí)際功率時，單片機(jī)程序只需按式(3)進(jìn)行校準(zhǔn)即可。

2.2無線通信機(jī)制

中心控制器和多個充電座之間采用ISM頻段的射頻無線通信方式，Si4432電路的工作頻率設(shè)置為433MHz，數(shù)據(jù)傳輸波特率設(shè)置為1.2kb/s。在兩者的無線通信過程中，具體遵循如下通信機(jī)制：

1)每個充電座檢測到充電完畢后，自動發(fā)送數(shù)據(jù)包至中心控制器，每個數(shù)據(jù)包含8Byte。具體的數(shù)據(jù)格式定義為，充電座地址2Byte,卡身份號2Byte,金額2Byte,數(shù)據(jù)包校驗(yàn)碼2Byte。

2)中心控制器檢測到設(shè)定的每月1日12:00AM到時，自動發(fā)送查詢指令至各充電座，要求返回用電量數(shù)據(jù)。充電座返回的數(shù)據(jù)包含8個字節(jié)，其中空白的2個字節(jié)null寫入0xFFFF。具體的數(shù)據(jù)格式定義為，null2Byte，充電座地址2Byte，用電量2Byte，數(shù)據(jù)包校驗(yàn)碼2Byte。

數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)碼含2Byte。若中心控制器空閑，在收到數(shù)據(jù)包后，解析后可根據(jù)校驗(yàn)碼判斷出數(shù)據(jù)是否正確；若發(fā)現(xiàn)所收數(shù)據(jù)包有誤，則中心控制器根據(jù)充電座地址，回發(fā)此數(shù)據(jù)錯誤的提示給充電座，充電座重發(fā)數(shù)據(jù)包，直至正確為止。

3結(jié)語

筆者對電動自行車自動充電控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測試，整體上達(dá)到了預(yù)期的性能：各電路功能模塊均能穩(wěn)定地可靠地工作，其中無線通信的可靠距離可達(dá)1km以上，一次通信成功率達(dá)到98%以上，較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求。該系統(tǒng)能提高電動自行車充電的便捷性，提升管理的效率，具有一定的實(shí)用價值，所涉及的IC卡讀寫、無線通信等核心技術(shù)可推廣應(yīng)用到相關(guān)行業(yè)，為技術(shù)方案設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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Design of automatic charging control system for electric bicycles

FAN Hongxing, CAI Chao, ZHANG Zhenyu

(School of Automation and Electrical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract:Currently, most of the charging systems for the electric bicycles are not very convenient for the users, in view of this situation, an automatic charging control system is designed, which is suitable for the urban residential district. The system is composed of a central controller and several intelligent chargers, and wireless communication in ISM frequency is adopted between the central controller and the chargers, hence an automatic charging control system is realized. Firstly, the basic working principle of the system is introduced, and the overall hardware structure is described. Secondly, the key circuit diagrams are given, and the modular software design elements are analyzed. Finally, the characteristics of the system are summarized. Therefore, the convenience of charging for the electric bicycles can be improved through this system, and the involved technology can be applied to the related fields.

Keywords:electric bicycle; charging control system; MCU; IC card; wireless communication

中圖分類號:TP273.5；TN919.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1671-8798(2016)01-0036-07

通信作者:張震宇，副教授，碩士，主要從事信號處理、無線通信技術(shù)、系統(tǒng)集成等方面的研究和應(yīng)用工作。

作者簡介:范虹興(1995—)，男，浙江省金華人，2013級電氣工程及其自動化專業(yè)本科生。

基金項(xiàng)目：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)(2014R415006)

收稿日期:2015-08-02

doi:10.3969/j.issn.1671-8798.2016.01.007

浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào),第28卷第1期,2016年2月

Journal of Zhejiang University of Science and Technology

Vol.28 No.1, Feb. 2016