淺談電瓶車智能收費充電樁的設(shè)計與應(yīng)用

更新時間：2023-05-30

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胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定

摘要：針對小區(qū)電瓶車充電不合理問題，設(shè)計了基于嵌入式的智能計費充電裝置。該裝置由RN8208G電量采集芯片、STM32系列單片機、LCD1602顯示器、TF儲存器、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STM32單片機送到LCD1602顯示器電路中顯示用電量和電費等參數(shù)。用戶進行IC卡支付或者投幣式支付。通過SPI通信將用電量、電費等參數(shù)送到上位機，以便對該裝置進行監(jiān)測、斷電、調(diào)壓等操作。本裝置采用電量計費可以有效的降低了用戶充電費用，電量使用情況可以儲存，以便讓用戶核對，支付方便，增加安全性和方便性。

關(guān)鍵詞：小區(qū)電瓶車充電；RN8208G；上位機；IC卡支付

0引言

隨著我國環(huán)保意識的增強，城市污染和能源危機的加重電瓶車受到廣泛的關(guān)注。據(jù)調(diào)查目前國內(nèi)電瓶車使用量仍有繼續(xù)增長的趨勢，隨著電瓶車數(shù)量的增多，電瓶車的充電也是一個問題。小區(qū)電瓶車充電大多數(shù)采用投幣式和時間計費方式這樣計費方式使電瓶車用戶充電費用過多，收費不合理，給電瓶車用戶增加了額外的經(jīng)濟負擔。該裝置為了消除收費不合理情況，選取用戶使用電量來進行收費的方法，使收費合理，能通過SPI協(xié)議與計算機聯(lián)系將電量，電費，充電電壓，電流等數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)進行儲存，分析可以很好的進行遠程監(jiān)控和控制，節(jié)省大量人力。國內(nèi)外對電瓶車的充電進行了大量研究，充電樁實現(xiàn)耗電功率顯示，投幣式支付，按照充電時間進行支付的功能，具有輸出電壓顯示，充電計時顯示，充電電流顯示，按充電時間投幣的功能。用戶對電能計量的要求越來越高，不僅要求智能電表計量準確，性能穩(wěn)定，還要求能顯示出用電量等信息。所以本裝置使用RN8208G芯片內(nèi)部電源監(jiān)測可以保證上電和斷電時該裝置性能穩(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。采用電量計費，大大節(jié)省用戶的充電費用，使收費更加合理。采用標準的四線同步雙向串行SPI總線。能夠高速的進行數(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中儲存，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。

1系統(tǒng)總體框圖

該裝置由電量采集模塊、A/D裝換模塊、單片機小系統(tǒng)、儲存模塊、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RN8208G單相電量計量芯片模塊將用戶所用電量采集后通過A/D裝換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)過單片機內(nèi)部的程序算法將收費方式按照電量進行收費。電量使用情況可以儲存在TF卡中長時間保存，可以供單片機讀取，將電量使用情況和電費送到數(shù)碼管中顯示出來。用戶可以通過IC卡和投幣進行支付。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)設(shè)計

圖1系統(tǒng)總體框圖

2.1硬件設(shè)計

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

圖2電量采集計量模塊工作電路

(1)該裝置的電量采集計量模塊主要進行電量的采集、計算、傳輸?shù)淖饔?。該模塊具有全數(shù)字的增益、相位和當外部噪聲 (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精度時提高小信號有功精度的offset校正。大大的消除了電路內(nèi)部干擾，提高了計量的精度。該模塊能夠進行SPI和USART通信，只需要控制RN8082G單相電量計量芯片的IS引腳的高低電平進行轉(zhuǎn)換，可以方便與主控單片機進行通信。其內(nèi)部具有電源監(jiān)控電路可以保證斷電和上電時芯片可靠工作。該電量采集計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行電費的的支付，以及將支付后的信息傳遞給單片機。該模塊只需要簡單的操作就可以完成對IC卡的全部操作，具有默認尋卡方式，當卡片進入天線時，LED出現(xiàn)低電平，上位機可以直接通過尋卡指令讀取卡片序列號，通信采用硬件簡單，資源消耗少的SPI通信，大大的提高了精度，降低了讀卡失誤率。用戶刷卡信息直接通過單片機和上位機傳到PC里保存，便于核對信息。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電瓶車蓄電池進行充電。次級繞組接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為蓄電池實際電壓的采樣電路，采樣蓄電池電壓的1/12。蓄電池的負極經(jīng)0.1Q的采樣電阻接到地上構(gòu)成電流采樣電路。次級繞組的中間接線端經(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

該系統(tǒng)軟件有用戶是否確認、有無錯賬記錄、連接是否確認、充電模式是否確認、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，便于用戶核對充電費用。此軟件系統(tǒng)結(jié)合硬件系統(tǒng)可以達到省時、省電、安全可靠的目的，為用戶提供良好的使用環(huán)境，也解決了用戶采用電量計費的目的，大大節(jié)省用戶的充電費用，使收費更加合理。對其分別描述如下：

(1)用戶是否確認的判斷為了防止用戶因誤操作使電瓶車進入充電模式。有無錯賬記錄判斷為了防止充電樁充電過程中出現(xiàn)計費錯誤，給用戶造成損失。連接是否確認判斷為了檢測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)計如圖5所示。

圖5軟件設(shè)計圖

(2)充電模式是否確認判斷為了保證在不同的充電時段內(nèi)充電樁輸出電壓等不同，保證了充電省時、省電。是否上電判斷為了確保充電過程中上電時間準確，防止電瓶車出現(xiàn)過充現(xiàn)象，延長電瓶車電池的使用壽命。其軟件設(shè)計圖如圖6所示。

圖5軟件設(shè)計圖

圖6軟件設(shè)計圖

(3)是否充電結(jié)算判斷為了核對是否充電結(jié)算存在錯誤，如果存在錯誤，用戶可以不進行充電結(jié)算，待數(shù)據(jù)正常后進行結(jié)算，此設(shè)置為用戶提供更為人性化的服務(wù)。其軟件設(shè)計圖如圖7所示。

圖7軟件設(shè)計圖

3安科瑞電瓶車充電樁及收費管理系統(tǒng)的介紹

3.1電瓶車智能充電樁及收費管理系統(tǒng)架構(gòu)介紹

電瓶車智能充電樁是新一代電瓶車智能充電設(shè)備，具有交流輸出電源遠程通斷控制、充電安全控制、電度計量、按時計費功能于一體的交流供電裝置，該裝置能通過電瓶車的車配充電器為電瓶車充電。支付方式可選擇投幣、刷卡、掃描使用，設(shè)備內(nèi)部可引出 10路出線至專用插座，通過電瓶車的車配充電器完成充電?？蛇B接云平臺給用戶提供安全可靠及智能化的充電服務(wù)。

安科瑞電瓶車智能充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?qū)﹄娖寇嚦潆姌兜娜粘顟B(tài)、充電過程進行監(jiān)控；實現(xiàn)充電支付對接：支持投幣、刷卡、微信支付等多種支付方式，保證交付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進行有效的預(yù)警；實現(xiàn)對下游站級平臺的清算和對賬功能。