【《某无线充电系统的硬件和软件设计案例》6100字（论文）】

某无线充电系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u20225某无线充电系统的硬件和软件设计案例 1271331.1控制模块 3214701.2显示模块 6124581.3计费模块 7107971.1.1硬件构成 7123861.1.2工作流程 877341.4高频逆变电路 923811.5CAN总线通讯模块 10185621.6充电模块 12283881.7蓝牙模块 13244301.8本章小结 15296172．无线充电系统的软件设计 1647232.1系统流程图 16153562.2各模块程序流程图 1693812.2.1显示模块流程图 1658322.2.2定时模块流程图 17266802.2.3蓝牙模块流程图 19142862.2.4防盗预警模块流程图 2028222.2.5IC卡读写操作模块流程图 22251882.2.6APP客户端模块 24257062.2.7锂电池电量检测流程图 2552232.3本章小结 251.无线充电系统的硬件设计该电动自行车智能充电系统由控制模块、液晶显示模块、计费模块、高频逆变电路、CAN总线通讯模块、充电模块、蓝牙模块组成。当用户有充电需求时，打开特定的APP，通过GPS定位搜索，为用户选择距离最近，电量充足的充电桩，并为用户规划路线。通过扫描充电桩上的二维码，或是采用读取IC卡的方式，将用户与充电桩之间建立连接，向充电桩发出请求充电的信息，该信号通过基站发送到服务器，云服务器根据请求作出相应的决断，控制充电桩的充放电。云服务器具体包括用户账号登陆部分和订单设定部分，其通过通讯基站进行无线连接，用于存储使用者信息，填写订单信息。充电桩包括电量计费模块、通讯单元。充电桩上有特定的二维码，使用者可以通过识别充电桩上的二维码进行相关充电方案的设定，该二维码标签用于标识特定的充电桩。充电桩上还包括与控制器相连的触摸控制的按键以及显示屏幕，用于显示用户智能卡信息对应的余额信息。当控制器感应到开始工作的信息时，驱动计量设备工作，对充电时间、充电功率、电流进行实时记录，与与服务器通信，将其实时显示在用户的移动设备上，同时使用者的IC卡中的余额也会清楚明了的显示在液晶屏幕上。该电动自行车无线充电系统的控制端与充电桩之间通过CAN总线进行通信。系统整体示意图如图3-1所示，电动自行车智能充电系统结构框图如图3-2所示。中心控制器中心控制器充电座1充电座1充电座1……CAN总线通讯图3-1系统整体示意图图3-2电动自行车智能充电系统结构框图电动自行车无线充电实物模拟示意图如图3-3[[]王杰.电动自行车无线充电系统的研究与实施[D].湖北:武汉大学,2020.][]王杰.电动自行车无线充电系统的研究与实施[D].湖北:武汉大学,2020.图3-3电动自行车无线充电模拟示意图当发射回路的谐振频率等于接收回路的谐振频率，系统处于共振状态，主控芯片STM32F103RCT6中产生PWM波，利用驱动器芯片TPS28225将PWM信号变成驱动MOS管工作的信号[[]马文秀.基于STM32F103RCT6无线充电电路的设计与研究.]，带动全桥进行工作，进而将直流变为交流，流经谐振回路，电能通过“磁耦合”方式进行无线传输。接收端利用电桥整流将交流变成直流，同时接有电容进行储能。[]马文秀.基于STM32F103RCT6无线充电电路的设计与研究.1.1控制模块本无线电能传输系统采用STM32F103RCT6单片机作为主控制器，该部分包括限幅电路、过零检测、灭弧电路、启动与停止电路，以及过流保护电路[[]李小磊,秦会斌.磁耦合谐振式的电动汽车无线充电系统研究[J].通信电源技术,2018,35(09):7-9+11.]。具体组成框图如图3-4所示。[]李小磊,秦会斌.磁耦合谐振式的电动汽车无线充电系统研究[J].通信电源技术,2018,35(09):7-9+11.反馈信号反馈信号限幅电路和过零检测过流保护电路启动与停止电路驱动电路灭弧电路图3-4STM32控制电路框图STM32F103RCT6基于ARMCortex-M3内核，具有性能高、性价比高、功耗低的特点，而且其内部程序都采用模块化的设计，为使用者提供了方便，定时器与通信接口都极为丰富，可以实现很多功能。在STM32F103的电路中，晶振包括两个时钟，分别是高速度的时钟和低速度的时钟。低速度的时钟负责确保系统主时钟可以正常工作，高速度的时钟负责确保辅助时钟可以正常工作。时钟的选择对于系统能否正常运行起着关键性的作用，经过查阅相关文献，本系统选32.768MHz和8MHz的晶振[[]朱超．基于物联网的电动车蓄电池充电保护系统设计[D]．合肥:[]朱超．基于物联网的电动车蓄电池充电保护系统设计[D]．合肥:安徽理工大学,2017．阅读了产品手册之后，将STM32F103RCT6相关参数整理如表3-1所示。表3-1STM32F103RCT6参数STM32F103RCT6作为主控芯片，与蓝牙模块HC05，液晶显示LCD，CAN通信收发器TJA1050连接，连接关系如图3-5所示，引脚连接图如图3-6所示。STM32F103RCT6STM32F103RCT6CANTXRXTJA1050RS232RS485触摸屏IC读卡TXRXHC055IRF32055I/OO图3-5控制模块连接关系图图3-6引脚连接图1.2显示模块显示模块采用TFT液晶显示器，用薄膜晶体管来促使显示屏上的液晶像素点累积，以达到快速、鲜明、准确的表示屏幕上的内容的目的，同时还可以实现触摸功能。这种显示屏支持显示中文、图片，同时可以对文字颜色、大小、位置进行相应的调整，中文字库存放在SD卡中，可以通过从SD卡中读取来显示中文字符。本设计采用ILI9341液晶驱动芯片，其基本参数如表3-2所示：表3-2ILI9341参数1.3计费模块1.1.1硬件构成目前市场上很多的电动自行车充电桩基本上是根据充电的次数费用收取的，有时候只使用了很短的时间，也是收取一次的费用，这种收费方式显然不具有人性化的。本电动自行车智能充电系统采用精准计费方式，根据使用时间与次数收费，具体包括控制模块、云服务器模块。控制板是充电桩与云服务器之间数据交流必不可少的部分，借助云服务器技术进行实时监控，可以非常准确的计算使用时长计费。可时控计费装置由云服务器、控制端、标识充电桩的二维码、充电装置、使用者设备构成[[]潘金虎,胡兆祥,周薇,等.基于云服务器实现共享设备精准计费方式的研究[J].电脑知识与技术,2020,16(8):86-87.][]潘金虎,胡兆祥,周薇,等.基于云服务器实现共享设备精准计费方式的研究[J].电脑知识与技术,2020,16(8):86-87.云服务器，是连接所有服务的核心枢纽部门，用于接收来自用户的需求信息，相应其业务请求，并向控制板发送指令处理订单信息。控制板可以是外部模块，也可以以集成电路的形式并入共享装置中。本系统是以嵌入模式设计的。控制板通过GPRS信道与云服务器通信，取得业务指示进行分析，充电板通过RS232串行端口控制，完成充电动作。表示充电桩的二维码，是每台共享装置的唯一标识，用于鉴别不同的使用者和充电桩。充电装置，按照控制板的指令，启动或是关闭，为使用者提供账号登陆，输入订单，设置参数，支付费用等服务。使用者设备，可以是手机、平板，也可以是IC卡，其通过扫码或是读取智能卡信息，使使用者与充电桩相连接，进行充电设置及费用支付。其硬件模块连接图如图3-7所示：图3-7硬件模块连接图1.1.2工作流程使用者通过手机等移动设备扫描充电桩上的特定二维码标识，在APP上完成用户信息登录，使用时长，所需功率、电流相关参数的设定，将用户信息上传至服务器，存储数据至Mysql数据库中。服务器接收到请求信号后，把需要执行的指令给到控制板。控制板控制充电桩完成相应的命令需求。充电桩开始工作，达到指定时长后自动断电，将当前状态传给控制板。控制面板将业务完成情况传给云服务器，将充电情况上传至数据库中。根据充电的时间长短，使用功率大小进行精准计费，将使用情况实时发送至使用者设备。使用者收到充电完成的信息后，核对没有问题后就可以结算付款。工作过程如图3-8所示:图3-8业务实施流程图1.4高频逆变电路高频逆变电路是发射端的关键部分，其主要职能是提供交变电流，保证LC谐振发射电路正常工作，逆变器的作用是将直流电转变为促使线圈工作的高频率的交变电流，本系统的逆变部分使用MOS管完成，其电路图如图3-9[[]王红亮,张天文,符多铎,等.无线充电系统的设计与实现[J].火力与指挥制,2014(11):183-186.DOI:10.3969/j.issn.1002-0640.201[]王红亮,张天文,符多铎,等.无线充电系统的设计与实现[J].火力与指挥制,2014(11):183-186.DOI:10.3969/j.issn.1002-0640.2012.11.045.QQ4Q2Q3Q1图3-9全桥逆变电路图如图，4个MOS开关管构成了全桥逆变电路，其工作过程为当MOS管Q1和Q4导通，正常工作时，MOS管Q2和Q3截止，电流由Q1经LC电路流到Q4，当MOS管Q2和Q3导通，正常工作时，MOS管Q1和Q4截止，电流由Q3经LC电路流到Q2.不断的进行上述循环，将直流电逆变成交流电。本设计中全桥的开关器选用IRF3205，基本参数如表3-3所示：表3-3IRF3205特性表1.5CAN总线通讯模块该系统的控制端与充电桩之间通过CAN总线进行通信。一个完整的CAN节点包括了CAN控制器和CAN接收器，如图3-10所示。CCANHMCUCAN控制器MCUCAN控制器CAN收发器CAN收发器CANL发送发送接收接收CAN节点1CAN节点2图3-10CAN通讯网络将CAN收发器与STM32的CAN_TX和CAN_RX引脚相连，收发器便可以通过CANH和CANL接入总线网络中，在其间接入阻值为120欧姆的电阻可达到阻抗匹配的目的，本设计采用TJA1050作为收发器。CAN模块大致连接图如图3-11所示：1120ΩCAN_RXCAN_TXTXDRSGNDVrefCANHVCCRXDCANLTJA1050CANBusLine图3-11CAN模块连接图CAN规定了5种类型的帧，分别是数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、帧间隔。本电动自行车智能充电系统采用CAN总线的扩展帧模式CAN2.0B，包括29位标识符[[38]徐伟凡,高文根.基于STM32的直流充电桩控制系统设计[J].四川理工学院学报(自科版),2018,031(003):43-48.[38]徐伟凡,高文根.基于STM32的直流充电桩控制系统设计[J].四川理工学院学报(自科版),2018,031(003):43-48.表3-4CAN2.0B帧格式帧起始仲裁段控制段数据段CRC段ACK段帧结束SOFIDSRRIDEIDRTRr1r0DLCDATACRCACKEOF111111811140-6415117数据由高字节位向低字节位进行传输，本系统使用的是29位的ID以及8字节的DATA。ID格式如表3-5所示：表3-5ID格式ID28-2322-1615-87-0协议号类型(6bits)节点地址(7bits)命令信息ID(8bits)保留位其中，协议号类型表示的是控制器与电源之间的CAN通讯协议号；节点地址标识控制器与电源在整个CAN通讯网络中的地址；命令信息ID标识控制命令。DATA格式如表3-6所示：表3-6DATA格式DATAByte7Byte6Byte5Byte4Byte3Byte2Byte1Byte0设置输出电压、电流等操作保留位1.6充电模块本系统的充电模块采用锂离子电池，其充满电时的电压是2.2V，不接任何负载，没有电流输出时的电压是1.7V，对充放电过程的改变觉察比较敏锐，因此，在系统设计的过程中，必须严格限制电池的充电、放电的过程，以免造成电池的过度充电和放电[[]张亮.光伏系统中锂电池智能管理系统设计[D].江苏:扬州大学,2012.DOI:10.7666/d.Y2257985.]。系统设计拟采用恒定电流、恒定电压交替的方式进行充电，起初先进行预充电，当达到电压阀值时，切换至恒流充电，当达到额定电压时切换至恒压充电模式，交替充电，对电池起到保护作用[[[]张亮.光伏系统中锂电池智能管理系统设计[D].江苏:扬州大学,2012.DOI:10.7666/d.Y2257985.[]卢伟.小区电动自行车智能充电系统设计[J]..信息记录材料,2020(12):103-102.锂离子电池在充电过程中有以下几个特性：充电过程中，当电池电压还不是太高的候时，电池电压表现为快速增大的情况；当电池电压接近满电压2.2V时，电池的电压维持基本不变，充电电流逐渐下降，直到一个很小的值，只是由于电池内部的电阻发生了变化；在充电过程中，电池的能量不断增加；当断开电源后，电池电压会有一个下降的过程。本系统将采用如下充电方式进行充电：恒定电流限制电压阶段：在电池电压较低时，使用恒定电流限制电压的方式，当电池电压一点点提高，慢慢靠近2.2V时，恒流充电安全电流比0.8C小，在这一阶段，电池的电量能达到百分之八十；恒定电压限制电流阶段：电池电压达到2.2V时，换用恒定电压限制电流充电方式，充电电流逐渐下降，当达到一个较小的值时，认为电池基本充满[[]姜玉龙．基于LPC2131种子包衣机控制部分的实现[D].江西:南昌大学,2007.[]姜玉龙．基于LPC2131种子包衣机控制部分的实现[D].江西:南昌大学,2007.浮充充电阶段：我们通常认为监测系统检测到充电功率几乎为零时，充电完成，电池充满电，随机进行断电操作。浮充充电能够帮助蓄电池延长使用周期，其利用微弱电流维持充电状态，抑制了电池中的活性物质发生硫酸盐化，从而有效减小了电池的容量损耗[[]周雪梅.电动自行车智能充电系统设计实现及关键技术研究[D].浙江:杭州电子科技大学,2020.[]周雪梅.电动自行车智能充电系统设计实现及关键技术研究[D].浙江:杭州电子科技大学,2020.充电过程如图3-12所示：恒流充电恒流充电电压曲线电流曲线浮电电压恒流充电阶段恒压充电阶段浮电充电阶段恒压充电图3-12充电过程采用这种恒流-恒压-浮充的充电方式可以在高效完成充电任务的基础上最大程度的减小对电池的损耗。本设计还加设了“过充检测”，具体是指当检测到充电功率几乎为零，并且已经浮充充电一小时，主控装置会控制供电模块自动结束供电；当电池充电时间长达十小时时，也会即使断电，避免因充电时间过长电池发热等带来不必要的安全隐患。该设计的充电桩上装有GPRS信号采集装置，可以实时将充电功率等信息上传至云服务器，再传至用户的移动设备端。其供能装置断电是利用了继电器的原理来实现的。1.7蓝牙模块蓝牙模块采用HC05芯片，其主要特点如下：采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准；输入电压为1.6V到6V之间，规定不能超过7V，否则无法正常工作；波特率为1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200，用户可以根据需要进行自行设定；配有状态显示灯，如果LED在短时间内频率很快的忽明忽暗表示没有匹配上蓝牙设备，如果LED亮暗变化很慢表示正处于执行AT命令的阶段；装有可以提供1.3V稳定电压的芯片，输入电压在1.6V到6V之间，没有配对成功时，电流约为30毫安，成功配对之后，电流大概是10毫安;有两种工作状态：给出命令，进行响应的情况和直接搜索进行连接的情况。当处于无需操作直接搜索连接这样一个工作状态时，将智能识别，并依据之前设置过的数据进行传输，当处于给出命令然后响应的工作状态时，将执行AT命令，然后对相应的部分进行参数设定和指令发布。HC05通过单片机的串口来进行蓝牙连接，主要利用RX和TX，TX的作用是发送信息，RX的作用是接收信息。其中，TX对应单片机的PA10接口，RX对应单片机的PA9接口。在系统设计时，将单片机的蓝牙模式设置为主模式，手机APP的蓝牙设置为从模式，从而实现单片机与手机APP之间的数据传输。HC05大致连接图如图3-13所示，实物图如图3-14所示：STM_TXDSTM_TXDSTM_RXDRXDTXDHC05VCCGND5V图3-13HC05连接示意图图3-14HC05实物图1.8本章小结本章节对无线充电系统进行了硬件设计，从控制模块、显示模块、计费模块、高频逆变电路、CAN总线通讯模块、充电模块、蓝牙模块角度进行设计，介绍了相关模块使用的器件及其之间的连接关系。2．无线充电系统的软件设计2.1系统流程图图4-1系统流程图2.2各模块程序流程图2.2.1显示模块流程图液晶显示屏在使用之前需要先将之前的数据清空，具体包括初始化时钟、GPIO的相关设定，打开背光灯，显示面板风格的选择等。之后就是显示的字体的色彩、大小、位置与液晶屏幕的后景的色彩的设定，同时可以通过读取SD卡中的中文字库来显示汉字。具体实现的流程图如图4-2[[]罗淇仁.基于蓝牙的电动自行车自动充电控制系统研发[D].浙江[]罗淇仁.基于蓝牙的电动自行车自动充电控制系统研发[D].浙江:浙江农林大学,2018.图4-2液晶显示屏的工作流程图2.2.2定时模块流程图该电动自行车智能充电系统设有定时模块，每经过1秒，就要中断一次，进行计时，液晶显示屏上显示的是ASCII值，当程序中碰到“/”时，系统会进行借位处理，具体程序流程图如图4-3所示：图4-3定时模块流程图2.2.3蓝牙模块流程图用户可以选择蓝牙连接充电桩进行相关参数的设定。其工作流程为先初始化蓝牙模块，流程图如图4-4所示，然后将单片机蓝牙设置为主模式，手机APP端设置为从模式[[]黄培元,俞梁英,朱雪建,等.互联网+电动自行车智能充电平台[J].电子测试,2019(11):47-49.],蓝牙的RX、TX与单片机TX、RX相连，在手机APP上可以设定充电时间，开始充电等，借助蓝牙通讯将操作指令发送至单片机，同时单片机也可以通过蓝牙实时反馈充电状态。具体工作流程图如图4-5[[[]黄培元,俞梁英,朱雪建,等.互联网+电动自行车智能充电平台[J].电子测试,2019(11):47-49.[]罗淇仁.基于蓝牙的电动自行车自动充电控制系统研发[D].浙江:浙江农林大学,2018.图4-4蓝牙初始化程序流程图图4-5蓝牙程序流程图2.2.4防盗预警模块流程图预警模块：当检测到突发情况，如电池出现故障，或是充电桩其他部分出现功能异常时，经主控制器分析后会及时切断充电回路，并通过无线短距离通信模块进行报警，如果有应答，将关闭声光报警，同时红灯亮绿灯灭，如果没有应答，将再次启动声光报警，无线呼叫移动端，直到得到反馈响应，故障恢复后，红灯灭绿灯亮。流程图如图4-6所示。防盗模块：如果检测到有人企图强行推动用户自行车，启动蜂鸣器提示，15秒后没有响应，电动自行车将自动上锁，需用户进行身份验证后重新设定充电需求。流程图如图4-7所示。图4-6预警模块流程图图4-7防盗模块流程图2.2.5IC卡读写操作模块流程图该系统的充电控制系统采用MicfareOneS50卡[[53]范虹兴,蔡超,张震宇.一种电动自行车自动充电控制系统的设计[J].浙江科技学院学报,2016,28(01):36-42.]，其性能指标如表4-1。[53]范虹兴,蔡超,张震宇.一种电动自行车自动充电控制系统的设计[J].浙江科技学院学报,2016,28(01):36-42.IC卡的读写操作过程具体为首先初始化单片机的工作寄存器，然后寻卡，判断是否检测到了IC卡，同时需要注意的是当检测到多张射频识别卡时，要有防冲撞处理。选定某张卡后进行读卡操作，完成识别、扣费等功能。具体流程图如图4-8所示。表4-1MicfareOneS50性能指标图4-8IC卡读写操作流程图2.2.6APP客户端模块本智能充电系统构建了特定APP供使用者使用，可以清楚的搜寻到附近的充电桩，并进行最短路线规划，同时可以在手机APP上设定电动自行车品牌、