， ，

(浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 臨安 311300)

0 引言

隨著生活水平的提高，電動(dòng)自行車逐漸取代了傳統(tǒng)的人力自行車。在校園內(nèi)，這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。雖然OFO(online fuse offline)共享單車已經(jīng)入駐校園，并且受到了同學(xué)們的歡迎；但是仍有相當(dāng)大的一部分同學(xué)因?yàn)殡娖寇嚨妮p便省力選擇了電瓶車作為在校園里的代步工具。電瓶車的數(shù)量快速增加，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了學(xué)校充電樁所能承受的數(shù)量。面對(duì)這一現(xiàn)狀，本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)智能電瓶車充電樁，使用者無需攜帶充電器，只需要通過按鍵就可以選擇充電模式(充電電壓，電流)，充電樁輸出可以直接連接電瓶車充電接口，有效防止了私拉電線的問題，有效避免安全事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)是一個(gè)基于STM32的智能充電樁，使用者無需攜帶充電器，通過面板上的按鍵或者手機(jī)藍(lán)牙就可以設(shè)定充電方式(充電電壓，電流)，直接給蓄電池供電。

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

1)可以通過手機(jī)或按鍵控制輸出電壓，步進(jìn)1 V；

2)可以通過手機(jī)或按鍵控制輸出電流，步進(jìn)0.1 A；

3)可以通過手機(jī)設(shè)置充電時(shí)間，且充電結(jié)束后會(huì)有提示信息發(fā)送到手機(jī)上；

4)預(yù)設(shè)置的電壓與實(shí)際的輸出電壓誤差不超過0.5 V；

5)液晶實(shí)時(shí)顯示充電情況及消費(fèi)金額

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)是基于STM32F103VET6的智能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由按鍵模塊，藍(lán)牙

模塊，液晶顯示模塊，電源輸出模塊，STM32主控模塊等部分組成。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如下：

1)硬件部分。

按鍵模塊：實(shí)現(xiàn)電壓電流調(diào)節(jié)，控制輸出功能

液晶模塊：實(shí)時(shí)顯示信息

藍(lán)牙模塊：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)的通信

2)軟件部分。

STM32主控模塊：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制

1.3 原理

1.3.1 通信模塊原理

通信模塊使用的藍(lán)牙通信。藍(lán)牙串口模塊采用藍(lán)牙2.0協(xié)議，可與電腦，手機(jī)等具有藍(lán)牙功能的終端配對(duì)。通信接口采用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)串口，非常適合用于單片機(jī)和手機(jī)的通訊。便于用戶通過手機(jī)藍(lán)牙與單片機(jī)進(jìn)行充電數(shù)據(jù)設(shè)置。

1.3.2 按鍵原理

按鍵采用的是獨(dú)立按鍵。單片機(jī)通過一個(gè)I/O口控制一個(gè)按鍵，可以讀取按鍵的動(dòng)作來做出相應(yīng)的判斷。

1.3.3 電流電壓控制原理

輸出電壓需要電壓寬度大，分辨率高。系統(tǒng)通過單片機(jī)輸出模擬電壓，經(jīng)由高精度運(yùn)算放大器放大之后再用另一路輸出模擬電壓，通過電壓控制電流電路，通過擬合，找到輸入電壓與輸出電流的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。

2 電瓶車自動(dòng)充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控芯片選擇STM32F103VET6，顯示模塊選擇3.2寸TFT彩屏，按鍵模塊選擇獨(dú)立按鍵控制，通訊模塊選擇藍(lán)牙HC05，系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

2.1.1 主控模塊

主控模塊包括晶振電路，復(fù)位電路，下載電路等，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。原理圖如圖2所示。其中，STM32需要外部提供兩個(gè)晶振源，一個(gè)為8 MHz晶振電路，一個(gè)為32.768 MHz晶振電路，分別從12,13號(hào)引腳和8,9號(hào)引腳輸入。復(fù)位電路連接STM32的14號(hào)引腳，即復(fù)位腳，當(dāng)復(fù)位引腳的電平由高變?yōu)榈蜁r(shí)，芯片復(fù)位。

圖2 主控模塊原理圖

2.1.2 TFT液晶模塊

3.2寸TFT液晶用以顯示各類參數(shù)，SD卡可以用來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，單片機(jī)也可以從SD卡中讀取數(shù)據(jù)，在本設(shè)計(jì)中，SD卡用來存放字庫(kù)，在液晶顯示中文時(shí)從中調(diào)取字模，從而顯示中文。

2.1.3 電源電路

STM32F103芯片工作電壓為3.3 V，需要將適配器輸入的5 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V。LM2596系列集成穩(wěn)壓芯片封裝標(biāo)準(zhǔn)，使用簡(jiǎn)單，輸出電壓誤差小，且內(nèi)部自帶保護(hù)電路，即時(shí)在用戶錯(cuò)誤的操作下也不會(huì)馬上燒毀電路，是一款集準(zhǔn)確度高和安全性系數(shù)好于一身的穩(wěn)壓芯片。LM2596-3.3 V電源芯片可以完美實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的電源要求

2.1.4 按鍵模塊

按鍵用于參數(shù)設(shè)置以及輸出選擇，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的重要方式。電路中輸入端常態(tài)為低電位，按鍵按下時(shí)為高電位，單片機(jī)通過讀取這一動(dòng)作，做出相應(yīng)的判斷，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2.1.5 電壓放大電路

放大電路采用MCP6002運(yùn)算放大器MCP6002運(yùn)算放大器可用于汽車、光電二極管放大器、電池供電系統(tǒng)等方面的應(yīng)用，對(duì)供電電源的要求極低，即使單電源的供電電壓僅有1.8 V，運(yùn)算放大器也可以正常工作。此外，運(yùn)算放大器在集成電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了先進(jìn)的CMOS工藝。MCP6002的工作溫度范圍最高達(dá)到85 ℃，有效避免了電路運(yùn)行時(shí)發(fā)熱導(dǎo)致芯片不正常工作。

電壓放大電路如圖3所示。第一級(jí)運(yùn)算放大器為電壓跟隨器，可以減小輸入電阻，并可以實(shí)現(xiàn)與下一級(jí)的阻抗匹配。第二級(jí)運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓正向比例放大電路。放大倍數(shù)為：

(1)

圖3 電壓放大電路

2.1.6 電流放大電路

電流放大電路如圖4所示。該電路的前置是一個(gè)推挽電路，將其集電極信號(hào)取出(分為上、下兩個(gè)半波)，傳送給由MCP6002組成的兩個(gè)比較放大器。設(shè)計(jì)到運(yùn)放反向輸入端的反饋保證了放大后的電流波形和電壓波形與輸入端的電壓波形一致。

圖4 電流放大電路

有電壓信號(hào)輸入時(shí)，比較器U8A取上的電壓(U8A取R17上的電壓)和采樣電壓(R26，R27)相比較，以控制MOSFET管的導(dǎo)通和截止。工作態(tài)的放大公式為：

(2)

2.1.7 電源模塊

電源模塊使用的是XL7005A和XL1509芯片。XL7005A是開關(guān)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片；內(nèi)部集成保護(hù)電路，無論用戶輸入電流過大，還是不小心短路，還是電源芯片過高，芯片都會(huì)啟用保護(hù)功能，防止燒壞電路。XL7005A還具有普通DC-DC轉(zhuǎn)壓芯片不具有的優(yōu)點(diǎn)，那就是具有負(fù)載可調(diào)整率，且外圍電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便。XL1509與XL7005A相同，都是一款DC-DC轉(zhuǎn)壓芯片。芯片輸出具有2 A負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力并且轉(zhuǎn)換效率高，負(fù)載調(diào)節(jié)能力好，外圍電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便?？烧{(diào)輸出使用簡(jiǎn)單，該芯片最具特色的就是它具有使能功能，可以通過單片機(jī)或外圍電路來設(shè)置是否啟用轉(zhuǎn)壓功能。內(nèi)置保護(hù)電路，防止用戶因不正當(dāng)?shù)牟僮鳠龎碾娐贰?/p>

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 Keil軟件開發(fā)環(huán)境

Keil C51是美國(guó)Keil軟件公司出品的程序編輯平臺(tái)，它支持51系列單片機(jī)及C語(yǔ)言程序編寫，C語(yǔ)言對(duì)比匯編在實(shí)現(xiàn)相同的功能的前提下，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，可讀性大大提高，語(yǔ)言簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，非常適合初學(xué)者使用，因此易學(xué)易用。Keil軟件平臺(tái)還提供了在線軟件仿真和硬件仿真兩種調(diào)試模式，是程序員在編寫大型程序時(shí)最有效的調(diào)試助手。其支持的庫(kù)管理和宏匯編功能，可以實(shí)現(xiàn)編程時(shí)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言相互嵌入交替使用，因此方便程序員編寫程序。2005年，keil并入ARM公司后，提供了更多更好的32位芯片及微處理器，滿足各個(gè)領(lǐng)域的使用需求，在微處理器設(shè)計(jì)生產(chǎn)的越來越集成化，越來越小巧化，并且使芯片的成本越來越實(shí)惠化，在科技高速發(fā)展的現(xiàn)代化信息時(shí)代，有非?？捎^的市場(chǎng)。

ARM公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)出了同時(shí)兼容ARM7，ARM9，Cortex-M等系列微處理器的仿真器J-Link，因此提供給程序員硬件仿真的方式，使程序員能夠軟硬件結(jié)合的調(diào)試，開發(fā)設(shè)計(jì)了斷點(diǎn)的功能按鈕，使程序能夠一步一步執(zhí)行，完美的解決了程序跑飛、軟硬件交互實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。在開發(fā)了J-Link的基礎(chǔ)上，ARM公司接著又推出了相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)包，能夠兼容市面上大多數(shù)版本的Keil軟件和J-Link。軟件開發(fā)使用的是Keil5的環(huán)境平臺(tái)，其在保留原有Keil4功能的基礎(chǔ)上，解決了一些調(diào)試器Bug，優(yōu)化并美觀了用戶使用界面。

2.2.2 軟件程序流程圖

系統(tǒng)開始運(yùn)行后先初始化各個(gè)設(shè)備(包括液晶初始化，按鍵初始化，時(shí)鐘模塊初始化，串口初始化，中斷初始化)再進(jìn)行判斷，在有按鍵動(dòng)作時(shí)，程序做出相應(yīng)的判斷，輸出相應(yīng)的電壓，在液晶上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并用中斷接收數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理，做出相應(yīng)的動(dòng)作。程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件程序流程圖

2.2.3 液晶模塊子程序

要讓液晶正常工作并顯示需要的信息，需要對(duì)液晶進(jìn)行初始化，初始化液晶包括GPIO的配置，時(shí)鐘配置，是否開啟背光燈，ILI9341寄存器初始化，顯示模式選擇等。在初始化完畢后，選擇液晶顯示的背景色，顯示字體顏色，如果要顯示中文，則需要用中斷實(shí)現(xiàn)從SD卡里讀取字庫(kù)，設(shè)置顯示位置，大小等。最終顯示出要顯示的所有信息。

2.2.4 藍(lán)牙通訊模塊

藍(lán)牙模塊采用程序發(fā)送，中斷接收的模式。波特率設(shè)置為9 600，無校驗(yàn)位，1位停止位，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)。藍(lán)牙發(fā)送采用程序直接發(fā)送，通過命令Usart_SendString；可以發(fā)送使用者想要發(fā)送到主機(jī)上，其中string為發(fā)送的數(shù)據(jù)，USART1x為串口名稱。接收方式采用中斷接收，即收到從機(jī)上發(fā)送的數(shù)據(jù)，便會(huì)產(chǎn)生中斷，將收到的數(shù)據(jù)存放的一個(gè)數(shù)組里，供主機(jī)讀取處理。

2.2.5 時(shí)鐘模塊

配置時(shí)鐘模塊，每1 s產(chǎn)生一次中斷，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。單片機(jī)判斷有無在藍(lán)牙或者按鍵接收了充電時(shí)間，接收之后對(duì)充電時(shí)間進(jìn)行賦值，秒中斷使能。每過1秒中斷，系統(tǒng)要做出相應(yīng)的判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的倒計(jì)時(shí)，由于液晶顯示的是ASCII值，0再減一會(huì)變?yōu)椤?’，當(dāng)出現(xiàn)‘/’時(shí)，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的借位處理。秒個(gè)位借位到秒十位，秒十位借位到分個(gè)位，分個(gè)位結(jié)位到分十位，分十位借到時(shí)個(gè)位，時(shí)個(gè)位借到時(shí)十位，六位都為0時(shí)，結(jié)束輸出，單片機(jī)停止充電指令。

2.2.6 按鍵程序

充電電壓，電流，開始充電，停止充電等功能除了可以通過藍(lán)牙控制之外，也可以通過按鍵直接進(jìn)行控制。

判斷按鍵是否按下的程序如下：

uint8_tKey_Scan(GPIO_TypeDef*GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)

{

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) KEY_ON )

{

while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) KEY_ON);

return KEY_ON;

}

else

return KEY_OFF;

}

其中，KEY_ON代表1，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，程序返回1，無按鍵按下時(shí)返回0。

while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) KEY_ON);語(yǔ)句保證了一次按鍵按下不會(huì)多次返回1，僅當(dāng)按鍵松開后，程序才會(huì)返回1。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

測(cè)試設(shè)備：智能充電模塊一個(gè)、電壓源MS-603D一個(gè)、裝有藍(lán)牙助手的安卓手機(jī)一個(gè)、萬用表VC890C+一個(gè)。

測(cè)試溫度：由于溫度會(huì)影響蓄電池的充電，測(cè)試時(shí)的溫度為20～25 ℃，充電效果受溫度影響小。

3.1 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面如圖6所示。界面包括設(shè)置電壓，設(shè)置電流，充電剩余時(shí)間，實(shí)時(shí)消費(fèi)金額以及按鍵說明。

S10：增大電壓，步進(jìn)1 V，最高電壓為60 V；

S9： 增大電流，步進(jìn)0.1 A，最大電流為3 A；

S8：設(shè)置充電時(shí)間為2小時(shí)，若要設(shè)置任意時(shí)間，需要用藍(lán)牙控制；

S4：開始充電，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；

S3：停止充電，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。

圖6 系統(tǒng)界面圖

3.2 充電測(cè)試

設(shè)置充電電，電流以及充電剩余時(shí)間。然后用萬用表測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量預(yù)設(shè)電壓與實(shí)際輸出電壓的差值。

設(shè)置完電壓電流和充電時(shí)間，在開始按鍵S4沒按下之前，輸出電壓為0，時(shí)間為2個(gè)小時(shí)不變。

按下S4后，開始充電，開始輸出電壓電流，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，測(cè)量的輸出電壓與設(shè)置電壓電壓差值為0.1 V，符合設(shè)計(jì)的需求。

實(shí)時(shí)消費(fèi)金額為已充電時(shí)間與每分鐘充電價(jià)格相乘之積，本設(shè)計(jì)中充電價(jià)格為0.005元/分鐘(充電價(jià)格可調(diào))，開始設(shè)置的充電時(shí)間為2小時(shí)。在充電剩余時(shí)間為1小時(shí)26分33秒時(shí)，液晶顯示實(shí)時(shí)消費(fèi)為0.165元，符合設(shè)計(jì)需求。

當(dāng)充電剩余時(shí)間為0時(shí)，電壓停止輸出，萬用表測(cè)得輸出電壓為0，實(shí)時(shí)消費(fèi)金額顯示為0.6元。

3.3 藍(lán)牙測(cè)試

藍(lán)牙功能指令如下：setu1234 表示設(shè)置電壓為12.34 V，其中setu大小寫均可；seti1234 表示設(shè)置電壓為1.234 A，其中seti大小寫均可；st123456 表示設(shè)置充電時(shí)間為12:34:56，其中st大小寫均可；readiu 表示讀取當(dāng)前輸出的電壓電流值，大小寫均可；out 表示開始充電，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，大小寫均可；end表示結(jié)束充電，計(jì)數(shù)器清零，大小寫均可；pay表示讀取已消費(fèi)金額，大小寫均可。開始測(cè)試前先要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙與手機(jī)的配對(duì)連接，藍(lán)牙未連接時(shí)LED等快速閃動(dòng)，與手機(jī)配對(duì)成功后，LED有規(guī)律閃動(dòng)，配對(duì)成功如圖7所示。

圖7 藍(lán)牙成功配對(duì)

3.4 測(cè)試結(jié)果分析

系統(tǒng)完成了按鍵和藍(lán)牙對(duì)充電電壓、充電電流和剩余充電時(shí)間的設(shè)置，實(shí)時(shí)消費(fèi)金額能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的單價(jià)進(jìn)行計(jì)算，剩余充電時(shí)間為0時(shí)，系統(tǒng)停止充電，輸出電壓電流降為0。

系統(tǒng)還存在不足，如沒有引入支付平臺(tái)，以時(shí)間來計(jì)算價(jià)格等。所以還需要進(jìn)一步的工作：

1)將系統(tǒng)與微信平臺(tái)關(guān)聯(lián)，可以通過微信支付充電金額，設(shè)置充電電壓電流及時(shí)間。

2)實(shí)時(shí)讀取充電的電壓電流大小，用更合理的方式計(jì)算消費(fèi)金額，而不是只以充電時(shí)間為衡量?jī)r(jià)格的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)智能充電管理系統(tǒng)，基于STM32平臺(tái)和藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了充電的智能管理，其中主要的研究成果如下：

1)可以通過手機(jī)或按鍵控制輸出電壓電流和充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了充電的智能化。

2)預(yù)設(shè)置的電壓與實(shí)際的輸出電壓誤差不超過0.5 V，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控電壓電流源。

3)實(shí)現(xiàn)了液晶實(shí)時(shí)顯示充電情況及消費(fèi)金額。

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