基于單片機的電動車電池充電保護裝置設計

楊亞萍 ，張宇航，高飔瀾

(西安航空學院a.能源與建筑學院；b.計算機學院，西安 710077)

電動車以其綠色環(huán)保、行駛便捷、價格低廉等優(yōu)勢成為我國百姓日常出行的重要交通工具。電動車充電器的安全性是衡量一部電動車優(yōu)劣的重要依據(jù)。2017年消防《火災報告表》中將火災誘發(fā)原因分為九種，其中與電動車起火事故有關的電氣火災占總比的35%，自燃火災占總比的26%，總共占比60%以上，包括不規(guī)范充電引發(fā)的火災事故[1]。2017年12月23日，公安部在《關于規(guī)范電動車停放充電加強火災防范的通告》中明確提出要規(guī)范電動車停放、充電等行為。在國家加強規(guī)范管理的同時，關鍵是如何更好地采用技術手段來提高電動車充電過程的安全性，降低火災等事故發(fā)生的概率。

使用時間久的電動車其車內(nèi)連接線路容易出現(xiàn)老化、短路等問題。由于電動車大部分充電設備缺少檢測和安全保護裝置[2]，如果車內(nèi)的電線發(fā)生短路，加上外部溫度過高，車內(nèi)塑料材質等一些部件就很容易發(fā)生燃燒。而基于單片機的電動車電池充電保護裝置，能夠解決目前電動車在充電過程中充電器內(nèi)大量熱量無法排散的問題，從而避免火災事故的發(fā)生。

1 設計方案

基于單片機的電動車電池充電保護裝置，主要由充電器本體、蓄電池、兩個數(shù)字溫度傳感器、風扇控制器、風扇、顯示屏及單片機最小控制系統(tǒng)等構成，其裝置設計如圖1所示。

圖1 裝置設計方框圖

圖1中，第一溫度傳感器裝在蓄電池上。在充電過程中，溫度傳感器用來檢測蓄電池溫度，并實時將檢測到的溫度信號送給單片機，單片機對接收的溫度信號進行處理。若檢測溫度超過系統(tǒng)設定的額定溫度，控制系統(tǒng)將自動中斷充電電源的供電。

第二溫度傳感器裝在充電器內(nèi)部。在充電過程中，溫度傳感器用來檢測充電器內(nèi)部溫度，并實時將檢測到的溫度信號送給單片機，單片機對接收到的充電器內(nèi)部溫度信號進行處理。若充電器內(nèi)部溫度超過系統(tǒng)設定的額定溫度，系統(tǒng)將根據(jù)實時溫度調(diào)節(jié)充電器內(nèi)部風扇轉速，及時排散充電器內(nèi)產(chǎn)生的熱量。另外，通過警示燈和顯示屏，車主可以在第一時間清楚直觀的看到電動車充電時充電裝置內(nèi)部的溫度變化情況。

圖2 STC89C52單片機引腳圖

2 基于單片機的電動車電池充電保護裝置硬件電路設計

2.1 單片機模塊設計

由于系統(tǒng)控制方案簡單，數(shù)據(jù)量不大，因此選用STC89C52作為控制系統(tǒng)的核心[3]。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器，并且具有AT89C51的所有功能，能夠實現(xiàn)在線編程功能。在對電路進行調(diào)試時，錯誤程序可以在線進行修改，避免了由于多次插拔芯片造成的單片機損壞。STC89C52單片機的引腳圖如圖2所示。

圖3 DS18b20數(shù)字溫度傳感器引腳圖

2.2 單片機外圍電路設計

2.2.1 溫度檢測模塊

本設計中的溫度傳感器選擇的是DALLAS公司的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18b20。DS18b20是一種較常用的溫度傳感器，具有體積小、抗干擾能力強、精度高等特點，溫度測量范圍可達-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃，可編程的分辨率為9位～12位[4]，它的核心功能是可直接讀取數(shù)字，其引腳圖如圖3所示。

由于DS18b20是一條口線通信，所以單片機與DS18b20只有一條口線連接，而每一個DS18b20都包含一個獨特的序號，多個DS18b20可以同時連接在一條總線上，這使得溫度傳感器可放置在不同的地方。

本設計中，單總線DQ端接單片機的P3.6、P3.7口，單總線DQ在閑置狀態(tài)時為高電平。

2.2.2 溫度顯示模塊

常用的顯示輸出設備一般有數(shù)碼管(LED)和液晶顯示器(LCD)。其中LED只能顯示數(shù)字和特定字符，而LCD是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊[5]。本設計選擇LCD1602A液晶顯示器作為溫度顯示模塊，LCD1602A是指顯示的內(nèi)容為16×2，即可以顯示兩行，每行16個字符，一般由若干個5×7或5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。LCD1602A以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富而被普遍應用，其引腳圖如圖4所示。

圖4 LCD1602A液晶顯示器引腳圖

2.2.3 鍵盤輸入電路

本設計按鍵電路選擇獨立式按鍵，即每個I/O接口上只接一個按鍵，另一端接地，這種接法的優(yōu)點在于編程比較簡單而且系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

2.2.4 報警電路

報警電路采用蜂鳴器作為報警元件，蜂鳴器的驅動由一個三極管和一個限流電阻組成。當三極管的基極為低電平時，三極管導通，蜂鳴器報警；當三極管的基極為高電平時，三極管截止，蜂鳴器不響。

2.3 硬件電路結構圖

根據(jù)對單片機外圍電路的設計，基于單片機的電動車電池充電保護裝置的的原理圖如圖5所示。

圖5 設計原理圖

3 設計電路虛擬仿真

為了確保設計的有效性，本設計在硬件調(diào)試之前，利用Proteus軟件進行了虛擬仿真[6]。仿真結果如圖6所示。

圖6 虛擬仿真圖

4 基于單片機的電動車電池充電保護裝置軟件設計

主程序需要實現(xiàn)的函數(shù)功能有系統(tǒng)初始化、各子模塊初始化、溫度讀取及溫度顯示功能，按鍵掃描功能，溫度處理判斷功能和風扇轉速控制功能。流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

5 結語

以單片機為核心的控制技術目前已比較成熟，并且廣泛應用于社會生產(chǎn)生活的各個方面，將其應用在電動車電池充電安全保護方面是完全可行的。基于單片機的電動車電池充電保護裝置的設計，使電動車在充電時高溫自動斷電或風扇自轉降溫，可以大大減少電動車在充電過程中高溫著火事故的發(fā)生率，既安全又方便。