基于單片機(jī)的汽車充電樁收放線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖長(zhǎng)榮 楊延菊 李慧 吳苓

摘要：當(dāng)前現(xiàn)有的汽車充電樁帶有很長(zhǎng)一段的線纜，導(dǎo)致充電樁的故障率升高，給使用者帶來安全隱患。針對(duì)這一問題，通過STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)一款汽車充電樁收放線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)充電時(shí)充電線的釋放功能和充電完畢充電線的回收功能，更好地提供充電線的存放環(huán)境，提高充電線的使用壽命，減少安全事故的發(fā)生，一定程度上降低充電樁的故障率。

關(guān)鍵詞：STM32；充電樁；收放線系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U463? 收稿日期：2023-05-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.022

1 前言

黨的二十大報(bào)告指出，必須牢固樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發(fā)展。加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，是黨中央立足全面建成社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)、實(shí)現(xiàn)第二個(gè)百年奮斗目標(biāo)，以中國(guó)式現(xiàn)代化全面推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興作出的重大戰(zhàn)略部署，具有十分重要的意義，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革。節(jié)能低碳出行，讓市民綠色出行“不斷電”[1]。因此，加快充電樁等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)新能源汽車生產(chǎn)和消費(fèi)。

但是現(xiàn)有的充電樁中有些充電槍連接了很長(zhǎng)一段的線纜，如圖1所示，大部分用戶在使用完后不會(huì)將充電線整理收納好，而是任其所處擺放。充電槍也存在隨意擺放的問題，用戶在使用完后沒有將充電槍正確插回鎖止口或者直接不放回。這些情況都需要后續(xù)人工將線纜收放整齊，將充電槍放好。沒有及時(shí)收納整理的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)被人踩踏、車輛碾壓導(dǎo)致充電線斷裂，充電槍破損等情況。迫使充電裝置的故障率升高，同時(shí)日曬夜露的使用環(huán)境會(huì)帶來充電線塑料層的老化，給使用者帶來安全隱患[2]。

2 充電樁收放線系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為此，本文設(shè)計(jì)一種充電樁的收放線系統(tǒng)，用于解決以上難題。設(shè)計(jì)7 kW的單相交流充電樁收放線系統(tǒng)。

本控制系統(tǒng)主要的功能有：

a.實(shí)現(xiàn)充電時(shí)的充電線的釋放功能。

b.充電完畢實(shí)現(xiàn)充電線的回收功能。

充電樁收放線系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

為了滿足充電時(shí)釋放充電線，充電完成時(shí)，回收充電線。系統(tǒng)通過單片機(jī)串口通信實(shí)現(xiàn)與充電板的數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的動(dòng)作；系統(tǒng)采用直流電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)充電線的釋放和回收，并通過過流檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的保護(hù)，通過限位檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)充電線的釋放和回收極限位置的識(shí)別。

3 充電樁收放線系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM32單片機(jī)模塊

主控芯片采用的是ST公司32位高性能ARM CortexM3處理器，型號(hào)為 STM32F103RBT6作為主控芯片，通過芯片的PA1、PA2、PA3引腳與MAX485芯片進(jìn)行通信，通過PB10引腳進(jìn)行限位檢測(cè)，PB11引腳進(jìn)行過流檢測(cè)，PB0、PB1引腳進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)。芯片最小系統(tǒng)包括電源電路、晶體振蕩電路以及復(fù)位電路，其中：

a.電源電路的目的是為STM32F103RBT6單片機(jī)系統(tǒng)供電，將輸入電源轉(zhuǎn)化為單片機(jī)所需的穩(wěn)定電源。

b.晶體振蕩電路通過電阻電容的配合，產(chǎn)生單片機(jī)所需要的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的。

c.復(fù)位電路主要是將單片機(jī)程序復(fù)位到初始狀態(tài)，從初始狀態(tài)重新開始運(yùn)行。當(dāng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤或電源不穩(wěn)定時(shí)，可實(shí)行復(fù)位功能。

3.2 RS485通信模塊

RS485通信模塊采用MAX485芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，MAX485具有以下功能特點(diǎn)：

a.具備差分輸入和輸出以及驅(qū)動(dòng)和接收能力。

b.可允許共多達(dá)32個(gè)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接到單個(gè)總線上。

c.具有防止瞬態(tài)電壓損壞的特性。

d.支持高速通信（最高可以達(dá)到2.5 Mbps）。

e.使用方便、成本低廉等特點(diǎn)。

RS485的信號(hào)從MAX485的A、B端輸入，通過芯片轉(zhuǎn)換后由光耦進(jìn)行隔離，然后從STM32單片機(jī)的串口2連接。

3.3 限位檢測(cè)

限位檢測(cè)通過24 V串聯(lián)限位開關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)電機(jī)收線到位時(shí)，光耦U6A的二極管導(dǎo)通，電路的中的發(fā)光二極管D5A發(fā)光，IN端得到高電平送單片機(jī)識(shí)別。具體電路如圖3所示。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

收放線的直流電機(jī)采用TA6586進(jìn)行設(shè)計(jì)，它是一款DC雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，最大工作電流為5 A，極限工作電流為9 A，工作電壓選用12 V、有緊急停止功能、有過熱保護(hù)功能、有過流及短路保護(hù)功能。它有單片機(jī)的PB0和PB1控制輸入端子，用來控制電機(jī)前進(jìn)、后退及制動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，引腳功能如表1所示。輸入真值見表2。

3.5 過流檢測(cè)

過流檢測(cè)采用ACS712-5模塊設(shè)計(jì)，該模塊最大工作電流為5 A，通過P1接口的1、2引腳檢測(cè)電機(jī)的工作電流，由P2端口的2腳輸出模擬電流值，硬件電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

VIOUT輸出電流值送LM393比較器的同相輸入端，將比較后的電流值通過單片機(jī)的I/O口識(shí)別，當(dāng)電機(jī)過流時(shí)，停止I/O口的PB0和PB1輸出，電機(jī)停轉(zhuǎn)，硬件電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 充電樁收放線系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MDK 5軟件進(jìn)行編程，系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示，在程序開始后，先對(duì)各個(gè)模塊包括串口、I/O口進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入 while 主循環(huán)，在主循環(huán)中，首先進(jìn)入等待串口接收數(shù)據(jù)，當(dāng)串口接收到有效數(shù)據(jù)后，執(zhí)行串口指令啟動(dòng)直流電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)釋放充電線纜或者回收充電線纜。當(dāng)直流減速電機(jī)遇到限位開關(guān)時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，充電線纜釋放或者回收到位。

5 系統(tǒng)調(diào)試

通過硬件搭建和軟件編寫，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。當(dāng)RS485接收到充電指令后，釋放充電線，充電完成后回收充電線纜，到一定的限位后，自動(dòng)停止，如圖8所示。

6 結(jié)語

通過STM32的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的充電樁收放線系統(tǒng)，能夠解決充電線的釋放和回收功能，使充電線不再接收日曬雨淋的環(huán)境，能更好地提供充電線的存放環(huán)境，提高充電線的使用壽命，減少安全事故的發(fā)生，一定程度上降低充電樁的故障率。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯波，傅留虎，董淵.關(guān)于充電樁的使用及前景[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2020（3）：225-226.

[2]顏少卿.電動(dòng)汽車充電樁現(xiàn)場(chǎng)安全問題的探究[J].低碳世界，2021（8）：243-244.

作者簡(jiǎn)介：

廖長(zhǎng)榮，男，1979年生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)殡娐废到y(tǒng)設(shè)計(jì)。