基于單片機(jī)的電動自行車充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊
——以河北水利電力學(xué)院為例

方浩羽，左仲善，李 巖，路文梅，佟 暢

（河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001）

1 概述

隨著電動自行車的普及使用，人群集中的區(qū)域的電動車充電問題日益突出。電動自行車停車棚（庫）設(shè)置的現(xiàn)狀如下：①缺少專門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；②建設(shè)布置具有滯后性；③公共電動自行車停車位缺口大；④停車棚（庫）設(shè)置布局不合理；⑤配套充電設(shè)施設(shè)置不明[1]。

以學(xué)校等人員密集場所為例，絕大多數(shù)沒有電動車充電的管理體系和設(shè)備，不能滿足人們的充電需求，而且出現(xiàn)了私拉電線、丟失物品、管理界限不清等現(xiàn)象。這種情況帶來了很大的安全隱患和管理風(fēng)險，嚴(yán)重影響了學(xué)校的正常運(yùn)行和管理，而此現(xiàn)象也同時存在于企事業(yè)單位、住宅小區(qū)和商業(yè)樓宇中。

針對以上現(xiàn)象，本文提出了針對學(xué)校傳統(tǒng)車棚的電動自行車充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過RFID識別身份，使得本單位人員可以使用、有效管理；通過限定安全功率閾值，可降低在充電過程中著火等事故的發(fā)生概率；通過簡單的門禁系統(tǒng)，可降低物品丟失率，防止充電過程中的人為干擾；通過保安定時巡邏管理實(shí)現(xiàn)資源的有效利用。

本系統(tǒng)可以對傳統(tǒng)車棚進(jìn)行電氣化和智能化的改造，改造后可以有效管理充電難、充電亂、充電不安全的問題，還可以通過改造車棚營造良好的校園環(huán)境。

2 功能分析與整體設(shè)計(jì)

2.1 功能分析

在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)根據(jù)具體的校園環(huán)境，為了滿足校園內(nèi)學(xué)生和教工電動自行車的充電需求，并合理利用公共資源，防止意外電氣火災(zāi)的發(fā)生，應(yīng)滿足以下要求：①識別適用人群。適用人群是本校教職工和學(xué)生，因此，要對身份進(jìn)行識別，避免校外人員過度使用和浪費(fèi)電能資源。②保證安全。保證有度充電，避免電氣火災(zāi)的發(fā)生。因此，需要對電路和功率控制有嚴(yán)格的技術(shù)要求。③節(jié)約資源，避免浪費(fèi)。避免公共資源被無度使用，保安處有最高管理權(quán)限，并要求維護(hù)簡單，不能過分加重保安處的工作任務(wù)。④為電池可拆卸電動車設(shè)計(jì)的充電裝置。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，本區(qū)域內(nèi)使用電池可拆卸電瓶車較多，特為此部分電瓶車專門設(shè)計(jì)。

所以，方案中應(yīng)設(shè)計(jì)以下基本功能：①能夠識別本校教職工和學(xué)生信息。根據(jù)學(xué)校的管理現(xiàn)狀，每位學(xué)生和教職工均有一卡通，可以通過讀取一卡通中的編號信息，確定是否是本校人員。②保證充電過程的安全。在充電裝置中設(shè)置簡單的門禁系統(tǒng)，保證整個充電過程的無人打擾，沒有外界人為因素的干擾，保證充電過程的安全。在設(shè)計(jì)方案中設(shè)置充電功率的閾值，超過閾值則停止充電、發(fā)出警報，保證充電過程中的電氣安全。③在方案中設(shè)置萬能卡，由保衛(wèi)科管理，在出現(xiàn)報警情況或者其他意外情況時，使用萬能卡處理緊急情況。④充電裝置安裝在可容納電瓶車充電電池的空間內(nèi)，有簡單的門禁系統(tǒng)，可通過刷卡實(shí)現(xiàn)開門功能。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制的核心，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，外部設(shè)備有RFID射頻模塊，感應(yīng)一卡通信息；有功率檢測模塊，檢測充電過程中的充電功率情況；有顯示屏，顯示使用狀態(tài)。控制功能包括上電開始、結(jié)束復(fù)位、充電、報警、檢測閾值、開門。

圖1 系統(tǒng)示意圖

本設(shè)計(jì)的思路為：通過RFID射頻模塊進(jìn)行身份識別，將信息傳給CPU對比后使用充電功能；在充電過程中，用功率檢測模塊檢測電瓶車充電功率，檢查是否超過閾值，避免不安全的用電；在充電過程中其他卡刷卡不會打擾設(shè)備充電，保證整個充電過程無干擾；通過再次刷卡正常停止充電過程，如果遇到異常情況，則可使用萬能卡解鎖，保證充電安全。

圖2 Arduino開發(fā)板實(shí)物圖

圖3 射頻識別模塊實(shí)物圖

圖4 電流互感器實(shí)物圖

圖5 繼電器模塊實(shí)物圖

圖6 軟件流程圖

3 硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件選型分析

在硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)開發(fā)的便捷性、集成度、成本考慮等因素，最終選擇以AVR Atmage系列單片機(jī)為核心的Arduino開發(fā)板作為開發(fā)平臺，還包括射頻識別模塊、電流互感器模塊、繼電器、顯示屏等硬件模塊。

3.1.1 Arduino開發(fā)板

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，如圖2所示，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。硬件部分是可以用來作電路連接的Arduino電路板；軟件部分是使用Arduino IDE作為計(jì)算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境。

3.1.2 射頻識別模塊

MF RC522是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片。MF522-AN模塊采用Philips MFRC522原裝芯片設(shè)計(jì)讀卡電路，使用方便、成本低廉，適用于設(shè)備開發(fā)、讀卡器開發(fā)等高級應(yīng)用的用戶、需要進(jìn)行射頻卡終端設(shè)計(jì)/生產(chǎn)的用戶。本模塊可直接裝入各種讀卡器模具。模塊采用電壓為3.3 V，通過SPI接口簡單的幾條線就可以直接與用戶任何CPU主板相連接通信，可以保證模塊穩(wěn)定可靠地工作、讀卡距離遠(yuǎn)，如圖3所示。

3.1.3 電流互感器

電流互感器采用ZMCT103B/C型電流互感器，其體積小、精度高、一致性好，適用于電力測量和保護(hù)。模塊可測量5 A以內(nèi)的交流電流，對應(yīng)模擬量輸出為5A/5 mA。測量時，被測信號導(dǎo)線穿過互感器圓孔，輸出信號接口為S和G，一般G作為信號地。該模塊輸出信號為交流電壓信號。電流互感器實(shí)物圖如圖4所示，繼電器模塊實(shí)物圖如圖5所示。

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用C語言編寫程序，整個系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括功率采集模塊、射頻模塊、閾值檢查模塊、正常充電和警報模塊。整體結(jié)構(gòu)流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

測試實(shí)物圖如圖7所示。經(jīng)過設(shè)計(jì)完成了初步實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的功能均可實(shí)現(xiàn)，效果良好。本系統(tǒng)使用Arduino開發(fā)板設(shè)計(jì)了一款充電系統(tǒng)，包括各功能模塊電路時設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)身份識別、功率檢測、異常情況斷電、最高權(quán)限故障排除等功能，可通過此方案對傳統(tǒng)車棚進(jìn)行電氣化改造，成本低、操作簡單?？梢酝茝V至商業(yè)區(qū)、住宅小區(qū)等場景使用。本系統(tǒng)的其他功能有待提高，比如大規(guī)模使用時的數(shù)據(jù)處理量較大的問題，有待后續(xù)改進(jìn)升級。

圖7 測試實(shí)物圖