一個電動自行車智能充電系統的設計與實現

付三麗 馬雄風 黃恒一

（三亞學院，海南 三亞 572022）

1 引言

當前隨著國家經濟飛速發展，人們的生活水平越來越高，對能源的需求越來越大，能源供應愈發緊缺，對新能源的開發與利用成為國家能源政策的重點。隨著新能源技術的發展，人們的交通方式也發生了變化，電動車代替傳統燃油車已是大勢所趨[1]。

文中所設計的智能充電系統是用單片機作為核心，制作一個可以實時監測系統充電狀況、對監測到的數據進行分析并通過藍牙將信息傳送至手機端的智能充電器，讓用戶實時動態了解及掌控系統的充電狀況。文中研究的充電系統不僅可以提高電池的充電效率，減少對環境的污染，還可以有效延長電池的使用壽命[2]。

2 系統設計原理圖

充電系統的原理圖如圖1所示，系統設計主要完成電池信息測量模塊的設計。硬件部包括電源電路、單片機最小系統電路、顯示模塊、A/D轉換電路、藍牙模塊五大組成部分，其中軟件方面運用了單片機C語言，最后能夠測量出電池的電壓，并且通過程序轉換后實現數字顯示[3]。

圖1 單片機最小系統電路圖

系統中單片機最小系統電路是由一個STC89C51芯片、時鐘電路和復位電路組成，顯示模塊采用了LCD1602顯示模塊，因為STC89C51單片機支持串口輸送功能，所以在仿真設計時用的是虛擬終端（一個讀一個寫）對其進行替代，在硬件上再換成藍牙模塊，藍牙模塊仿真電路圖如圖2，藍牙模塊芯片如圖3。

圖2 虛擬終端原理圖

圖3 藍牙芯片實物圖

3 電池信息采集模塊設計思路

3.1 電池的容量

電動自行車用鉛酸電池的容量以C2為準，即以0.5C2電流放電，當電壓達到該電池的放電終止電壓時的放電時間和電流的乘積應等于或接近額定容量值。總發電量可用安培小時(Ah)或者瓦特小時(W·h)來表示，一般用安培小時(Ah)表示。不過，當鉛酸電池的容量使用安培來表示時，并不代表著鉛酸電池在放電時的放電電流是恒定的。在實際中，鉛酸電池中活性物質的利用率決定了鉛酸電池的實際容量，因為活性物質并不能充分利用，所以電池在應用中的理論容量一般都會比實際容量高。經過多次循環充放電，鉛酸電池的實際容量會持續下降[4]，電池壽命也會下降，電池壽命其實要看的是電池的循環使用次數，也就是充電次數。

3.2 鉛酸蓄電池的充放電曲線

蓄電池進行充電、放電時，表示鉛酸蓄電池的電壓、充入電量、電解液的溫度以及電解液的密度隨時間的變化情況的曲線稱為鉛酸蓄電池的特性曲線，如圖4所示。

圖4 充電特性曲線

由圖4系統充電特性曲線圖可知，當系統電池100%放電后，隨著充電時間的增加，當充電至20h時候，電池充電量至100%，后續隨著充電時間的延長，電池充電飽和度數值趨至穩定；當充電8h時候，充電電壓至13.5v，后續隨著充電時間的延長，電池充電電壓數值趨至穩定；當充電8h時候，充電電流下降至0.07CA，后續隨著充電時間的延長，當充電至24h時，充電電流數值趨至穩定0.01CA。

通過圖4充電特性曲線圖，當充電時間到達一定時，電池電壓趨于穩定，本系統將7.5V設置為電池容量0%，系統處于100%放電，將14.5V設置為充電容量為100%，我們由圖4中充電飽和度曲線可以得知，當充電電壓數值為14.5V時候，電池的充電飽和度容量超越數值99%，趨近于100%。當電池充電電壓至13.5v，后續隨著充電時間的延長，電池充電電壓數值趨至穩定，但是根據圖4充電曲線可得知，此時電池充電量飽和度數值趨近于70%左右。由此得出本藍牙充電系統的充電規律曲線，如圖5所示。

圖5 充電規律曲線

由圖5可知，圖5中橫坐標數據為系統充電當前電壓數值，單位為v，縱坐標為電池充電電容容量百分比。由充電曲線圖可得公式：充電進度=（當前電壓-7.5）/（14.5-7.5），通過這個充電電壓與電量的規律，我們可以計算出大致的充電時間，當單片機獲取充電信息以后，經過程序運算，就可以得到實時的充電進度以及剩余充電時間等信息，然后再通過單片機上的LCD1602顯示屏將數據顯示出來或者是通過單片機上串口將數據通過無線藍牙傳輸至手機端進行顯示[5]。

4 系統軟件設計

4.1 系統設計流程圖

如圖6所示為系統的主程序流程圖。

圖6 系統主控程序框圖

4.2 系統控制軟件設計關鍵代碼

系統主控序框圖中的系統初始化包括了單片機初始化、液晶顯示器的初始化、模數轉換的初始化[6]。系統程序通過對電池充電電壓及電池容量的功能換算關系實現模塊，核心代碼如下：

if(Volt＞14.5)

{

BatCap = 0.99; //如果電池充電電壓大于14.5V的時候，屏幕上會顯示容量為99%

}

else if(Volt＜7.5)

{

BatCap =0; //當電池充電電壓小于7.5的時候，屏幕上會顯示容量為0

}

else

{

BatCap = (Volt-7.5)/(14.5-7.5);} //計算目前剩余電量的百分比

vtime=208- BatCap*2.1*100;sprintf(dis0,"C:% 02.0f%% T:%02.0fmin ",BatCap*100,vtime);

LCD_Write_String(0,0,dis0);

5 系統調試

5.1 硬件仿真

系統仿真是在Proteus軟件上進行的，開始仿真以后，LCD屏幕上會顯示當前的電源信息，如圖6所示，第一行顯示35%，是指當前電池容量已經到了35%，后面的T:134min是指充滿電所需時間，圖上顯示134min是指距離電池充滿還需要134分鐘，第二行顯示的9.98V是指目前電池的電壓為9.98V，OFF為目前的充電狀況是關閉狀態[8]。

圖7 LCD界面

在調試界面打開輸出窗口，會發現同時LCD顯示屏上的信息也會通過串口傳輸到虛擬終端上，如圖8所示。

圖8 虛擬終端顯示界面

可以在調試界面打開輸入的虛擬終端，在虛擬終端輸入#即可改變當前的充電狀況，LCD上的OFF立即變成ON，同時輸出的虛擬終端上的OFF也變成ON。當在虛擬終端窗口輸入*的時候ON會變成OFF。效果如圖9和圖10所示。

圖9 輸入#界面

圖10 輸入*界面

通過改變電源模塊處的滑動變阻器，可以改變電源電壓，同時屏幕上的電池所剩容量C以及所需充電時間T都會同時發生變化，效果如圖11所示。

圖11 改變電源電壓效果圖

5.2 硬件仿真結果

接通電源，如圖12所示，按下開關，儀器自動開機，開關按鍵旁的LED燈常亮，然后Lcd1602液晶顯示的屏幕上顯示內容，但沒數據，藍牙模塊上的指示燈閃爍，如圖12所示，驗證了設計方案的可行性[9]。

圖12 接上電源狀態

圖13 按下電源鍵開機狀態

將DC-DC升降壓模塊接入電源（用升降壓模塊模擬電池），為方便操作實驗使用的是充電寶，但是充電寶穩定性不夠，可能會突然斷電，需要注意充電寶是否開啟。當DC-DC升降壓模塊接入電源以后，圖14中升壓模塊上顯示的數字即是模擬的電池電壓數據，同時在Lcd1602液晶顯示的屏幕上也顯示出同樣的電壓（即為電池目前的電壓），用符號V表示，扭動升降壓模塊上的旋鈕可以改變模擬電池的電壓，同時用符號C表示充電進度的百分比，如圖14所示，目前的百分比為90%，表示電量已經充到滿電量的90%，T為充電所剩時間，ON表示充電開啟[10]。

圖14 升降壓模塊接通電源

在藍牙控制充電系統開機成功以后，在手機界面的藍牙窗口對充電系統的藍牙進行搜索，搜索成功會顯示當前所有可以配對藍牙的名稱，如圖15所示，點擊對應名稱會彈出一個輸入密碼的界面（一般密碼為：1234），如圖16所示，密碼輸入正確點擊配對等待兩秒即可配對成功，然后打開藍牙串口App（目前該App只能安卓手機使用），在藍牙串口App界面上點擊連接，就會顯示出與該手機所有配對成功的藍牙設備名稱，如圖17所示，點擊藍牙控制充電系統的名稱即可連接成功，如圖18所示。

圖15 藍牙搜索界面

圖16 藍牙配對界面

圖17 藍牙連接界面

圖18 藍牙連接成功界面

在與藍牙控制充電系統連接成功以后，在藍牙串口App界面發送字符“#”即可開啟充電狀態，同時藍牙串口App界面會顯示ON以及充電信息，如圖19所示，同時藍牙控制充電系統的液晶顯示屏幕上也會相應顯示開啟字符“ON”，如圖20所示。在藍牙串口App界面發送字符“*”即可關閉充電狀態，同時藍牙串口App界面會顯示OFF以及充電信息，如圖21所示，同時藍牙控制充電系統的液晶顯示屏幕上也會相應顯示開啟字符“OFF”，如圖22所示。整體調試結果達到預期目標。

圖19 開啟充電界面

圖20 開啟充電狀態

圖21 關閉充電界面

圖22 關閉充電狀態

6 創新點

論文提出并設計了一種基于單片機控制的電動自行車智能充電系統。文中設計的充電系統結合了智能手機的應用，實現了數據實時傳遞的便捷性。文中的充電系統如采用更加復雜的人工智能嵌入式技術等，可進一步提高充電系統的安全、便捷性。

7 結語

論文設計的藍牙控制的智能充電系統測試結果達到了預期的效果。系統程序和硬件都比較簡單并且程序的可讀寫性很強，效率非常高，與傳統的充電系統相比較，便捷性、智能性有較大程度的提高，文中研究的充電系統為后續新能源充電系統技術的延伸提供了一些借鑒作用。