羅淇仁;陳定鑫;曾松偉【摘要】Atpresent,thenumberofelectricbicyclesoncampusisincreasing,chargingisdifficultandchargingsecurityissuesaregettingmoreandmoreattention.Privatepullwire,carbatterychargerswithnoqualityguaranteesissuedaccidentsoneafteranother,totheconstructionofsafecampusbringseriousharm.Inthefaceofthissituation,thistopicwilldesignaSTM32-basedsmartchargingpile,usersdonotneedtocarrythecharger,throughthepanelkeyscansetthechargingmethod(chargingvoltage,current),directlytothebatterypowersupply.Thesystemhasawirelesstransmissionfunction,toachieveinteractionwiththemobilephonedatatofacilitatethecontrolofthecharge.Theendofthechargewillautomaticallypoweroff,andsendinformationtothephone,toremindtheusertopoweroffthebike.%由于電動自行車操作簡單，騎行省時省力，目前校園電動自行車數(shù)量越來越多，而電動自行車最大的問題在于充電，在行程中如果對電量估算不足，極有可能在行程中就停止工作，而在路上找一個可以充電的地方是十分困難的;充電難以及充電安全問題越來越得到大家的重視;私拉電線，電瓶車配備的充電器質(zhì)量沒有保障所導(dǎo)致的發(fā)安全事故層出不窮，給平安校園建設(shè)帶來嚴(yán)重的危害；面對這一現(xiàn)狀，設(shè)計一個基于STM32的智能充電樁，使用者無需攜帶充電器，通過面板上的按鍵就可以設(shè)定充電方式(充電電壓，電流),直接給蓄電池供電;設(shè)計的系統(tǒng)擁有無線傳輸功能，實現(xiàn)與手機數(shù)據(jù)交互，方便對充電的控制;充電結(jié)束時會自動斷電，并發(fā)送信息到手機上,提醒使用者及時斷電取車.【期刊名稱】《計算機測量與控制》【年(卷)，期】2018(026)001【總頁數(shù)】4頁(P99-102)【關(guān)鍵詞】電動自行車;充電;藍(lán)牙;實時監(jiān)視【作者】羅淇仁;陳定鑫;曾松偉【作者單位】浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江臨安311300;浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江臨安311300;浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江臨安311300【正文語種】中文【中圖分類】TP30引言隨著生活水平的提高，電動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(onlinefuseoffline)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)因為電瓶車的輕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。面對這一現(xiàn)狀，本課題設(shè)計了一個智能電瓶車充電樁，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)實現(xiàn)功能1） 可以通過手機或按鍵控制輸出電壓，步進(jìn)1V；2） 可以通過手機或按鍵控制輸出電流，步進(jìn)0.1A；3） 可以通過手機設(shè)置充電時間，且充電結(jié)束后會有提示信息發(fā)送到手機上；4） 預(yù)設(shè)置的電壓與實際的輸出電壓誤差不超過0.5V；5） 液晶實時顯示充電情況及消費金額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：實現(xiàn)電壓電流調(diào)節(jié)，控制輸出功能液晶模塊：實時顯示信息藍(lán)牙模塊：實現(xiàn)單片機與手機的通信2） 軟件部分。STM32主控模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)的實時控制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，手機等具有藍(lán)牙功能的終端配對。通信接口采用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)串口，非常適合用于單片機和手機的通訊。便于用戶通過手機藍(lán)牙與單片機進(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立按鍵。單片機通過一個I/O口控制一個按鍵，可以讀取按鍵的動作來做出相應(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)通過單片機輸出模擬電壓，經(jīng)由高精度運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，實現(xiàn)對電流的控制。2電瓶車自動充電控制系統(tǒng)設(shè)計2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計主控芯片選擇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，對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時控制。原理圖如圖2所示。其中，STM32需要外部提供兩個晶振源，一個為8MHz晶振電路，一個為32.768MHz晶振電路，分別從12,13號弓I腳和8,9號引腳輸入。復(fù)位電路連接STM32的14號引腳，即復(fù)位腳，當(dāng)復(fù)位引腳的電平由高變?yōu)榈蜁r，芯片復(fù)位。圖2主控模塊原理圖2.1.2TFT液晶模塊3.2寸TFT液晶用以顯示各類參數(shù)，SD卡可以用來儲存數(shù)據(jù)，單片機也可以從SD卡中讀取數(shù)據(jù)，在本設(shè)計中，SD卡用來存放字庫，在液晶顯示中文時從中調(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3.3V，需要將適配器輸入的5V電壓轉(zhuǎn)為3.3V。LM2596系列集成穩(wěn)壓芯片封裝標(biāo)準(zhǔn)，使用簡單，輸出電壓誤差小，且內(nèi)部自帶保護(hù)電路，即時在用戶錯誤的操作下也不會馬上燒毀電路，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。LM2596-3.3V電源芯片可以完美實現(xiàn)本設(shè)計的電源要求2.1.4按鍵模塊按鍵用于參數(shù)設(shè)置以及輸出選擇，是實現(xiàn)人機交互功能的重要方式。電路中輸入端常態(tài)為低電位，按鍵按下時為高電位，單片機通過讀取這一動作，做出相應(yīng)的判斷，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。2.1.5電壓放大電路放大電路采用MCP6002運算放大器MCP6002運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，對供電電源的要求極低，即使單電源的供電電壓僅有1.8V，運算放大器也可以正常工作。此外，運算放大器在集成電路設(shè)計時采用了先進(jìn)的CMOS工藝。MCP6002的工作溫度范圍最高達(dá)到85°C,有效避免了電路運行時發(fā)熱導(dǎo)致芯片不正常工作。電壓放大電路如圖3所示。第一級運算放大器為電壓跟隨器，可以減小輸入電阻，并可以實現(xiàn)與下一級的阻抗匹配。第二級運算放大器構(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推挽電路，將其集電極信號取出(分為上、下兩個半波)，傳送給由MCP6002組成的兩個比較放大器。設(shè)計到運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輸入時，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，那就是具有負(fù)載可調(diào)整率，且外圍電路簡單，設(shè)計方便。XL1509與XL7005A相同，都是一款DC-DC轉(zhuǎn)壓芯片。芯片輸出具有2A負(fù)載驅(qū)動能力并且轉(zhuǎn)換效率高，負(fù)載調(diào)節(jié)能力好，外圍電路簡單，設(shè)計方便。可調(diào)輸出使用簡單，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?.2軟件系統(tǒng)設(shè)計2.2.1Keil軟件開發(fā)環(huán)境KeilC51是美國Keil軟件公司出品的程序編輯平臺，它支持51系列單片機及C語言程序編寫，C語言對比匯編在實現(xiàn)相同的功能的前提下，結(jié)構(gòu)更加簡單，可讀性大大提高，語言簡單，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最有效的調(diào)試助手。其支持的庫管理和宏匯編功能，可以實現(xiàn)編程時C語言和匯編語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，滿足各個領(lǐng)域的使用需求，在微處理器設(shè)計生產(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惠化，在科技高速發(fā)展的現(xiàn)代化信息時代，有非常可觀的市場。ARM公司設(shè)計生產(chǎn)出了同時兼容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)計了斷點的功能按鈕，使程序能夠一步一步執(zhí)行，完美的解決了程序跑飛、軟硬件交互實時性差等缺點。在開發(fā)了J-Link的基礎(chǔ)上，ARM公司接著又推出了相對應(yīng)的驅(qū)動包，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，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)開始運行后先初始化各個設(shè)備（包括液晶初始化，按鍵初始化，時鐘模塊初始化，串口初始化，中斷初始化）再進(jìn)行判斷，在有按鍵動作時，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，需要對液晶進(jìn)行初始化，初始化液晶包括GPIO的配置，時鐘配置，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，則需要用中斷實現(xiàn)從SD卡里讀取字庫，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9600，無校驗位，1位停止位，數(shù)據(jù)長度為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)送到主機上，其中string為發(fā)送的數(shù)據(jù)，USARTlx為串口名稱。接收方式采用中斷接收，即收到從機上發(fā)送的數(shù)據(jù)，便會產(chǎn)生中斷，將收到的數(shù)據(jù)存放的一個數(shù)組里，供主機讀取處理。2.2.5時鐘模塊配置時鐘模塊，每1s產(chǎn)生一次中斷，實現(xiàn)計時功能。單片機判斷有無在藍(lán)牙或者按鍵接收了充電時間，接收之后對充電時間進(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，實現(xiàn)對時間的倒計時，由于液晶顯示的是ASCII值，0再減一會變?yōu)?，當(dāng)出現(xiàn)/時，系統(tǒng)要實現(xiàn)相應(yīng)的借位處理。秒個位借位到秒十位，秒十位借位到分個位，分個位結(jié)位到分十位，分十位借到時個位，時個位借到時十位，六位都為0時，結(jié)束輸出，單片機停止充電指令。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_tGPIO_Pin){if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin)KEY_ON){while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin)KEY_ON);returnKEY_ON;}elsereturnKEY_OFF;}其中，KEY_ON代表1，當(dāng)有按鍵按下時，程序返回1，無按鍵按下時返回0。while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin)KEY_ON);語句保證了一次按鍵按下不會多次返回1,僅當(dāng)按鍵松開后，程序才會返回1。3系統(tǒng)測試與分析測試設(shè)備：智能充電模塊一個、電壓源MS-603D-個、裝有藍(lán)牙助手的安卓手機一個、萬用表VC890C+—個。測試溫度：由于溫度會影響蓄電池的充電，測試時的溫度為20-25°C,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，充電剩余時間，實時消費金額以及按鍵說明。S10:增大電壓，步進(jìn)1V,最高電壓為60V;S9:增大電流，步進(jìn)0.1A，最大電流為3A；S8:設(shè)置充電時間為2小時，若要設(shè)置任意時間，需要用藍(lán)牙控制；S4:開始充電，計時器開始計時；S3:停止充電，計時器停止計時。圖6系統(tǒng)界面圖3.2充電測試設(shè)置充電電，電流以及充電剩余時間。然后用萬用表測量數(shù)據(jù)，測量預(yù)設(shè)電壓與實際輸出電壓的差值。設(shè)置完電壓電流和充電時間，在開始按鍵S4沒按下之前，輸出電壓為0，時間為2個小時不變。按下S4后，開始充電，開始輸出電壓電流，計時器開始計時，測量的輸出電壓與設(shè)置電壓電壓差值為0.1V，符合設(shè)計的需求。實時消費金額為已充電時間與每分鐘充電價格相乘之積，本設(shè)計中充電價格為0.005元/分鐘（充電價格可調(diào)），開始設(shè)置的充電時間為2小時。在充電剩余時間為1小時26分33秒時，液晶顯示實時消費為0.165元，符合設(shè)計需求。當(dāng)充電剩余時間為0時，電壓停止輸出，萬用表測得輸出電壓為0，實時消費金額顯示為0.6元。3.3藍(lán)牙測試藍(lán)牙功能指令如下：setu1234表示設(shè)置電壓為12.34V，其中setu大小寫均可；seti1234表示設(shè)置電壓為1.234A，其中seti大小寫均可；st123456表示設(shè)置充電時間為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，計數(shù)器開始計時，大小寫均可；end表示結(jié)束充電，計數(shù)器清零，大小寫均可；pay表示讀取已消費金額，大小寫均可。開始測試前先要實現(xiàn)藍(lán)牙與手機的配對連接，藍(lán)牙未連接時LED等快速閃動，與手機配對成功后，LED有規(guī)律閃動，配對成功如圖7所示。圖7藍(lán)牙成功配對3.4測試結(jié)果分析系統(tǒng)完成了按鍵和藍(lán)牙對充電電壓、充電電流和剩余充電時間的設(shè)置，實時消費金額能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的單價進(jìn)行計算，剩余充電時間為0時，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，以時間來計算價格等。所以還需要進(jìn)一步的工作：1） 將系統(tǒng)與微信平臺關(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間。2） 實時讀取充電的電壓電流大小，用更合理的方式計算消費金額，而不是只以充電時間為衡量價格的唯一標(biāo)準(zhǔn)。4結(jié)論設(shè)計了一個智能充電管理系統(tǒng)，基于STM32平臺和藍(lán)牙模塊實現(xiàn)了充電的智能管理，其中主要的研究成果如下：可以通過手機或按鍵控制輸出電壓電流和充電時間，實現(xiàn)了充電的智能化。預(yù)設(shè)置的電壓與實際的輸出電壓誤差不超過0.5V，實現(xiàn)了數(shù)控電壓電流源。實現(xiàn)了液晶實時顯示充電情況及消費金額。【相關(guān)文獻(xiàn)】王錦堯.國內(nèi)外電動自行車充電樁對比[J].合作經(jīng)濟與科技，2017(1):71-72.張琳陽，泳蔣悅，江世明.基于STC89C52單片機的數(shù)控電流源設(shè)計[J].科技資訊，2014(35):30.JoaoMirandal,JoseBorges,DuarteValerioandMarioJ.G.C.Mendes.Multi-agentmanagementsystemforelectricvehiclecharging[J].Int.Trans.Electr.Energ.Syst.2015；25:770-788.文濱.電動汽車充電的智能控制策略及系統(tǒng)集成設(shè)計研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.王源.電動汽車智能充電樁系統(tǒng)研究[D].長