一个电动自行车智能充电系统的设计与实现

2022-06-15付三丽马雄风黄恒一

电脑与电信 2022年4期

付三丽马雄风黄恒一

（三亚学院，海南三亚 572022）

1 引言

当前随着国家经济飞速发展，人们的生活水平越来越高，对能源的需求越来越大，能源供应愈发紧缺，对新能源的开发与利用成为国家能源政策的重点。随着新能源技术的发展，人们的交通方式也发生了变化，电动车代替传统燃油车已是大势所趋[1]。

文中所设计的智能充电系统是用单片机作为核心，制作一个可以实时监测系统充电状况、对监测到的数据进行分析并通过蓝牙将信息传送至手机端的智能充电器，让用户实时动态了解及掌控系统的充电状况。文中研究的充电系统不仅可以提高电池的充电效率，减少对环境的污染，还可以有效延长电池的使用寿命[2]。

2 系统设计原理图

充电系统的原理图如图1所示，系统设计主要完成电池信息测量模块的设计。硬件部包括电源电路、单片机最小系统电路、显示模块、A/D转换电路、蓝牙模块五大组成部分，其中软件方面运用了单片机C语言，最后能够测量出电池的电压，并且通过程序转换后实现数字显示[3]。

图1 单片机最小系统电路图

系统中单片机最小系统电路是由一个STC89C51芯片、时钟电路和复位电路组成，显示模块采用了LCD1602显示模块，因为STC89C51单片机支持串口输送功能，所以在仿真设计时用的是虚拟终端（一个读一个写）对其进行替代，在硬件上再换成蓝牙模块，蓝牙模块仿真电路图如图2，蓝牙模块芯片如图3。

图2 虚拟终端原理图

图3 蓝牙芯片实物图

3 电池信息采集模块设计思路

3.1 电池的容量

电动自行车用铅酸电池的容量以C2为准，即以0.5C2电流放电，当电压达到该电池的放电终止电压时的放电时间和电流的乘积应等于或接近额定容量值。总发电量可用安培小时(Ah)或者瓦特小时(W·h)来表示，一般用安培小时(Ah)表示。不过，当铅酸电池的容量使用安培来表示时，并不代表着铅酸电池在放电时的放电电流是恒定的。在实际中，铅酸电池中活性物质的利用率决定了铅酸电池的实际容量，因为活性物质并不能充分利用，所以电池在应用中的理论容量一般都会比实际容量高。经过多次循环充放电，铅酸电池的实际容量会持续下降[4]，电池寿命也会下降，电池寿命其实要看的是电池的循环使用次数，也就是充电次数。

3.2 铅酸蓄电池的充放电曲线

蓄电池进行充电、放电时，表示铅酸蓄电池的电压、充入电量、电解液的温度以及电解液的密度随时间的变化情况的曲线称为铅酸蓄电池的特性曲线，如图4所示。

图4 充电特性曲线

由图4系统充电特性曲线图可知，当系统电池100%放电后，随着充电时间的增加，当充电至20h时候，电池充电量至100%，后续随着充电时间的延长，电池充电饱和度数值趋至稳定；当充电8h时候，充电电压至13.5v，后续随着充电时间的延长，电池充电电压数值趋至稳定；当充电8h时候，充电电流下降至0.07CA，后续随着充电时间的延长，当充电至24h时，充电电流数值趋至稳定0.01CA。

通过图4充电特性曲线图，当充电时间到达一定时，电池电压趋于稳定，本系统将7.5V设置为电池容量0%，系统处于100%放电，将14.5V设置为充电容量为100%，我们由图4中充电饱和度曲线可以得知，当充电电压数值为14.5V时候，电池的充电饱和度容量超越数值99%，趋近于100%。当电池充电电压至13.5v，后续随着充电时间的延长，电池充电电压数值趋至稳定，但是根据图4充电曲线可得知，此时电池充电量饱和度数值趋近于70%左右。由此得出本蓝牙充电系统的充电规律曲线，如图5所示。

图5 充电规律曲线

由图5可知，图5中横坐标数据为系统充电当前电压数值，单位为v，纵坐标为电池充电电容容量百分比。由充电曲线图可得公式：充电进度=（当前电压-7.5）/（14.5-7.5），通过这个充电电压与电量的规律，我们可以计算出大致的充电时间，当单片机获取充电信息以后，经过程序运算，就可以得到实时的充电进度以及剩余充电时间等信息，然后再通过单片机上的LCD1602显示屏将数据显示出来或者是通过单片机上串口将数据通过无线蓝牙传输至手机端进行显示[5]。

4 系统软件设计

4.1 系统设计流程图

如图6所示为系统的主程序流程图。

图6 系统主控程序框图

4.2 系统控制软件设计关键代码

系统主控序框图中的系统初始化包括了单片机初始化、液晶显示器的初始化、模数转换的初始化[6]。系统程序通过对电池充电电压及电池容量的功能换算关系实现模块，核心代码如下：

if(Volt＞14.5)

{

BatCap = 0.99; //如果电池充电电压大于14.5V的时候，屏幕上会显示容量为99%

}

else if(Volt＜7.5)

{

BatCap =0; //当电池充电电压小于7.5的时候，屏幕上会显示容量为0

}

else

{

BatCap = (Volt-7.5)/(14.5-7.5);} //计算目前剩余电量的百分比

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

LCD_Write_String(0,0,dis0);

5 系统调试

5.1 硬件仿真

系统仿真是在Proteus软件上进行的，开始仿真以后，LCD屏幕上会显示当前的电源信息，如图6所示，第一行显示35%，是指当前电池容量已经到了35%，后面的T:134min是指充满电所需时间，图上显示134min是指距离电池充满还需要134分钟，第二行显示的9.98V是指目前电池的电压为9.98V，OFF为目前的充电状况是关闭状态[8]。

图7 LCD界面

在调试界面打开输出窗口，会发现同时LCD显示屏上的信息也会通过串口传输到虚拟终端上，如图8所示。

图8 虚拟终端显示界面

可以在调试界面打开输入的虚拟终端，在虚拟终端输入#即可改变当前的充电状况，LCD上的OFF立即变成ON，同时输出的虚拟终端上的OFF也变成ON。当在虚拟终端窗口输入*的时候ON会变成OFF。效果如图9和图10所示。

图9 输入#界面

图10 输入*界面

通过改变电源模块处的滑动变阻器，可以改变电源电压，同时屏幕上的电池所剩容量C以及所需充电时间T都会同时发生变化，效果如图11所示。

图11 改变电源电压效果图

5.2 硬件仿真结果

接通电源，如图12所示，按下开关，仪器自动开机，开关按键旁的LED灯常亮，然后Lcd1602液晶显示的屏幕上显示内容，但没数据，蓝牙模块上的指示灯闪烁，如图12所示，验证了设计方案的可行性[9]。

图12 接上电源状态

图13 按下电源键开机状态

将DC-DC升降压模块接入电源（用升降压模块模拟电池），为方便操作实验使用的是充电宝，但是充电宝稳定性不够，可能会突然断电，需要注意充电宝是否开启。当DC-DC升降压模块接入电源以后，图14中升压模块上显示的数字即是模拟的电池电压数据，同时在Lcd1602液晶显示的屏幕上也显示出同样的电压（即为电池目前的电压），用符号V表示，扭动升降压模块上的旋钮可以改变模拟电池的电压，同时用符号C表示充电进度的百分比，如图14所示，目前的百分比为90%，表示电量已经充到满电量的90%，T为充电所剩时间，ON表示充电开启[10]。

图14 升降压模块接通电源

在蓝牙控制充电系统开机成功以后，在手机界面的蓝牙窗口对充电系统的蓝牙进行搜索，搜索成功会显示当前所有可以配对蓝牙的名称，如图15所示，点击对应名称会弹出一个输入密码的界面（一般密码为：1234），如图16所示，密码输入正确点击配对等待两秒即可配对成功，然后打开蓝牙串口App（目前该App只能安卓手机使用），在蓝牙串口App界面上点击连接，就会显示出与该手机所有配对成功的蓝牙设备名称，如图17所示，点击蓝牙控制充电系统的名称即可连接成功，如图18所示。

图15 蓝牙搜索界面

图16 蓝牙配对界面

图17 蓝牙连接界面

图18 蓝牙连接成功界面

在与蓝牙控制充电系统连接成功以后，在蓝牙串口App界面发送字符“#”即可开启充电状态，同时蓝牙串口App界面会显示ON以及充电信息，如图19所示，同时蓝牙控制充电系统的液晶显示屏幕上也会相应显示开启字符“ON”，如图20所示。在蓝牙串口App界面发送字符“*”即可关闭充电状态，同时蓝牙串口App界面会显示OFF以及充电信息，如图21所示，同时蓝牙控制充电系统的液晶显示屏幕上也会相应显示开启字符“OFF”，如图22所示。整体调试结果达到预期目标。