基于單片機的電動自行車充電系統的設計＊
——以河北水利電力學院為例

方浩羽，左仲善，李 巖，路文梅，佟 暢

（河北水利電力學院，河北 滄州 061001）

1 概述

隨著電動自行車的普及使用，人群集中的區域的電動車充電問題日益突出。電動自行車停車棚（庫）設置的現狀如下：①缺少專門的技術標準規范；②建設布置具有滯后性；③公共電動自行車停車位缺口大；④停車棚（庫）設置布局不合理；⑤配套充電設施設置不明[1]。

以學校等人員密集場所為例，絕大多數沒有電動車充電的管理體系和設備，不能滿足人們的充電需求，而且出現了私拉電線、丟失物品、管理界限不清等現象。這種情況帶來了很大的安全隱患和管理風險，嚴重影響了學校的正常運行和管理，而此現象也同時存在于企事業單位、住宅小區和商業樓宇中。

針對以上現象，本文提出了針對學校傳統車棚的電動自行車充電系統的設計。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生概率；通過簡單的門禁系統，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現資源的有效利用。

本系統可以對傳統車棚進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境。

2 功能分析與整體設計

2.1 功能分析

在設計的過程中應根據具體的校園環境，為了滿足校園內學生和教工電動自行車的充電需求，并合理利用公共資源，防止意外電氣火災的發生，應滿足以下要求：①識別適用人群。適用人群是本校教職工和學生，因此，要對身份進行識別，避免校外人員過度使用和浪費電能資源。②保證安全。保證有度充電，避免電氣火災的發生。因此，需要對電路和功率控制有嚴格的技術要求。③節約資源，避免浪費。避免公共資源被無度使用，保安處有最高管理權限，并要求維護簡單，不能過分加重保安處的工作任務。④為電池可拆卸電動車設計的充電裝置。經觀察發現，本區域內使用電池可拆卸電瓶車較多，特為此部分電瓶車專門設計。

所以，方案中應設計以下基本功能：①能夠識別本校教職工和學生信息。根據學校的管理現狀，每位學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。在充電裝置中設置簡單的門禁系統，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。在設計方案中設置充電功率的閾值，超過閾值則停止充電、發出警報，保證充電過程中的電氣安全。③在方案中設置萬能卡，由保衛科管理，在出現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，有簡單的門禁系統，可通過刷卡實現開門功能。

2.2 系統設計

本系統以單片機為控制的核心，具體結構如圖1所示，外部設備有RFID射頻模塊，感應一卡通信息；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。控制功能包括上電開始、結束復位、充電、報警、檢測閾值、開門。

圖1 系統示意圖

本設計的思路為：通過RFID射頻模塊進行身份識別，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開發板實物圖

圖3 射頻識別模塊實物圖

圖4 電流互感器實物圖

圖5 繼電器模塊實物圖

圖6 軟件流程圖

3 硬件設計和軟件設計

3.1 硬件選型分析

在硬件設計中，根據開發的便捷性、集成度、成本考慮等因素，最終選擇以AVR Atmage系列單片機為核心的Arduino開發板作為開發平臺，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開發環境。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作為計算機中的程序開發環境。

3.1.2 射頻識別模塊

MF RC522是應用于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原裝芯片設計讀卡電路，使用方便、成本低廉，適用于設備開發、讀卡器開發等高級應用的用戶、需要進行射頻卡終端設計/生產的用戶。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，可以保證模塊穩定可靠地工作、讀卡距離遠，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。模塊可測量5 A以內的交流電流，對應模擬量輸出為5A/5 mA。測量時，被測信號導線穿過互感器圓孔，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。電流互感器實物圖如圖4所示，繼電器模塊實物圖如圖5所示。

3.2 軟件流程設計

本設計采用C語言編寫程序，整個系統程序采用模塊化設計，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。整體結構流程圖如圖6所示。

4 結束語

測試實物圖如圖7所示。經過設計完成了初步實驗，本設計的功能均可實現，效果良好。本系統使用Arduino開發板設計了一款充電系統，包括各功能模塊電路時設計及軟件設計。本系統能夠實現身份識別、功率檢測、異常情況斷電、最高權限故障排除等功能，可通過此方案對傳統車棚進行電氣化改造，成本低、操作簡單。可以推廣至商業區、住宅小區等場景使用。本系統的其他功能有待提高，比如大規模使用時的數據處理量較大的問題，有待后續改進升級。

圖7 測試實物圖