付三麗 馬雄風(fēng) 黃恒一

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572022）

1 引言

當(dāng)前隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們的生活水平越來(lái)越高，對(duì)能源的需求越來(lái)越大，能源供應(yīng)愈發(fā)緊缺，對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)與利用成為國(guó)家能源政策的重點(diǎn)。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，人們的交通方式也發(fā)生了變化，電動(dòng)車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車已是大勢(shì)所趨[1]。

文中所設(shè)計(jì)的智能充電系統(tǒng)是用單片機(jī)作為核心，制作一個(gè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充電狀況、對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并通過(guò)藍(lán)牙將信息傳送至手機(jī)端的智能充電器，讓用戶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)了解及掌控系統(tǒng)的充電狀況。文中研究的充電系統(tǒng)不僅可以提高電池的充電效率，減少對(duì)環(huán)境的污染，還可以有效延長(zhǎng)電池的使用壽命[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

充電系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要完成電池信息測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)。硬件部包括電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、藍(lán)牙模塊五大組成部分，其中軟件方面運(yùn)用了單片機(jī)C語(yǔ)言，最后能夠測(cè)量出電池的電壓，并且通過(guò)程序轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示[3]。

圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

系統(tǒng)中單片機(jī)最小系統(tǒng)電路是由一個(gè)STC89C51芯片、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成，顯示模塊采用了LCD1602顯示模塊，因?yàn)镾TC89C51單片機(jī)支持串口輸送功能，所以在仿真設(shè)計(jì)時(shí)用的是虛擬終端（一個(gè)讀一個(gè)寫(xiě)）對(duì)其進(jìn)行替代，在硬件上再換成藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊仿真電路圖如圖2，藍(lán)牙模塊芯片如圖3。

圖2 虛擬終端原理圖

圖3 藍(lán)牙芯片實(shí)物圖

3 電池信息采集模塊設(shè)計(jì)思路

3.1 電池的容量

電動(dòng)自行車用鉛酸電池的容量以C2為準(zhǔn)，即以0.5C2電流放電，當(dāng)電壓達(dá)到該電池的放電終止電壓時(shí)的放電時(shí)間和電流的乘積應(yīng)等于或接近額定容量值?？偘l(fā)電量可用安培小時(shí)(Ah)或者瓦特小時(shí)(W·h)來(lái)表示，一般用安培小時(shí)(Ah)表示。不過(guò)，當(dāng)鉛酸電池的容量使用安培來(lái)表示時(shí)，并不代表著鉛酸電池在放電時(shí)的放電電流是恒定的。在實(shí)際中，鉛酸電池中活性物質(zhì)的利用率決定了鉛酸電池的實(shí)際容量，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)并不能充分利用，所以電池在應(yīng)用中的理論容量一般都會(huì)比實(shí)際容量高。經(jīng)過(guò)多次循環(huán)充放電，鉛酸電池的實(shí)際容量會(huì)持續(xù)下降[4]，電池壽命也會(huì)下降，電池壽命其實(shí)要看的是電池的循環(huán)使用次數(shù)，也就是充電次數(shù)。

3.2 鉛酸蓄電池的充放電曲線

蓄電池進(jìn)行充電、放電時(shí)，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(shí)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(tǒng)充電特性曲線圖可知，當(dāng)系統(tǒng)電池100%放電后，隨著充電時(shí)間的增加，當(dāng)充電至20h時(shí)候，電池充電量至100%，后續(xù)隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，電池充電飽和度數(shù)值趨至穩(wěn)定；當(dāng)充電8h時(shí)候，充電電壓至13.5v，后續(xù)隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，電池充電電壓數(shù)值趨至穩(wěn)定；當(dāng)充電8h時(shí)候，充電電流下降至0.07CA，后續(xù)隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)充電至24h時(shí)，充電電流數(shù)值趨至穩(wěn)定0.01CA。

通過(guò)圖4充電特性曲線圖，當(dāng)充電時(shí)間到達(dá)一定時(shí)，電池電壓趨于穩(wěn)定，本系統(tǒng)將7.5V設(shè)置為電池容量0%，系統(tǒng)處于100%放電，將14.5V設(shè)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(dāng)充電電壓數(shù)值為14.5V時(shí)候，電池的充電飽和度容量超越數(shù)值99%，趨近于100%。當(dāng)電池充電電壓至13.5v，后續(xù)隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，電池充電電壓數(shù)值趨至穩(wěn)定，但是根據(jù)圖4充電曲線可得知，此時(shí)電池充電量飽和度數(shù)值趨近于70%左右。由此得出本藍(lán)牙充電系統(tǒng)的充電規(guī)律曲線，如圖5所示。

圖5 充電規(guī)律曲線

由圖5可知，圖5中橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)為系統(tǒng)充電當(dāng)前電壓數(shù)值，單位為v，縱坐標(biāo)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(jìn)度=（當(dāng)前電壓-7.5）/（14.5-7.5），通過(guò)這個(gè)充電電壓與電量的規(guī)律，我們可以計(jì)算出大致的充電時(shí)間，當(dāng)單片機(jī)獲取充電信息以后，經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算，就可以得到實(shí)時(shí)的充電進(jìn)度以及剩余充電時(shí)間等信息，然后再通過(guò)單片機(jī)上的LCD1602顯示屏將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)或者是通過(guò)單片機(jī)上串口將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙傳輸至手機(jī)端進(jìn)行顯示[5]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

如圖6所示為系統(tǒng)的主程序流程圖。

圖6 系統(tǒng)主控程序框圖

4.2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵代碼

系統(tǒng)主控序框圖中的系統(tǒng)初始化包括了單片機(jī)初始化、液晶顯示器的初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換的初始化[6]。系統(tǒng)程序通過(guò)對(duì)電池充電電壓及電池容量的功能換算關(guān)系實(shí)現(xiàn)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(shí)候，屏幕上會(huì)顯示容量為99%

}

else if(Volt＜7.5)

{

BatCap =0; //當(dāng)電池充電電壓小于7.5的時(shí)候，屏幕上會(huì)顯示容量為0

}

else

{

BatCap = (Volt-7.5)/(14.5-7.5);} //計(jì)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(tǒng)調(diào)試

5.1 硬件仿真

系統(tǒng)仿真是在Proteus軟件上進(jìn)行的，開(kāi)始仿真以后，LCD屏幕上會(huì)顯示當(dāng)前的電源信息，如圖6所示，第一行顯示35%，是指當(dāng)前電池容量已經(jīng)到了35%，后面的T:134min是指充滿電所需時(shí)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(guān)閉狀態(tài)[8]。

圖7 LCD界面

在調(diào)試界面打開(kāi)輸出窗口，會(huì)發(fā)現(xiàn)同時(shí)LCD顯示屏上的信息也會(huì)通過(guò)串口傳輸?shù)教摂M終端上，如圖8所示。

圖8 虛擬終端顯示界面

可以在調(diào)試界面打開(kāi)輸入的虛擬終端，在虛擬終端輸入#即可改變當(dāng)前的充電狀況，LCD上的OFF立即變成ON，同時(shí)輸出的虛擬終端上的OFF也變成ON。當(dāng)在虛擬終端窗口輸入*的時(shí)候ON會(huì)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(guò)改變電源模塊處的滑動(dòng)變阻器，可以改變電源電壓，同時(shí)屏幕上的電池所剩容量C以及所需充電時(shí)間T都會(huì)同時(shí)發(fā)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(jié)果

接通電源，如圖12所示，按下開(kāi)關(guān)，儀器自動(dòng)開(kāi)機(jī)，開(kāi)關(guān)按鍵旁的LED燈常亮，然后Lcd1602液晶顯示的屏幕上顯示內(nèi)容，但沒(méi)數(shù)據(jù)，藍(lán)牙模塊上的指示燈閃爍，如圖12所示，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性[9]。

圖12 接上電源狀態(tài)

圖13 按下電源鍵開(kāi)機(jī)狀態(tài)

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(shí)驗(yàn)使用的是充電寶，但是充電寶穩(wěn)定性不夠，可能會(huì)突然斷電，需要注意充電寶是否開(kāi)啟。當(dāng)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(shù)字即是模擬的電池電壓數(shù)據(jù)，同時(shí)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(hào)V表示，扭動(dòng)升降壓模塊上的旋鈕可以改變模擬電池的電壓，同時(shí)用符號(hào)C表示充電進(jìn)度的百分比，如圖14所示，目前的百分比為90%，表示電量已經(jīng)充到滿電量的90%，T為充電所剩時(shí)間，ON表示充電開(kāi)啟[10]。

圖14 升降壓模塊接通電源

在藍(lán)牙控制充電系統(tǒng)開(kāi)機(jī)成功以后，在手機(jī)界面的藍(lán)牙窗口對(duì)充電系統(tǒng)的藍(lán)牙進(jìn)行搜索，搜索成功會(huì)顯示當(dāng)前所有可以配對(duì)藍(lán)牙的名稱，如圖15所示，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)名稱會(huì)彈出一個(gè)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(diǎn)擊配對(duì)等待兩秒即可配對(duì)成功，然后打開(kāi)藍(lán)牙串口App（目前該App只能安卓手機(jī)使用），在藍(lán)牙串口App界面上點(diǎn)擊連接，就會(huì)顯示出與該手機(jī)所有配對(duì)成功的藍(lán)牙設(shè)備名稱，如圖17所示，點(diǎn)擊藍(lán)牙控制充電系統(tǒng)的名稱即可連接成功，如圖18所示。

圖15 藍(lán)牙搜索界面

圖16 藍(lán)牙配對(duì)界面

圖17 藍(lán)牙連接界面

圖18 藍(lán)牙連接成功界面

在與藍(lán)牙控制充電系統(tǒng)連接成功以后，在藍(lán)牙串口App界面發(fā)送字符“#”即可開(kāi)啟充電狀態(tài)，同時(shí)藍(lán)牙串口App界面會(huì)顯示ON以及充電信息，如圖19所示，同時(shí)藍(lán)牙控制充電系統(tǒng)的液晶顯示屏幕上也會(huì)相應(yīng)顯示開(kāi)啟字符“ON”，如圖20所示。在藍(lán)牙串口App界面發(fā)送字符“*”即可關(guān)閉充電狀態(tài)，同時(shí)藍(lán)牙串口App界面會(huì)顯示OFF以及充電信息，如圖21所示，同時(shí)藍(lán)牙控制充電系統(tǒng)的液晶顯示屏幕上也會(huì)相應(yīng)顯示開(kāi)啟字符“OFF”，如圖22所示。整體調(diào)試結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖19 開(kāi)啟充電界面

圖20 開(kāi)啟充電狀態(tài)

圖21 關(guān)閉充電界面

圖22 關(guān)閉充電狀態(tài)

6 創(chuàng)新點(diǎn)

論文提出并設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的電動(dòng)自行車智能充電系統(tǒng)。文中設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)結(jié)合了智能手機(jī)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞的便捷性。文中的充電系統(tǒng)如采用更加復(fù)雜的人工智能嵌入式技術(shù)等，可進(jìn)一步提高充電系統(tǒng)的安全、便捷性。

7 結(jié)語(yǔ)

論文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙控制的智能充電系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果。系統(tǒng)程序和硬件都比較簡(jiǎn)單并且程序的可讀寫(xiě)性很強(qiáng)，效率非常高，與傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)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(tǒng)為后續(xù)新能源充電系統(tǒng)技術(shù)的延伸提供了一些借鑒作用。