河南科技學(xué)院 周喜紅 王世遠(yuǎn) 李宸宇 付廣春

電動(dòng)車(chē)智能計(jì)費(fèi)充電器設(shè)計(jì)

河南科技學(xué)院 周喜紅 王世遠(yuǎn) 李宸宇 付廣春

針對(duì)小區(qū)電動(dòng)車(chē)充電不合理問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于嵌入式的智能計(jì)費(fèi)充電裝置.該裝置由RN8208G電量采集芯片、STM32系列單片機(jī)、LCD1602顯示器、TF儲(chǔ)存器、支付模塊、充電模塊組成.該裝置由RN8208G電量采集芯片充電消耗的電量,通過(guò)STM32單片機(jī)送到LCD1602顯示器電路中顯示用電量和電費(fèi)等參數(shù).用戶(hù)進(jìn)行IC卡支付或者投幣式支付.通過(guò)SPI通信將用電量、電費(fèi)等參數(shù)送到上位機(jī),以便對(duì)該裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)、斷電、調(diào)壓等操作.本裝置采用電量計(jì)費(fèi)可以有效的降低了用戶(hù)充電費(fèi)用,電量使用情況可以?xún)?chǔ)存,以便讓用戶(hù)核對(duì),支付方便,增加安全性和方便性.

小區(qū)電車(chē)充電;RN8208G;上位機(jī);IC卡支付

0 引言

隨著我國(guó)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),城市污染和能源危機(jī)的加重電動(dòng)車(chē)受到廣泛的關(guān)注[1].據(jù)調(diào)查目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)使用量仍有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),隨著電動(dòng)車(chē)數(shù)量的增多,電動(dòng)車(chē)的充電也是一個(gè)問(wèn)題.小區(qū)電動(dòng)車(chē)充電大多數(shù)采用投幣式和時(shí)間計(jì)費(fèi)方式這樣計(jì)費(fèi)方式使電動(dòng)車(chē)用戶(hù)充電費(fèi)用過(guò)多,收費(fèi)不合理,給電動(dòng)車(chē)用戶(hù)增加了額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān).該裝置為了消除收費(fèi)不合理情況,選取用戶(hù)使用電量來(lái)進(jìn)行收費(fèi)的方法,使收費(fèi)合理,能通過(guò)SPI協(xié)議與計(jì)算機(jī)聯(lián)系將電量,電費(fèi),充電電壓,電流等數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存,分析可以很好的進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制,節(jié)省大量人力.

國(guó)內(nèi)外對(duì)電動(dòng)車(chē)的充電進(jìn)行了大量研究,如濟(jì)南啟能電子科技有限公司的QN-K230L型號(hào)的充電樁實(shí)現(xiàn)耗電功率顯示,投幣式支付,按照充電時(shí)間進(jìn)行支付的功能.如杭州德康DK-CDZ1型號(hào)的充電樁具有輸出電壓顯示,充電倒計(jì)時(shí)顯示,充電電流顯示,按充電時(shí)間投幣的功能.用戶(hù)對(duì)電能計(jì)量的要求越來(lái)越高,不僅要求智能電表計(jì)量準(zhǔn)確,性能穩(wěn)定,還要求能顯示出用電量等信息[3].所以本裝置使用RN8208G芯片內(nèi)部電源監(jiān)測(cè)可以保證上電和斷電時(shí)該裝置性能穩(wěn)定,具有防盜電和防漏電的功能,保證該裝置的安全性和穩(wěn)定性.采用電量計(jì)費(fèi),大大節(jié)省用戶(hù)的充電費(fèi)用,使收費(fèi)更加合理.采用標(biāo)準(zhǔn)的四線(xiàn)同步雙向串行SPI總線(xiàn).能夠高速的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,將充電樁的充電電流,充電電壓,用電量,充電功率傳送到上位機(jī)中儲(chǔ)存,一旦充電樁內(nèi)充電數(shù)據(jù)異常能夠快速反應(yīng),做出斷電和調(diào)壓等控制增加了該裝置的可靠性和安全性[2].

1 系統(tǒng)總體框圖

該裝置由電量采集模塊、A/D裝換模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、儲(chǔ)存模塊、顯示模塊、支付模塊和充電模塊組成.系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,通過(guò)RN8208G單相電量計(jì)量芯片模塊將用戶(hù)所用電量采集后通過(guò)A/D裝換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的程序算法將收費(fèi)方式按照電量進(jìn)行收費(fèi).電量使用情況可以?xún)?chǔ)存在TF卡中長(zhǎng)時(shí)間保存,可以供單片機(jī)讀取,最后將電量使用情況和最終電費(fèi)送到數(shù)碼管中顯示出來(lái).用戶(hù)可以通過(guò)IC卡和投幣進(jìn)行支付.系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)模型分析,進(jìn)行智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),基于嵌入式技術(shù)進(jìn)行智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)的硬件的模塊化設(shè)計(jì),系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括了電量采集計(jì)量模塊設(shè)計(jì)、支付模塊設(shè)計(jì)等,對(duì)其分別描述如下:

圖2 電量采集計(jì)量模塊的工作電路

(1)該裝置的電量采集計(jì)量模塊主要進(jìn)行電量的采集、計(jì)算、傳輸?shù)淖饔?該模塊具有全數(shù)字的增益、相位和當(dāng)外部噪聲(如PCB噪聲,變壓器噪聲等)較大,積分所得的能量影響到小信號(hào)精度時(shí)提高小信號(hào)有功精度的offset校正.極大的消除了電路內(nèi)部干擾,提高了計(jì)量的精度.該模塊能夠進(jìn)行SPI和USART通信,只需要控制RN8082G單相電量計(jì)量芯片的IS引腳的高低電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換,可以方便與主控單片機(jī)進(jìn)行通信.其內(nèi)部具有電源監(jiān)控電路可以保證斷電和上電時(shí)芯片可靠工作.該電量采集計(jì)量模塊的工作電路如圖2所示.

(2)該裝置的支付模塊主要作用是進(jìn)行電費(fèi)的的支付,以及將支付后的信息傳遞給單片機(jī).該模塊只需要簡(jiǎn)單的操作就可以完成對(duì)IC卡的全部操作,具有默認(rèn)尋卡方式,當(dāng)卡片進(jìn)入天線(xiàn)時(shí),LED出現(xiàn)低電平,上位機(jī)可以直接通過(guò)尋卡指令讀取卡片序列號(hào),通信采用硬件簡(jiǎn)單,資源消耗少的SPI通信,極大的提高了精確度,降低了讀卡失誤率[4].用戶(hù)刷卡信息直接通過(guò)單片機(jī)和上位機(jī)傳到PC里保存,便于核對(duì)信息.該支付模電路圖如圖3所示.

圖3 支付模塊電路圖

該裝置的充電模塊充電電路主要是對(duì)電動(dòng)車(chē)蓄電池進(jìn)行充電.次級(jí)繞組接D1、D2、D3和D5構(gòu)成二次整流電路,470UF的電解電容C8電容濾波電容.R23為蓄電池實(shí)際電壓的采樣電路,采樣蓄電池電壓的1/12.蓄電池的負(fù)極經(jīng)0.1Ω的采樣電阻接到地上構(gòu)成電流采樣電路.次級(jí)繞組的中間接線(xiàn)端經(jīng)二極管D3、限流電阻R2、12V穩(wěn)壓管ZD1、電解電容和瓷片電容組成12V穩(wěn)壓電路為散熱風(fēng)扇提供電源.該充電模塊充電電路圖如圖4所示.

圖4 充電模塊充電電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件有用戶(hù)是否確認(rèn)、有無(wú)錯(cuò)賬記錄、連接是否確認(rèn)、充電模式是否確認(rèn)、是否加電、是否充電結(jié)束、是否充電結(jié)算等軟件和人工判斷.其功能是充電模式設(shè)置能充電結(jié)束顯示充電消耗電量,便于用戶(hù)核對(duì)充電費(fèi)用[5].此軟件系統(tǒng)結(jié)合硬件系統(tǒng)可以達(dá)到省時(shí)、省電、高效、安全可靠的目的,為用戶(hù)提供良好的使用環(huán)境,也解決了用戶(hù)采用電量計(jì)費(fèi)的目的,大大節(jié)省用戶(hù)的充電費(fèi)用,使收費(fèi)更加合理.對(duì)其分別描述如下:

(1)用戶(hù)是否確認(rèn)的判斷為了防止用戶(hù)因誤操作使電動(dòng)車(chē)進(jìn)入充電模式.有無(wú)錯(cuò)賬記錄判斷為了防止充電樁充電過(guò)程中出現(xiàn)計(jì)費(fèi)錯(cuò)誤,給用戶(hù)造成損失.連接是否確認(rèn)判斷為了檢測(cè)插頭是否固定好或者插頭是否連接,提高使用安全性和可靠性.其軟件設(shè)計(jì)如圖5所示.

(2)充電模式是否確認(rèn)判斷為了保證在不同的充電時(shí)段內(nèi)充電樁輸出電壓等不同,保證了充電省時(shí)、省電、高效.是否上電判斷為了確保充電過(guò)程中上電時(shí)間準(zhǔn)確,防止電動(dòng)車(chē)出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象,延長(zhǎng)電動(dòng)車(chē)電池的使用壽命.其軟件設(shè)計(jì)圖如圖6所示.

圖5 軟件設(shè)計(jì)圖

圖6 軟件設(shè)計(jì)圖

(3)是否充電結(jié)算判斷為了核對(duì)是否充電結(jié)算存在錯(cuò)誤,如果存在錯(cuò)誤,用戶(hù)可以不進(jìn)行充電結(jié)算,待數(shù)據(jù)正常后進(jìn)行結(jié)算,此設(shè)置為用戶(hù)提供更為人性化的服務(wù).

圖7 軟件設(shè)計(jì)圖

3.結(jié)語(yǔ)

該裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能,解決了小區(qū)用戶(hù)電動(dòng)車(chē)充電費(fèi)用不合理的情況,按照電量收費(fèi).收費(fèi)模式可以自行設(shè)置,實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守.

[1]徐帥.淺談我國(guó)電動(dòng)車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)展望[J].山東工業(yè)技術(shù),2016,8:291.

[2]賈偉,邵左文,張猛.基于SPI總線(xiàn)的高速串行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2007,26(4):34-41.

[3]謝留婉.智能單相電度表設(shè)計(jì)[J].電子世界,2011,11:35-36.

[4]陶靜.智能儀器的上位機(jī)控制[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016,20:116.

[5]申全懿,武傳勝,崔歆卓,滿(mǎn)雪嵐.實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)充電計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)導(dǎo)報(bào),2016,9.

Smart meter device based on embedded

Zhou Xihong,Wang Shiyuan,Li ChenYu,Fu Guangchun
(Henan Institute of Science and Technology)

According to village electric vehicle charging unreasonable problem,designed based on embedded smart meter device.The device by RN8208G power acquisition chip,STM32 series micro-controller,LCD1602 display,TF storage,payment module,the charging module. The device by RN8208G charging power acquisition chip consumption power,through the STM32 MCU converted to the LCD1602 display circuit,the display parameters such as power consumption and electricity,then the user IC card to pay or coin-operated pay,finally through the SPI communication parameters such as power consumption,electricity to the PC,so that the device is monitoring,power outages,regulating operation,etc. This device USES electricity pricing can effectively reduce the user charge fees,electricity usage can be stored,so that the user verification,convenient payment,increase the safety and convenience.

Village trolley charge;RN8208G;PC;IC card to pay

周喜紅(1995-),男,河南新鄉(xiāng)人,河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院電氣控制及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)2014級(jí)學(xué)生.

付廣春(1972-),男,河南新鄉(xiāng)人,副教授,研究方向:智能控制及檢測(cè)技術(shù).