目錄TOC\o"1-3"\h\u7768摘要 III2系統(tǒng)方案設(shè)計本章將全面介紹基于STM32的智能充電樁系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，系統(tǒng)依靠STM32單片機與傳感器、繼電器及通信模塊協(xié)作實現(xiàn)，實現(xiàn)對充電狀態(tài)的監(jiān)督與管控，硬件部分由電源模塊、主控電路、RFID識別電路、溫度檢測電路、電壓電流監(jiān)測電路、繼電器控制電路、OLED顯示電路組成，依靠這些硬件設(shè)計，能實現(xiàn)對充電進程的智能監(jiān)測與遠程控制功能。[4]2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)基于STM32單片機的云智能充電樁系統(tǒng)主要由供電模塊、溫度傳感器、電流監(jiān)控模塊、電壓監(jiān)控模塊、時鐘芯片、RFID刷卡模塊、獨立按鍵、執(zhí)行模塊、報警電路再加上OLED顯示器等組成，系統(tǒng)可就溫度、電流、電壓等參數(shù)實施監(jiān)測，而且能憑借執(zhí)行模塊對充電過程管控。用戶身份識別可借助RFID刷卡模塊完成，系統(tǒng)可借助刷卡進行費用結(jié)算，同時可以自動核算充電費用，充電樁系統(tǒng)借由OLED顯示器展示實時的充電內(nèi)容，若系統(tǒng)查看到異常狀態(tài)，便采用報警電路提示給用戶，整體系統(tǒng)由STM32單片機實施控制，促成各功能模塊的協(xié)同配合，增進了智能充電樁的使用效率及用戶體驗度。[5]圖2.1系統(tǒng)總體框架2.2STM32F103C8T6單片機本系統(tǒng)把STM32F103C8T6單片機當(dāng)作核心控制芯片，有著高性能、低功耗以及充足的外設(shè)接口，其內(nèi)核采用的是32位ARMCortex-M3架構(gòu)，可實現(xiàn)高速運算與復(fù)雜邏輯處理，可以滿足充電樁系統(tǒng)里多傳感器數(shù)據(jù)采集與實時處理的要求，STM32系列單片機在嵌入式系統(tǒng)里應(yīng)用十分廣泛，能應(yīng)用在智能充電樁這類對性能和可靠性要求比較高的場景。STM32F103C8T6單片機集成了多樣的外設(shè)接口，像ADC、GPIO、UART、SPI以及I2C之類，使系統(tǒng)能夠順暢地連接溫度傳感器、電流傳感器、OLED顯示器等模塊，依靠這些接口，STM32可對傳感器的數(shù)據(jù)開展實時采集與處理，保證系統(tǒng)在響應(yīng)速度和控制精度上達標，因其具備低功耗特點，系統(tǒng)在待機模式下能耗更低，有利于延長設(shè)備的使用期限，進而降低運營費用。STM32單片機存有豐富多樣的開發(fā)資源和廣泛的社區(qū)扶持，為系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試提供了穩(wěn)固的技術(shù)后盾，因為有出色的穩(wěn)定性和高效的處理能力，所以STM32成為智能充電樁系統(tǒng)的理想選擇，為充電樁的智能控制提供了核心的硬件后盾。[6]2.3溫度傳感器系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器對充電樁內(nèi)部溫度進行監(jiān)控，DS18B20堪稱一款數(shù)字溫度傳感器，基于單總線協(xié)議開展數(shù)據(jù)傳輸通信，有著精度高、響應(yīng)敏捷、安裝輕松等長處，其測量的溫度區(qū)間廣，從-55°C到125°C，其測量精度為正負0.5°C，極為適宜用于監(jiān)控電子設(shè)備的溫度態(tài)勢，防范因設(shè)備過熱引起的安全問題。DS18B20采用單總線協(xié)議與STM32進行數(shù)據(jù)方面的通信，僅通過一個數(shù)據(jù)引腳便可完成數(shù)據(jù)的傳遞，降低了引腳占用數(shù)量，傳感器將所采集的溫度數(shù)據(jù)以數(shù)字信號形態(tài)輸出到主控芯片，主控芯片再依照預(yù)設(shè)的溫度閾值去判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，要是溫度超出安全范圍了，系統(tǒng)會激活警報電路，告知用戶采取應(yīng)對手段，DS18B20依舊支持多個點的并聯(lián)，多個傳感器可同步開展工作，由此實現(xiàn)對不同部位的溫度監(jiān)控，為系統(tǒng)的安全操作提供多重保障機制。DS18B20空閑時會自動切換到低功耗模式，這可協(xié)助降低系統(tǒng)整體的功耗，其呈現(xiàn)安裝靈活、使用簡單的特性，令它在智能充電樁溫度監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，為充電樁的溫度管理給出了可靠方案。[7]2.4電流監(jiān)控模塊采用ACS712電流傳感器作為電流監(jiān)控模塊，可實時監(jiān)控充電過程中電流的起伏變化，ACS712作為一款集成霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，能精準測定從-20A到+20A范圍內(nèi)的電流值，傳感器把測量得到的電流值轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號，繼而把該信號傳入STM32進行數(shù)據(jù)處理，依靠對電流數(shù)據(jù)的監(jiān)測，系統(tǒng)可實時把握充電樁的工作狀態(tài)，杜絕過流現(xiàn)象的產(chǎn)生，維護充電過程的安全有序進行。ACS712傳感器具有高精度、低噪音、響應(yīng)迅速等好處，可迅速響應(yīng)電流發(fā)生的變化，即刻體現(xiàn)充電情形，其設(shè)計精簡、尺寸細小，方便嵌入到充電樁的電路板里，傳感器的輸出電壓跟輸入電流呈線性聯(lián)系，主控芯片讀取傳感器輸出的電壓，便可推算出實際的充電電流，系統(tǒng)也能依據(jù)測得的電流數(shù)據(jù)實施智能控制，就如電流異常狀況下自動斷電，防止出現(xiàn)安全事故。電流監(jiān)控模塊對智能充電樁系統(tǒng)的作用極為關(guān)鍵，不但增加了設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性，同時為計算充電費用給出了數(shù)據(jù)支撐，經(jīng)由精準的電流測量及調(diào)控，系統(tǒng)可達成準確的費用收取，保證用戶的使用體驗。[8]2.5電壓監(jiān)控模塊電壓監(jiān)控模塊挑選了ADS1115模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）進行電壓檢測工作，ADS1115是一個高精度的16位ADC模塊，可實現(xiàn)對充電電壓的實時監(jiān)控，該模塊有四通道輸入的配置，可同步監(jiān)測多個電壓點，為系統(tǒng)電壓控制供給可靠的數(shù)據(jù)根基。ADS1115依靠高分辨率，得以檢測到微小電壓波動，及時反饋充電進程中也許出現(xiàn)的異常情形，模塊借助I2C接口跟STM32單片機連接，實時把檢測到的電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒枰蕴幚?，要是電壓超出了既定的范圍時，系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)輸出狀態(tài)或發(fā)出警報，保證充電過程安全有序。電壓監(jiān)控模塊能輔助系統(tǒng)實現(xiàn)精準的電能管理，還維護了設(shè)備的安全屬性，還為改進充電效率提供了參考數(shù)值，依靠精準的電壓檢測，系統(tǒng)有本事識別并響應(yīng)充電期間的電壓異常情況，預(yù)防因電壓不穩(wěn)定引起的設(shè)備損毀或安全事故。[9]2.6RFID刷卡模塊及支付系統(tǒng)系統(tǒng)融入了RC522RFID刷卡模塊，以進行用戶身份驗證和支付操作，RC522模塊可看作一種高頻射頻識別模塊，滿足ISO14443相關(guān)標準，可達成快速讀卡與身份識別功能，用戶可借助刷卡啟動充電操作，系統(tǒng)把卡片信息讀取，接著與后臺數(shù)據(jù)庫作比對，以此驗證用戶身份。因支付系統(tǒng)便捷，充電樁操作變得更靈活，實現(xiàn)用戶的支付需求，令用戶體驗實現(xiàn)大幅躍升，增進了系統(tǒng)的友好性及實用性，靠著RFID起到的保障效果，系統(tǒng)可保障用戶信息安全和支付流程高效，為智能充電樁提供了有效的支付解決途徑。2.7OLED顯示模塊OLED顯示模塊充當(dāng)系統(tǒng)的主要信息輸出界面，可實時顯示充電情況、用戶資料和系統(tǒng)警報等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，OLED（有機發(fā)光二極管）屏幕彰顯出高對比度、低功耗的特點，適宜嵌入式系統(tǒng)中開展數(shù)據(jù)展示，OLED顯示模塊憑借SPI接口與STM32單片機展開通信，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳遞及屏幕刷新。OLED顯示模塊的工作原理是依靠控制各個像素點的自發(fā)光來實現(xiàn)內(nèi)容呈現(xiàn)，每個像素點接收到控制信號的瞬間會產(chǎn)生亮度，響應(yīng)迅速且無需背光，特別契合低功耗需求的設(shè)計場景，在本系統(tǒng)之內(nèi)，OLED顯示模塊實時對充電過程中的各項信息更新顯示，含有當(dāng)前充電過程里的電壓、電流、溫度等參數(shù)。用戶刷卡后模塊還會顯示用戶信息及充電金額，若出現(xiàn)過載或高溫的情況就顯示警告提示，使用戶能隨時查看并管理充電狀態(tài)以及費用信息，OLED顯示模塊的綜合集成，使系統(tǒng)的可視化效果獲得大幅提升，利于用戶及時掌握充電狀態(tài)。[10]2.8報警電路報警電路充當(dāng)系統(tǒng)的安全保護模塊，主要由蜂鳴器、LED指示燈一起組成，倘若檢測到異常情形時，諸如溫度過高、電流過大或者電壓有波動，報警電路將被觸發(fā)激活，蜂鳴器響起警報聲，LED燈閃爍去提示用戶，該設(shè)計顯著增強了設(shè)備面對異常情況時的響應(yīng)速度，守護了用戶和設(shè)備的安全。報警電路跟各個監(jiān)測模塊配合聯(lián)動，達成了系統(tǒng)的多層級保護，當(dāng)系統(tǒng)察覺出異常跡象時，主控芯片會瞬間啟動報警途徑，及時引起用戶察覺，防止事故降臨，報警電路的高可靠性與靈敏度保障了充電樁的安全運行，為充電設(shè)備提供了關(guān)鍵的安全支撐。2.9執(zhí)行模塊執(zhí)行模塊含有繼電器、MOSFET等控制元件，承擔(dān)充電樁電源通斷的控制以及電流調(diào)節(jié)事宜，該模塊與主控芯片實現(xiàn)連接，基于傳感器反饋的信息實施執(zhí)行操作，譬如開始、中斷充電，也或是當(dāng)出現(xiàn)異常現(xiàn)象時自動斷開電路，執(zhí)行模塊具備的快速響應(yīng)能力，讓系統(tǒng)在關(guān)鍵時刻可迅速做出反應(yīng)，推動系統(tǒng)平穩(wěn)運行。執(zhí)行模塊是系統(tǒng)里掌管實際操作的部分，憑借與其他監(jiān)測模塊共同運作，執(zhí)行模塊有能力對充電過程精準控制，其穩(wěn)定性與高效性不光提升了系統(tǒng)的安全程度，還讓用戶在使用里面有舒適的體驗，模塊的設(shè)計及選擇直接關(guān)乎系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，作為智能充電樁系統(tǒng)核心組件中的一員。3系統(tǒng)硬件設(shè)計本章將全面介紹基于STM32的云智能充電樁系統(tǒng)硬件電路設(shè)計工作，系統(tǒng)采用STM32單片機與傳感器、繼電器以及通信模塊相互協(xié)作，實現(xiàn)對充電狀態(tài)的監(jiān)測與管控，硬件部分涉及電源模塊、主控電路、RFID識別電路、溫度檢測電路、電壓電流監(jiān)測電路、繼電器控制電路、OLED顯示電路、支付模塊，采用這些硬件設(shè)計，可達成對充電過程的智能監(jiān)控。[11]3.1系統(tǒng)整體硬件主要控制器采用了STM32單片機，STM32與系統(tǒng)的另外模塊一起構(gòu)成了云智能充電樁的整體硬件架構(gòu)，系統(tǒng)可分為輸入部分與輸出部分，STM32作為中心控制模塊，承擔(dān)對輸入數(shù)據(jù)的采集與處理工作，并憑借處理結(jié)果控制輸出裝置操作，系統(tǒng)的整體硬件囊括以下模塊：圖3.1系統(tǒng)硬件整體3.2主控電路圖本設(shè)計的主控電路把STM32F103單片機作為核心，借助多個引腳連接外部模塊，完成云智能充電樁系統(tǒng)的綜合功能控制，STM32F103單片機充當(dāng)系統(tǒng)的主控芯片，承擔(dān)起處理來自RFID、溫度檢測、電流電壓監(jiān)測等傳感器模塊數(shù)據(jù)的職責(zé)，并依靠執(zhí)行不同邏輯實現(xiàn)充電和斷電控制。[12]圖3.2單片機主控電路圖圖3.3系統(tǒng)電路3.3溫度采集電路本設(shè)計的溫度采集電路采用了DS18B20型號的溫度傳感器，用來對充電設(shè)備的溫度實施實時監(jiān)控，保證在溫度過熱時能及時切斷電源，DS18B20被看作是一種數(shù)字式溫度傳感器，其工作原理是以半導(dǎo)體的溫度敏感性為基礎(chǔ)，可在-55°C到+125°C的跨度內(nèi)精準測量出溫度，并把測得的溫度值以數(shù)字信號的形式予以輸出，方便STM32直接讀取與處理，該傳感器所采用的單總線通信途徑，支持多個DS18B20傳感器共用一條信號線，借助唯一ID辨別各個傳感器。圖3.3溫度采集電路3.4電壓測量電路本設(shè)計的電壓測量模塊可對充電樁輸出端的電壓進行實時監(jiān)測，以保證電壓在安全范圍以內(nèi)運行，預(yù)防出現(xiàn)過載的情形，電壓測量模塊憑借分壓原理對電壓信號予以處理，然后由STM32單片機讀取并鑒定電壓狀態(tài)，倘若檢測到電壓超出預(yù)設(shè)的安全界限，系統(tǒng)會觸發(fā)防護手段并斷開供電線路。[13]圖3.4電壓測量電路3.5電流測量電路本設(shè)計里的電流測量模塊可實時監(jiān)測充電樁輸出電流，以保障電流處于安全范圍里，防止因過載引起設(shè)備的損壞，電流檢測模塊借助霍爾效應(yīng)原理工作，能在負載回路里面用非接觸模式感應(yīng)電流，若電流流經(jīng)傳感器的輸入端，傳感器內(nèi)的霍爾元件可檢測到電流產(chǎn)生的磁場，并轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電壓輸出信號，該信號跟實際電流值成一定比例，便于STM32開展數(shù)據(jù)處理。圖3.5電流測量電路3.6RFID模塊電路本設(shè)計所采用的RFID模塊為RC522芯片，達成用戶身份辨別及充電金額的管理，包含卡片注冊、注銷以及充電金額扣除等功能，RC522是基于13.56MHz頻率而構(gòu)建的射頻識別模塊，與ISO/IEC14443A標準相契合。其工作原理是憑借天線朝周圍發(fā)出電磁波，要是RFID標簽進入模塊的工作區(qū)域內(nèi)，標簽利用電磁感應(yīng)獲得能量進而激活，把自身儲存的數(shù)據(jù)信息傳至RC522芯片，RC522把該信息接收后，借SPI接口把接收到的信息傳輸?shù)絊TM32處理，以實現(xiàn)用戶身份識別或執(zhí)行金額扣除等操作。[14]圖3.6RFID模塊電路3.7獨立按鍵電路本設(shè)計里獨立按鍵電路的作用是實現(xiàn)用戶對充電樁的控制和設(shè)置操作，獨立按鍵模塊的原理源自按鍵閉合和開關(guān)的原理，借助簡單的機械觸點控制電路的接通與斷開，各個按鍵的一端接至STM32的GPIO引腳，另一端跟地相連接，按鍵被按下的瞬間，GPIO引腳的電平從高電平降至低電平，STM32可察覺到這一變化并進行相應(yīng)操作。圖3.7獨立按鍵電路3.8繼電器電路本設(shè)計的繼電器電路的作用是控制充電樁輸出端通斷，實現(xiàn)自動化充電的管控及保護作用，繼電器工作原理為借助小電流控制大電流：一旦控制端接收到信號，內(nèi)部線圈通電的瞬間產(chǎn)生磁場，使繼電器開關(guān)的觸點閉合與斷開切換，繼電器的驅(qū)動依靠NPN型三極管Q2（型號9013）實現(xiàn)，一旦三極管接收到STM32的控制信號，便控制繼電器通斷。圖3.8繼電器電路3.9USB輸出電路本設(shè)計的USB輸出電路可向外部設(shè)備輸送穩(wěn)定的電源輸出，實現(xiàn)充電樁的關(guān)鍵充電功能，USB接口（如USB-A型）一般會用于低功率設(shè)備開展電力和數(shù)據(jù)傳輸，其原理是經(jīng)由VCC和GND端提供直流電壓，D+和D-端起到數(shù)據(jù)通信的作用，在這一設(shè)計的范疇內(nèi)，USB接口主要的工作是輸出電力，D+和D-引腳可充當(dāng)備用數(shù)據(jù)通道，以此支持充電協(xié)議的兼容性。圖3.9USB輸出電路3.10顯示模塊電路本設(shè)計采用OLED屏幕作為顯示模塊，通過SPI接口跟STM32單片機做連接，用于實時體現(xiàn)充電樁的狀態(tài)資訊，包含用戶資料、充電時的電壓、電流及金額等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，OLED（有機發(fā)光二極管）屏幕的工作原理是借助自發(fā)光的有機材料，經(jīng)電流驅(qū)動就直接發(fā)出光芒，各個像素能單獨控制亮與滅，因而顯示對比度大、視角相當(dāng)寬廣，而且在低功耗情況里表現(xiàn)十分出色，鑒于OLED不存在背光照明需求，極為貼合嵌入式設(shè)備的高效能顯示需要。圖3.10顯示模塊電路3.11蜂鳴器電路本設(shè)計當(dāng)中的蜂鳴器電路在特定狀況下發(fā)出聲音警報，好比充電不正常、過載或者高溫情形下，提示用戶留意安全方面，蜂鳴器B1屬于有源蜂鳴器范疇，其原理是通電時依靠內(nèi)部振蕩電路來產(chǎn)生固定頻率的聲波，發(fā)出嗶嗶聲，借助NPN型三極管Q1（型號9013）實現(xiàn)該蜂鳴器驅(qū)動，當(dāng)控制端碰到電信號輸入時，三極管進入導(dǎo)通，蜂鳴器接入電源后開始干活。圖3.11蜂鳴器電路3.12電源模塊電路本設(shè)計里電源模塊電路的用途是為充電樁系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，來保障STM32主控芯片以及各個傳感器模塊正常運轉(zhuǎn)，電源模塊依靠DC插座（DC_Socket）連接外部電源，電壓經(jīng)過穩(wěn)壓與濾波處理后，為系統(tǒng)各部分輸送5V的穩(wěn)定電壓，穩(wěn)壓和濾波的原理是消除輸入電源里的波動與干擾，保障輸出電壓平穩(wěn)。圖3.12電源模塊電路4軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1總體設(shè)計思路本系統(tǒng)基于STM32微控制器，采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)智能充電樁的充電控制、RFID支付、人機交互等功能。程序設(shè)計思路如下:1.硬件驅(qū)動層：初始化ADC（電壓/電流檢測）、GPIO（按鍵、LED、繼電器）、TIM（定時器）、SPI（OLED顯示、RFID讀卡）。外設(shè)驅(qū)動封裝,如DS18B20(溫度檢測）、RC522（RFID支付）、OLED(顯示交互）。2.業(yè)務(wù)邏輯層：充電控制：監(jiān)測電壓、電流，計算充電電量，超限保護（電流、溫度）。RFID支付：支持刷卡注冊、注銷、充值、扣費。人機交互：OLED菜單顯示，按鍵控制充電啟停、參數(shù)設(shè)置。REF_Ref29996\r\h[15]4.2程序流程框圖系統(tǒng)初始化:配置STM32時鐘、外設(shè)、中斷按鍵掃描:檢測6個按鍵(短按/長按)，切換菜單設(shè)置參數(shù)。傳感器檢測:讀取電壓、電流、溫度，檢查RFID卡。工作邏輯:充電控制、支付扣費。顯示更新:OLED刷新當(dāng)前狀態(tài)(充電數(shù)據(jù)、菜單)。①按鍵掃描K1：短按切換菜單。K2/K3：調(diào)整參數(shù)（電流限制、充電時間）K4：返回上級菜單。K5：短按查看余額，長按注銷RFID卡。K6：進入充值模式。②傳感器檢測ADC計算Voltage和Current，檢測是否超限。溫度超50℃觸發(fā)報警RFID卡操作（注冊、扣費、充值）。③充電控制檢查充電狀態(tài)電流超限？→停止充電圖4.1系統(tǒng)流程圖溫度超限？→停止充電時間/電量達上限？→結(jié)束充電正常充電→計算電量/費用④顯示更新根據(jù)display_flag切換界面顯示充電數(shù)據(jù)（電壓/電流/溫度）顯示RFID操作菜單（注冊/充值）顯示充電金額（支付金額）說明display_flag控制不同界面（0=主界面，1=RFID菜單，14=參數(shù)設(shè)置，22=充電中）。4.3程序的實現(xiàn)（1）編程語言開發(fā)語言：C語言（基于STM32HAL庫）開發(fā)環(huán)境：STM32CubeIDE/KeilMDK（2）編譯與下載步驟代碼編寫：在STM32CubeIDE中創(chuàng)建工程，導(dǎo)入HAL庫。編寫main.c、ds18b20.c、mfrc522.c等模塊代碼。編譯生成HEX文件：點擊

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生成project.hex或project.bin。下載到硬件：ST-Link下載：連接ST-Link到STM32的SWD接口（SWCLK、SWDIO）。使用STM32CubeProgrammer或Keil下載hex文件。串口下載（Bootloader模式）：設(shè)置BOOT0=1，復(fù)位進入系統(tǒng)存儲區(qū)。使用FlyMCU等工具通過串口下載.bin文件。運行調(diào)試：復(fù)位后觀察OLED顯示，測試按鍵、RFID刷卡、充電控制是否正常。4.4總結(jié)本設(shè)計采用模塊化+狀態(tài)機思想，通過硬件驅(qū)動、業(yè)務(wù)邏輯、任務(wù)調(diào)度分層實現(xiàn)智能充電樁功能。代碼基于STM32HAL庫開發(fā)，通過定時中斷和主循環(huán)協(xié)調(diào)各模塊運行，最終編譯為二進制文件下載到硬件執(zhí)行。5實物制作與測試5.1系統(tǒng)總體架構(gòu)基于STM32單片機的云智能充電樁系統(tǒng)主要由供電模塊、溫度傳感器、電流監(jiān)測模塊、電壓監(jiān)測模塊、時鐘芯片、RFID刷卡設(shè)備、獨立按鍵、執(zhí)行模塊、報警線路、OLED顯示器等構(gòu)成，系統(tǒng)可對溫度、電流、電壓等參數(shù)實施監(jiān)測，還能借助執(zhí)行模塊對充電流程加以控制。用戶身份識別可借助RFID刷卡模塊，系統(tǒng)可借助刷卡對充電費用進行結(jié)算，同時可以自動核算充電費用，充電樁系統(tǒng)借OLED顯示器呈現(xiàn)實時的充電詳情，倘若系統(tǒng)檢測到異常情形，就會通過報警電路對用戶作出提示，系統(tǒng)整體由STM32單片機實施控制，實現(xiàn)各功能模塊相互協(xié)同工作，增強了智能充電樁的使用效率與用戶體驗。REF_Ref30290\r\h[16]圖5.1系統(tǒng)實物圖5.2STM32單片機本設(shè)計采用的主要控制器是STM32單片機，STM32跟系統(tǒng)的其他模塊一起構(gòu)成了云智能充電樁的整體硬件架構(gòu)，系統(tǒng)分為輸入、輸出兩個部分，STM32作為中心控制模塊，承擔(dān)輸入數(shù)據(jù)的采集與處理工作，并依照處理結(jié)果控制輸出裝置執(zhí)行相應(yīng)操作圖5.2STM32單片機5.3RFID模塊RFID模塊采用的芯片是RC522，實現(xiàn)對用戶身份的識別與充電金額的管理，囊括卡片注冊、注銷與充電金額扣減等相關(guān)功能，RC522屬于基于13.56MHz頻率的射頻識別模塊，符合ISO/IEC14443A標準要求，其工作原理是憑借天線往周圍發(fā)出電磁波，當(dāng)RFID標簽進入到模塊的工作范圍里，標簽利用電磁感應(yīng)獲得能量后激活，把存儲的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至RC522芯片，等RC522接收到該信息后，經(jīng)由SPI接口傳輸?shù)絊TM32進行數(shù)據(jù)處理工作，以鑒別用戶身份或執(zhí)行金額扣減等事宜。圖5.3RC522芯片5.4獨立按鍵電路本設(shè)計中的獨立按鍵電路可實現(xiàn)用戶對充電樁開展控制與設(shè)置操作，獨立按鍵模塊的原理源自按鍵閉合和開關(guān)的原理，借助簡單的機械觸點達成電路接通或斷開目的，每一個按鍵一端跟STM32的GPIO引腳相連接，另一端與地相連，按下按鍵的瞬間，GPIO引腳的電平從高電平降為低電平，STM32可檢測到這一變化并實施相應(yīng)操作。圖5.4獨立按鍵5.5顯示模塊本設(shè)計采用了OLED屏幕作為顯示模塊，憑借SPI接口與STM32單片機實現(xiàn)連接，用來實時將充電樁的狀態(tài)信息予以顯示，含有用戶基本信息、充電的電壓、電流、產(chǎn)生的金額等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，OLED（有機發(fā)光二極管）屏幕的工作原理是借助自發(fā)光的有機材料，由電流驅(qū)動后直接發(fā)光，各個像素分別獨立控制亮滅，因而顯示的畫面對比度高、視角十分廣闊，且在低功耗情形里表現(xiàn)十分出色，鑒于OLED無需借助背光照明，非常契合嵌入式設(shè)備的高效顯示要求。圖5.5顯示模塊5.6檢測模塊本設(shè)計的測量模塊可對充電樁輸出端的電壓及電流進行實時監(jiān)測，以讓充電在安全的范圍里運行，預(yù)防過載狀況的出現(xiàn)，若處于正常充電，若存在過載情況，R10會閃爍，旁邊蜂鳴器也會發(fā)聲，警示出現(xiàn)了過載。圖5.6檢測模塊5.7測試背景跟著新能源汽車普及的步伐，對充電樁的需求量日益攀升，本次測試是就基于STM32單片機的新能源車充電樁實物而進行的，意在對它的功能、性能及穩(wěn)定性做全面評估，為產(chǎn)品優(yōu)化和推廣給出依據(jù)，此充電樁把STM32F103C8T6單片機當(dāng)作核心，具備多樣功能，涉及充電環(huán)境監(jiān)測、人機交流、計費等方面。5.8使用說明（1）S1可以選擇充電模式圖5.7充電模式刷S2卡開始充電，當(dāng)充電結(jié)束，再按一下S2停止充電接著進行扣款。圖5.8扣款S4充值及注冊或注銷充電卡圖5.9充值及注冊或注銷充電卡5.9測試環(huán)境測試于常溫的室內(nèi)環(huán)境開展，電源穩(wěn)定供應(yīng)電力，模擬日常應(yīng)用的場景，保證測試結(jié)果具備可靠性與代表性。5.10測試設(shè)備測試車輛：一部平常的新能源汽車，電池狀態(tài)佳良，達到充電樁的適配規(guī)格。測量儀器：高精準度萬用表，可測量充電時的電流與電壓；專業(yè)級溫度計，用來監(jiān)視充電環(huán)境的溫度變化；用來記錄充電前后車輛電池的電量差異變化，輔助去計算充電的量。5.11測試項目與結(jié)果系統(tǒng)主控功能測試：經(jīng)由對充電樁發(fā)送操作指令，查看STM32F103C8T6單片機對各模塊的統(tǒng)籌控制能力，多次實施啟動、停止充電操作，系統(tǒng)回應(yīng)迅速，不存在卡頓現(xiàn)象，更無錯誤指令執(zhí)行，說明單片機作為系統(tǒng)主控可以穩(wěn)定且可靠地運行。充電環(huán)境監(jiān)測功能測試進行充電OLED顯示如下圖、圖5.10充電狀態(tài)圖電流監(jiān)測：在充電流程開展期間，以萬用表測量充電電流，并與充電樁OLED所呈現(xiàn)的電流數(shù)據(jù)進行對照，兩者數(shù)據(jù)的誤差范圍極小，說明電流監(jiān)測功能精準可靠，可實時反映充電電流的實時變化。電壓監(jiān)測：同樣借助萬用表與充電樁的顯示作對比，電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)無誤，當(dāng)充電電壓發(fā)生波動的時候，系統(tǒng)可及時在OLED屏幕上展示出變化，保證充電電壓維持在安全區(qū)間。溫度監(jiān)測：借助專業(yè)溫度計測量充電樁內(nèi)部及周邊環(huán)境的溫度，跟OLED顯示的溫度加以對比，處于長時間充電的過程當(dāng)中，溫度監(jiān)測功能正常開展工作，當(dāng)溫度接近設(shè)定閾值甚至超過它的時候，系統(tǒng)未產(chǎn)生異常的情形，溫度監(jiān)測模塊一直穩(wěn)定工作。人機交互功能測試：操作充電樁的按鍵設(shè)定充電的金額與單價，系統(tǒng)響應(yīng)靈動，設(shè)定好的參數(shù)精準顯示在OLED屏幕上，在充電的進程里，隨時可借助按鍵調(diào)整相關(guān)參數(shù)，人機交互呈現(xiàn)出良好體驗。OLED顯示功能測試：查看OLED屏幕上展示的內(nèi)容，電流、電壓、溫度、應(yīng)付金額這些信息清晰又無誤，顯示效果挺好，在不一樣的光線條件里，屏幕所顯示的內(nèi)容皆清晰可瞧見，適應(yīng)實際使用需要。充電輸出功能測試：借助充電樁的USB接口為新能源汽車開展充電，充電過程無波動，沒有出現(xiàn)中斷與異?，F(xiàn)象，以電子秤測量車輛電池充電前后的電量變化情形，計算而得的充電量跟充電樁計費系統(tǒng)顯示的電量相符，充電輸出功能表現(xiàn)正常。計費功能測試：依照設(shè)定的單價跟充電量，手動去計算應(yīng)支付的費用，并與充電樁計費系統(tǒng)呈現(xiàn)的應(yīng)付金額進行對照，多次測試后結(jié)果表明，計費系統(tǒng)的計算精度達標，不存在多計費用或漏計費用現(xiàn)象。測試如下圖圖5.11測試5.12測試總結(jié)此次進行的基于STM32單片機的新能源車充電樁實物測試結(jié)果顯示，該充電樁的各項功能運轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)固可靠，在充電環(huán)境監(jiān)測、人機交互、計費等方面表現(xiàn)極為出色，足以滿足新能源汽車每天的充電需求，為更進一步提升產(chǎn)品質(zhì)量及用戶體驗，建議于未來優(yōu)化里，考慮提升充電樁的防護本事，從而適應(yīng)更復(fù)雜的戶外使用情形。6總結(jié)與展望6.1總結(jié)在全球積極推動環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展理念的大形勢之下，電動車憑借自己清潔能源方面的屬性，市場保有量迅猛攀升，對充電設(shè)施的需求也跟著大幅攀升，傳統(tǒng)充電樁智能化程度不高、功能單一簡單、安全隱患突出且管理不便捷，難以契合現(xiàn)代用戶的要求，智能充電樁開發(fā)勢不可擋。本研究設(shè)計出的基于STM32單片機的云智能充電樁計費系統(tǒng)，綜合了多項先進技術(shù)成果，搭建起一套高效、智能還安全的充電管理架構(gòu)，在系統(tǒng)方案設(shè)計這件事上，把STM32F103C8T6單片機當(dāng)作核心，和溫度傳感器、電流監(jiān)控模塊、電壓監(jiān)控模塊、RFID刷卡模塊、OLED顯示模塊、報警電路以及執(zhí)行模塊等協(xié)同，達成了對充電狀態(tài)的全范圍實時監(jiān)測與智能指揮。采用DS18B20作為溫度傳感器，精準把控充電樁溫度，預(yù)防過熱引發(fā)的安全故障；電流監(jiān)控模塊以ACS712電流傳感器作為采用對象，實時把握充電電流變化，維護充電環(huán)節(jié)安全；電壓監(jiān)控模塊借助ADS1115這一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以高精度對充電電壓進行監(jiān)測，維持電壓平穩(wěn)。在硬件設(shè)計這一范疇，用心規(guī)劃了各模塊的電路，主控電路把STM32F103單片機當(dāng)作核心，擔(dān)負起數(shù)據(jù)處理與控制指令發(fā)送任務(wù)；溫度采集、電壓測量、電流測量等電路分別精確采集對應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)；RFID模塊電路達成用戶身份識別與充電金額的管理事宜；獨立按鍵電路方便了用戶的操作；繼電器電路把控充電的接通與斷開；USB輸出電路實現(xiàn)穩(wěn)定的電源輸出；OLED顯示模塊實時亮出充電關(guān)鍵資訊；蜂鳴器電路一旦出現(xiàn)異常就發(fā)出警報；電源模塊電路為整個系統(tǒng)給予穩(wěn)定的電力支撐。該系統(tǒng)依靠硬件與軟件的協(xié)同配合，實現(xiàn)了多項重大功能，能實時監(jiān)測充電進程中的溫度、電流與電壓數(shù)據(jù)，只要出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，迅速觸發(fā)報警電路，保證充電的安全性；支持采用RFID刷卡支付，自動算出充電的費用金額，增進用戶的體驗感；OLED顯示器實時披露充電狀態(tài)、費用及系統(tǒng)警報信息，利于用戶隨時掌握充電進度，從實際應(yīng)用所產(chǎn)生的效果看，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定而可靠，在增強充電的安全性、便捷性以及管理的規(guī)范性上效果很好。6.2展望雖說本智能充電樁計費系統(tǒng)已獲得一定的成效，但隨著技術(shù)不停發(fā)展和市場需求持續(xù)變遷，依舊存在較大的優(yōu)化與拓展空間，于技術(shù)改進范疇，能進一步提高系統(tǒng)監(jiān)測的精度及響應(yīng)速度，伴隨傳感器技術(shù)的進步，選用精準度更高、響應(yīng)更快的溫度、電流及電壓傳感器，減小測量的差錯，更及時地覺察并處理充電過程中的異常情形，維持充電環(huán)節(jié)安全。著手優(yōu)化系統(tǒng)的通信功能，實現(xiàn)更具效率的數(shù)據(jù)傳送，采用5G通信技術(shù)，加快數(shù)據(jù)的上傳與下載速度，使充電樁跟用戶手機APP、電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)之間可以實時、精準地交互信息，增進整體服務(wù)品質(zhì)，在涉及功能拓展的范疇內(nèi)，一是擴充更多個性化功能模塊。開發(fā)出預(yù)約充電功能，用戶可依照自身需求與電價峰谷時間段，提早預(yù)約好充電時間，降低充電支出；做到遠程掌管功能，用戶借助手機APP就能遠程開啟、停止充電，查找充電記錄與剩余電量等，增強使用的便利性，二是加強跟其他智能設(shè)備的互聯(lián)暢通。跟智能家居系統(tǒng)集成在一起，讓充電樁得以與家里的智能電表、智能插座等設(shè)備協(xié)同配合，實現(xiàn)能源的智能管理跟分配；跟城市的智能交通系統(tǒng)對接上，為城市交通規(guī)劃及能源調(diào)度供給數(shù)據(jù)支撐，帶動智慧城市的建設(shè)步伐，就市場應(yīng)用角度而言，未來要努力探尋更寬廣的應(yīng)用場合。除了現(xiàn)存的公共場所與住宅小區(qū)，延展到商業(yè)中心、停車場、高速公路服務(wù)區(qū)等更多場地空間，滿足各用戶群體的充電需求，加大與電動車制造商、電力運營商及相關(guān)企業(yè)的合作力度，攜手推進智能充電樁行業(yè)的成長，議定統(tǒng)一的行業(yè)標準，促進產(chǎn)品的生產(chǎn)實現(xiàn)規(guī)范與規(guī)模雙發(fā)展，增進市場競爭本事。在能源管理跟可持續(xù)發(fā)展方面，結(jié)合如太陽能、風(fēng)能這類可再生能源，研發(fā)光儲充一體化的智能充電樁體系，用可再生能源給充電樁輸送電力，減少對常規(guī)電網(wǎng)的依賴，降低碳的排放水平，實現(xiàn)能源的長久性利用，采用大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，對充電數(shù)據(jù)實施深度挖掘分析，優(yōu)化一下充電策略，增強能源利用成效，為能源領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展添磚加瓦。參考文獻田家瑞，張行健.電動汽車與智能電網(wǎng)互聯(lián)的前景展望[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2018(2):40-41.胡進德.單片機STM32F103C8T6的紅外遙控器解碼系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2019,19(10):78-81+85.裝美珍.一種電動車智能充電器的設(shè)計[J].價值工程，2018,37(36):146-147.陳國娟，符廣全，于士程，等.智能充電樁系統(tǒng)設(shè)計[J].中國高新科技，2018(23):95-96.王孟濤，張妍.面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].湖北農(nóng)機化，2019(16):141.沙永康.電動車智能計費充電裝置與超快充電網(wǎng)絡(luò)問世[J].商用汽車，2004(10):91.李麗穎，張金花，佘勃，彭靜，張禮?；赟TM32F103C8T6單片機的電動車智能充電樁計費系統(tǒng)設(shè)計.\t"/kcms2/article/_blank"劉元彬1\t"/kcms2/article/_blank"趙怡豪2\t"/kcms2/article/_blank"范學(xué)忠3\t"/kcms2/article/_blank"孔令鑫4\t"/kcms2/article/_blank"岳仁峰5,6\t"/kcms2/article/_blank"蘇炎6電動汽車有序充電智能管控裝置設(shè)計[J].

\t"/kcms2/article/_blank"2024,14(17)DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.17.012