摘  要： 針對目前電動自行車大量增加，同時充電問題困難的情況,，設(shè)計了一種小區(qū)用刷卡付費電動車充電樁,，可以解決小區(qū)內(nèi)私拉亂接電線為電動車充電的問題。充電樁收費采用M1卡進行結(jié)算,，通過時間控制繼電器的通斷實現(xiàn)電動車的充電,，按照充電時間進行收費。充電剩余時間采用LED液晶顯示,，每臺充電樁可以控制10路負荷的通斷,。該充電樁還能夠?qū)﹄妱榆嚦潆娯摵蛇M行檢測，當(dāng)負荷超過限值時斷開負載,，保證電動車充電故障時能隔離故障,。實踐證明，充電樁能夠正常付費工作,，方便地解決了城市小區(qū)居民對電動車充電,。

　　關(guān)鍵詞： 電動自行車；充電樁,；M1卡

0 引言

　　作為新型,、節(jié)能、高效的交通工具,，電動自行車日益受到市民的歡迎,。同時，由于電動車電池特別是摩托式電動車電池不易拆卸,，小區(qū)存在隨意私拉,、亂接電線給電動自行車充電的現(xiàn)象,，給小區(qū)埋下巨大的安全隱患。市場呼喚一種方便進行充電的設(shè)備[1],。2014年6月4日,，鄭州市公安局、城鄉(xiāng)規(guī)劃局,、城鄉(xiāng)建設(shè)委員會,、住房保障和房地產(chǎn)管理局、民政局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于在住宅小區(qū)建設(shè)電動自行車充電庫（棚）的通知》,，要求按照市場化運行模式,，規(guī)劃增建或改建電動自行車充電庫（棚），同時杜絕私拉亂接電線進行[2],。電動自行車充電樁可以實現(xiàn)對電動自行車的充電,，同時實現(xiàn)按照充電時間收費，實現(xiàn)了對電動自行車充電的商業(yè)化運營,，可以滿足電動自行車充電的要求,。

1 電動自行車充電樁模式

　　目前市場上常見充電樁模式主要有兩種，一種是提供低壓直流電（如48 V）,，直接對電動車蓄電池充電,，供電動自行車快速充電，但是這種方案只能解燃眉之急,，長時間使用會大大縮短蓄電池的使用壽命[3-4],。同時由于各種電動車的蓄電池電壓不同[5]，需要制作多種電壓規(guī)格,。此外,，由于針對蓄電池的充電方法日新月異，人們不斷提出如分級恒電流充電法,、脈沖式充電法,、定化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)法、變電流間歇/定電壓充電法,、變電壓間歇充電法,、模糊控制充電法等[6]，單一的提供低壓直流電的充電方法無法適應(yīng)市場對延長蓄電池壽命的要求[7],。

　　另外一種是直接提供220 V交流電供電動自行車充電,，電動車充滿電需要耗時幾個小時，適用于慢速充電場合,，需要電動車自帶充電器,。這種充電方法可以針對每一臺電動車采用合適的充電器，延長蓄電池壽命,，特別適合在小區(qū)以及電動自行車充電站使用,。

2 充電樁架構(gòu)設(shè)計

　　本文所設(shè)計的充電樁架構(gòu)設(shè)計分為付費模塊,、控制模塊和檢測模塊3個模塊。其中付費模塊與控制模塊之間采用I2C總線進行通信,，控制模塊與檢測模塊之間通過UART口進行通信,，如圖1所示。采用多個模塊進行設(shè)計使得多個模塊的軟件設(shè)計分離,，其中一個模塊的軟件更改不會影響到其他軟件,，大大簡化了軟件的設(shè)計，有利于設(shè)計出健壯可靠的軟件,。

3 付費模塊設(shè)計

　　本充電樁采用商業(yè)運營模式,。市場上常用的售電付費模式主要有投幣式和刷卡式。由于投幣式需要預(yù)先準(zhǔn)備零錢,，同時維護方需要定期取錢，運作起來比較麻煩,，本設(shè)計購售電采用刷卡方式進行,。

　　3.1 付費卡設(shè)計

　　刷卡采用M1卡進行。M1卡是一種無源被動式射頻卡,，屬于非接觸邏輯加密卡,，技術(shù)成本低廉，交易流程簡明,，系統(tǒng)架構(gòu)較為簡單,，常用于門禁以及付費系統(tǒng)[8-9]。M1卡的能量和數(shù)據(jù)都由天線來傳輸,。當(dāng)射頻接口電路接收到13.56 MHz的調(diào)制信號后,，將信號送至調(diào)制解調(diào)模塊，經(jīng)過整流電路和穩(wěn)壓電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波后輸出,，以支持卡內(nèi)電路的工作,。M1卡分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)4塊,，共64塊數(shù)據(jù),。其中第0扇區(qū)的塊0用于存儲廠商代碼，已經(jīng)固化,，不可更改,。其他各扇區(qū)的塊0、塊1,、塊2為數(shù)據(jù)塊,，用于存儲數(shù)據(jù)；塊3為控制塊,，存放密碼A,、存取控制字,、密碼B。M1卡各扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的,，可以根據(jù)實際需要設(shè)定各自的密碼存取控制,。

　　M1卡采用一卡一密的方式進行加密，密碼A和密碼B配合使用,。同時針對居民對電動自行車充電需要的用電量較小,、金額有限[2]，對單個M1卡實現(xiàn)最大金額限制,，使得用戶破解密碼的成本小于收益成本,，保證M1卡的安全性。

　　3.2 讀寫卡模塊設(shè)置

　　用戶只需要在充電樁上刷卡區(qū)刷一下就可以完成一次購電,。用戶通過M1卡刷卡購買用電時間,，充電樁根據(jù)用戶購買用電時間對相應(yīng)的插座供電，從而實現(xiàn)對電動自行車的充電,。

　　讀寫卡芯片采用復(fù)旦微電子設(shè)計的FM1702芯片實現(xiàn),。FM1702是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0.6 m CMOS EEPROM工藝,，支持13.56 MHz 頻率下的typeA非接觸通信協(xié)議,，支持多種加密算法，兼容Philips的MF RC530（SPI接口）讀卡機芯片,。芯片采用高集成度的模擬電路,，只需最少量的外圍線路，操作距離可達10 cm,，內(nèi)部帶有加密單元,，支持SPI接口模式，發(fā)射口采用單端輸出,?；贔M1702讀寫芯片設(shè)計的非接觸式IC卡讀寫系統(tǒng)設(shè)計簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定,、易于維護,，被廣泛應(yīng)用于校園一卡通、考勤,、門禁等不同領(lǐng)域[10-11],。

　　FM1702的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 控制模式設(shè)計

　　為了經(jīng)濟地實現(xiàn)產(chǎn)品,，該充電樁可以實現(xiàn)對多路插座市電的獨立通斷控制,。對充電回路的控制通過繼電器來實現(xiàn)。用戶可以通過按鍵選擇相應(yīng)的市電通路,，實現(xiàn)對相應(yīng)通路的購電,。

　　相對于目前常用的采用保險絲限制電動車充電功率的做法[12],，本文采用了對功率進行實時檢測的方法，當(dāng)功率超過限值時,，斷開該回路,，實現(xiàn)對功率的限制。相對于采用保險絲的做法,，本文方法減少了故障次數(shù),，也省掉了更換保險絲的麻煩。

　　正確購電后,，相應(yīng)回路的剩余充電時間通過LED顯示,，用戶可以看到剩余充電的分鐘數(shù)。當(dāng)剩余充電的時間為0時,，自動斷開繼電器,，完成充電。

5 控制器硬件設(shè)計

　　產(chǎn)品各模塊硬件主芯片均采用ST公司的STM8S系列芯片,。STM8S是基于8位框架結(jié)構(gòu)的微控制器,，其CPU內(nèi)核有6個內(nèi)部寄存器。STM8S系列芯片的核具有16 MHz的內(nèi)部晶振,，具有3級流水線，總線結(jié)構(gòu)采用哈佛結(jié)構(gòu),。芯片具有32 KB Flash存儲器和2 KB內(nèi)部RAM,。還具有128 KB內(nèi)部EEPROM，可以經(jīng)受10萬次擦寫,。工作電壓為2.95 V~5.5 V,。具有時鐘監(jiān)視功能以保證時鐘安全。具有低功耗模式,，也可以單獨關(guān)閉外設(shè)時鐘,。具有一個異步UART口，支持全雙工異步通信,，也可支持LIN主模式通信,，還可以作為IRDA SIR編碼器解碼器。具有硬件I2C口,，最高速率可以達到400 kb/s,；具有一個硬件SPI口，最高速率可以達到8 Mb/s,。具有10路精度10位的ADC采樣端口,，可以進行模擬信號的采樣，實現(xiàn)對通路電流采樣的檢測,。

6 控制流程軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計代碼采用C語言編寫,。

　　刷卡模塊實現(xiàn)用電刷卡,、收費和增加售電時間的功能?？刂颇K實現(xiàn)充電回路的通斷,，檢測模塊實現(xiàn)對電路是否過流的檢測，檢測結(jié)果發(fā)送給控制模塊,。由控制模塊控制繼電器的通斷,，從而實現(xiàn)電動車充電回路的斷開和閉合。

　　用戶充電過程如下：

　?。?）當(dāng)用戶需要充電時,，用戶按下第n通路按鍵，控制模塊閉合第n通路繼電器,，同時向檢測模塊發(fā)送第n通路檢測消息,。

　　（2）檢測模塊接收到檢測命令后,，根據(jù)第n通路的采樣值判斷第n通路是否正常接通,。然后發(fā)送檢測結(jié)果給控制模塊。

　?。?）如果接收到通路正常消息,，則控制模塊向刷卡模塊發(fā)送進入要求充電狀態(tài)消息，刷卡模塊進入要求充電狀態(tài),。

　?。?）刷卡模塊檢測到M1卡，進行扣費,，如果扣費成功,，則向控制模塊發(fā)送增加扣費時間消息。

　?。?）控制模塊接收到消息后,，閉合繼電器，開始充電,，同時啟動充電時間倒計時,。

　　（6）倒計時結(jié)束,，控制模塊斷開相應(yīng)回路的繼電器,，充電結(jié)束。

　　6.1 刷卡模塊軟件設(shè)計

　　刷卡模塊的程序流程如圖3所示,。每隔100 ms檢測一次刷卡區(qū)是否有用戶卡,，如果有用戶卡，并在用戶要求充電（即某充電回路選中）狀態(tài)，則扣費,，對相應(yīng)回路增加充電時間,，同時顯示用戶卡內(nèi)的剩余金額。如果處于空閑狀態(tài),，則不扣費,，僅顯示用戶卡內(nèi)的剩余金額。

　　6.2 控制模塊軟件設(shè)計

　　控制模塊主要實現(xiàn)繼電器的通斷電,，在充電模式下,，當(dāng)開始充電后，控制模塊開始倒計時,，倒計時完成后,，繼電器斷開，完成本次充電,。流程如圖4所示,。

　　6.3 檢測模塊軟件設(shè)計

　　檢測模塊主要完成負載的檢測。通過芯片的AD采集功能,，把接收到的模擬信號變換為數(shù)字信號,。AD采樣采用10位AD采樣，采樣電路集成在芯片內(nèi)部,。當(dāng)接收到控制模塊的通路檢測命令時,，檢測回路電流是否大于檢測門限值，當(dāng)大于檢測門限值時,，判斷為電路導(dǎo)通,，發(fā)送電路導(dǎo)通消息給控制模塊；反之,，發(fā)送電路故障消息給控制模塊，實現(xiàn)了當(dāng)電路故障情況下,，不會誤對用戶卡扣費,。當(dāng)檢測到過載時，檢測模塊發(fā)送過載消息給控制模塊,，控制模塊斷開此路負載,。相對于采用保險絲限制電流的負載，免除了更換保險絲的麻煩,。

7 結(jié)論

　　本文實現(xiàn)了一種使用M1卡付費的電動車充電樁的軟件設(shè)計,。實際使用證明，本方案設(shè)計的充電樁可以實現(xiàn)多路充電回路的通斷,，用戶可以方便地使用M1用戶卡進行購電,，同時可以對充電負荷功率進行控制，當(dāng)用電負荷超過門限閾值時，能夠自動跳開相應(yīng)的繼電器,，并上報出錯信息,。本文設(shè)計的充電樁免除了更換保險絲的麻煩，適合小區(qū)以及社會上電動自行車商業(yè)充電站的需求,。

參考文獻

　　[1] 王佳佳,，孫玉濤.蚌埠市電動自行車充電站的現(xiàn)狀和前景的調(diào)研[J].高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2012（7）：28-29.

　　[2] 鄭州市公安局.關(guān)于在住宅小區(qū)建設(shè)電動自行車充電庫（棚）的通告[N].2014.8.1（5）.

　　[3] 馮仁斌,，魏曉斌,，胡恒生，等.鉛酸蓄電池的快速充電[J].電源技術(shù),，2003,，27（1）：72-74.

　　[4] 辛敬，陳崢峰,，楚曉華,，等.鉛酸蓄電池快速充電中的極化機理及對策[J].汽車實用技術(shù)，2013（7）：70-72.

　　[5] 張培君.電動自行車電池的類型,、特點與合理使用[J/OL].電子報,，2014.6.1.

　　[6] 李俊.蓄電池快速充電技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

　　[7] 柴樹松.電動自行車鉛酸蓄電池使用壽命的探討[J].電動自行車,，2006（3）：28-30.

　　[8] 劉宇航,，葉冬.基于MSP430的非接觸式IC卡門禁系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2013,，32（20）：22-24.

　　[9] 周雪蕾,，周建軍，鄭文剛,，等.基于M1卡的預(yù)付費用水管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國農(nóng)村水利水電,，2011（3）：35-37.

　　[10] 邢海霞，索明何.基于FM1702射頻識別讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科技廣場,，2007（1）：202-204.

　　[11] 黎洪生,，文浩，舒懷,，等.基于FM1702的非接觸式讀寫模塊設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用,，2007，9（1）：16-18.

　　[12] 李思偉,，陳云生.電動自行車充電樁[P].中國：201310337267,，2013-08-05.