一種智能化電動自行車充電安全監(jiān)測裝置設(shè)計

宗衛(wèi)焱 孫天佑

摘 要

本文針對電動車充電過程中的長時間過度充電，充電過程中突發(fā)的短路故障，使用與電池不匹配充電器充電以及突發(fā)的電池泄漏自燃的問題，經(jīng)過研究設(shè)計了一種采用單片機為核心器件的監(jiān)測電動自行車充電安全智能化裝置。硬件方面著重闡述了裝置整體硬件電路設(shè)計、充電電流及充電電壓檢測電路設(shè)計、無線近距離模塊通信接口電路設(shè)計，軟件方面闡述了監(jiān)測控制端和移動報警端主程序的工作流程圖。本裝置通過后期的使用驗證了其實際性能，滿足預(yù)期的設(shè)計需求。

關(guān)鍵詞

單片機;充電電壓監(jiān)測;充電電流監(jiān)測;安全充電

中圖分類號： TM910.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.055

Abstract

In this paper， aiming at the problems of overcharge for a long time in the process of electric vehicle charging， sudden short-circuit fault in the process of charging， charging with charger that does not match the battery and spontaneous combustion of sudden battery leakage， an intelligent device for monitoring charging safety of electric bicycle based on single chip microcomputer is designed. In the aspect of hardware， the whole hardware circuit design， charging current and charging voltage detection circuit design， short-range wireless module communication interface circuit design， and in the aspect of software， the main program flow chart of monitoring control terminal and mobile alarm terminal are described. The actual performance of the design has been verified by later use， which meets the expected design requirements.

Key words

SCM; Voltage monitoring; Current monitoring; Charging safety

0 引言

當(dāng)前電動自行車在我國仍有相當(dāng)多的保有量而且使用者逐漸偏老齡化，由于他們當(dāng)中大部分人文化程度偏低在使用電動車充電時必然會有各種不規(guī)范的操作且并未引起足夠的重視，如長時間過度充電，使用與電池不匹配充電器充電，對電池老化導(dǎo)致的突發(fā)短路亦無法察覺，這種情況下輕者損壞設(shè)備嚴(yán)重者導(dǎo)致個人觸電甚至火災(zāi)后果嚴(yán)重，為了達(dá)到保護(hù)設(shè)備預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生，在電動車充電時需要一個對充電進(jìn)行實時監(jiān)測與控制的裝置。

實際上常規(guī)的供電線路本身也提供一定保護(hù)比如短路和過載，建筑周邊也提供一定消防報警及保護(hù)措施，但是那些保護(hù)都是常規(guī)的保護(hù)，起到了一定的效果但對于電動車充電方面的保護(hù)效果并不明顯，無法探測和識別上述提及的各種類型不規(guī)范操作和電池故障等等。為此我們需要一種智能化電動自行車充電安全監(jiān)測裝置。

1 總體設(shè)計

本裝置設(shè)計用于對電動車充電電流以及電壓變化和充電環(huán)境中的煙霧和溫度的變化的實時監(jiān)測以確保對以上所列的電動自行車非正常充電情況的實時可靠的探測，由于本裝置涉及的電流及電壓的傳感檢測技術(shù)相對成熟，整個裝置分成監(jiān)測控制端和移動報警端兩個相對獨立的部分。監(jiān)測控制端用于監(jiān)測充電的電壓和電流以及充電環(huán)境的溫升和煙氣濃度的變化并且在非正常充電狀態(tài)發(fā)生時能控制電控開關(guān)可靠關(guān)閉和停止充電并報警提示。移動報警端可以掛在車鑰匙環(huán)上，用于接收和確認(rèn)監(jiān)測控制端發(fā)送報警提示。由于電動車電池以及充電器的類型不盡相同，可以使監(jiān)測控制端具有一定記憶功能，存儲幾種類型的常用充電器正常充電的電壓與電流，方便在使用時隨時切換。

本裝置的核心是一種具有短距離通信功能的智能化充電控制器，通過其配備的硬件傳感器件能可靠監(jiān)測充電電流和電壓以及充電環(huán)境煙溫的變化，然后在軟件方面能夠輔助以智能化的識別和判定算法，根據(jù)檢測到的各種參數(shù)綜合分析并判斷非正常充電情況的是否發(fā)生。

其中裝置的監(jiān)測控制端內(nèi)部功能模塊構(gòu)造如下：充電電流和電壓傳感檢測與轉(zhuǎn)換模塊、充電環(huán)境煙溫探測模塊、無線短距離通信模塊、聲光報警模塊、充電回路電控開關(guān)控制模塊及對應(yīng)的控制軟件構(gòu)成;硬件模塊功能框圖如圖2所示。

充電電流監(jiān)測模塊需要串接在電動車充電器的輸出端的充電回路中，充電電壓監(jiān)測模塊需要并聯(lián)在電動車充電器的輸出端，充電電壓、電流和煙溫信號經(jīng)單片機采樣處理后用智能化識別和判定算法進(jìn)行判定，如判定為充電異常情況，則立即切斷充電回路停止充電并且現(xiàn)場實時發(fā)出聲光報警信號，無線短距離通信模塊立即將此異常狀況發(fā)送給移動報警端，從而可以通知到攜帶移動報警端的人。

另外裝置的移動報警端所需功能模塊如下：按鍵處理模塊、近距離無線模塊、蜂鳴報警模塊以及相關(guān)的控制程序模塊;移動報警端功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

移動報警端上的按鍵處理模塊能夠捕獲按鍵請求或者響應(yīng)操作的情況并轉(zhuǎn)換成特定的編碼輸入到核心器件單片機。經(jīng)單片機軟件分析處理后能實時在數(shù)碼管顯示上以實現(xiàn)人機交互，同時通過無線短距離通信模塊接收監(jiān)測控制端發(fā)來的報警信息參數(shù)信號進(jìn)行蜂鳴報警提示，如收到接近充電完成的信號時也可人為遙控主動切斷充電回路，如果移動播報端正常情況下無法和監(jiān)測控制端通信或者其自身檢測有故障需要排除時也會驅(qū)動蜂鳴報警電路以提醒用戶注意不要離充電器太遠(yuǎn)或盡快處理。

2 裝置硬件選型

2.1 裝置電流傳感元件器的選型

本設(shè)計選用電流傳感模塊是ACS712型直流電流傳感器，該器件基于霍爾原理設(shè)計，其內(nèi)部帶有一個線性度和精度較高霍爾感應(yīng)電路和一塊銅金屬箔片貼近霍爾元件的表面。當(dāng)有充電電流流經(jīng)銅金屬箔片時就能形成一個小微磁場，緊貼銅箔的IC元件必然能感應(yīng)到磁場并轉(zhuǎn)換成一個線性的電壓信號輸出，再經(jīng)過傳感模塊內(nèi)置的電路進(jìn)行濾波、修正、放大等處理過程最終得到一個標(biāo)準(zhǔn)的電壓輸出信號。這種傳感模塊對于各種情況下電流過流故障保護(hù)、開關(guān)電源的輸出載荷檢測和管理等領(lǐng)域的應(yīng)用都十分廣泛，具體接口電路如下圖4所示。

2.2 裝置電壓傳感模塊的選型

本裝置設(shè)計選用的是CHVS型霍爾電壓傳感模塊， 此型傳感模塊具有連接接口簡單且具備了隔離抗干擾的功能，具有占用空間小、輸出線性度好、測量誤差小的特性，長期時間連續(xù)投入使用性能穩(wěn)定，在常見的電壓的監(jiān)測與控制設(shè)備如樓宇自控、電力等的設(shè)備中使用比較廣泛，對于直流電壓和脈動電壓的測量具有響應(yīng)速度快、高精度、抗干擾強的特點。

3 硬件電路實現(xiàn)

從整體硬件設(shè)計上看該裝置主要包含兩個部分，即監(jiān)測控制端和移動報警端，系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

4 軟件的程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)該裝置的硬件構(gòu)成特點來看，可知裝置程序流程圖主要包括監(jiān)測控制端的程序流程圖和移動報警端的程序功能流程圖這兩個部分，如圖6和圖7所示。

監(jiān)測控制端主程序可以控制實現(xiàn)如下的主要功能，當(dāng)檢測到突發(fā)的充電異常情況發(fā)生時，表示充電回路或者電池出現(xiàn)了故障，經(jīng)單片機運行智能化軟件分析確定后會馬上控制打開電控開關(guān)停止充電，并通過無線短距離通信模塊呼叫移動報警端，如果移動報警端收到呼叫信號則通過蜂鳴聲進(jìn)行相應(yīng)的提示，如果沒有呼叫成功則發(fā)出現(xiàn)場聲光報警警示行人遠(yuǎn)離同時繼續(xù)呼叫。

遙控報警端主程序可以控制實現(xiàn)如下的主要功能，當(dāng)接收到監(jiān)測控制端通過無線發(fā)送的當(dāng)前的監(jiān)測狀況信息編碼后，則根據(jù)接收到的具體參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)的蜂鳴提示，如果沒有被呼叫則判斷當(dāng)前是否需要手動關(guān)閉充電回路，如果需要關(guān)閉則向監(jiān)測控制端發(fā)送關(guān)閉命令從而可以實現(xiàn)充電回路的遙控關(guān)閉，如果不需要關(guān)閉充電則繼續(xù)等待接收監(jiān)測控制端發(fā)送的信息編碼。

該裝置在實際長時間處于工作狀態(tài)的使用中可能會有各種不穩(wěn)定因素或者受到各種情況的干擾，所以在軟件和硬件設(shè)計方面也要考慮進(jìn)行各種抗干擾處理，還要兼顧到無線短距離通信和電控開關(guān)驅(qū)動動作的可靠性問題。

5 結(jié)語

本文論述的一種智能化電動自行車充電安全監(jiān)測裝置，其中監(jiān)測控制端外接充電電壓和充電電流傳感模塊，移動報警端內(nèi)置蜂鳴播報模塊，該裝置的最大特點在于能夠?qū)崟r監(jiān)測電動自行車充電過程中的各種故障從而實現(xiàn)能夠最大限度實現(xiàn)安全充電的目的，該裝置安裝方便、智能化高、具有相對較大的市場需求和應(yīng)用前景。

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