基于GSM的電動(dòng)汽車(chē)充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

任治 魏丹 曹景勝 郝亮（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院）

隨著我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)以其零排放和無(wú)污染等特點(diǎn)將是今后交通工具發(fā)展的必然趨勢(shì)。但電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，而且通常無(wú)人值守，存在一些不確定的安全隱患，諸如交流電壓過(guò)高/過(guò)低、溫度過(guò)高、電流沖擊浪涌及過(guò)載等問(wèn)題[1]。因此采用先進(jìn)的高科技手段實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的遠(yuǎn)程監(jiān)控有著極其重要的意義和必要性。開(kāi)發(fā)了基于GSM的電動(dòng)汽車(chē)充電控制系統(tǒng)，基于STC89C52RC單片機(jī)，使用TP4056鋰電池充電芯片進(jìn)行充電控制，若充電完畢則通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將報(bào)告消息發(fā)送到車(chē)主手機(jī)上，極大提高了遠(yuǎn)程監(jiān)控鋰電池充電的效率，具有良好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用鋰電池充電芯片進(jìn)行電池充電實(shí)時(shí)檢測(cè)，在充電過(guò)程中，由微控制器單元采集有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行預(yù)判斷，得出鋰電池是否充電完畢等結(jié)果并實(shí)時(shí)顯示到12864中文液晶顯示屏上，并通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息的方式向車(chē)主進(jìn)行告知，使車(chē)主實(shí)時(shí)了解到電動(dòng)汽車(chē)鋰電池充電狀態(tài)。系統(tǒng)總體框圖，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路、鋰電池充電電路、液晶顯示電路及GSM通訊電路等各個(gè)具體功能電路。其硬件平臺(tái)框圖，如圖2所示。

電動(dòng)汽車(chē)充電控制系統(tǒng)要求穩(wěn)定性好，性?xún)r(jià)比與實(shí)時(shí)性高，考慮到系統(tǒng)完成的功能較多[2]，這里采用微控制器STC89C52RC單片機(jī)，該芯片基于高性能的8位CPU，允許在系統(tǒng)編程（ISP），因此廣泛應(yīng)用在大部分嵌入式控制系統(tǒng)領(lǐng)域。STC89C52RC最小系統(tǒng)的電路原理圖，如圖3所示。

電源直流供電穩(wěn)壓模塊的主要功能是將嵌入式系統(tǒng)外部高電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部各功能模塊供電的直流低電壓，本系統(tǒng)使用直流穩(wěn)壓芯片AMS1117-5.0穩(wěn)壓出5 V低電壓。該芯片為低壓差穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片，其可在工作壓差低至1 V時(shí)輸出1 A的工作電流，具有優(yōu)秀的穩(wěn)壓效果[3]。電源穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換電路原理圖，如圖4所示。

本系統(tǒng)鋰電池充電模塊設(shè)計(jì)中使用的TP4056充電芯片是采用恒定電流和電壓進(jìn)行線性充電，其SOP8微小封裝（底端附帶散熱片）與少量的外圍器件使得TP4056成為完整的單節(jié)鋰離子電池充電方案。

TP4056充電芯片內(nèi)部基于PMOSFET架構(gòu)和防倒充電路，因此外圍不再設(shè)計(jì)隔離二極管電路，從而使得充電電路簡(jiǎn)單可靠。芯片通過(guò)對(duì)一個(gè)調(diào)節(jié)電阻進(jìn)行設(shè)置來(lái)控制充電電流大小，而充電電壓則最高為4.2 V。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時(shí)，TP4056將自動(dòng)終止充電循環(huán)[4]。當(dāng)斷掉輸入電壓時(shí)，TP4056充電芯片會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，使得鋰電池漏電流被降至3 μA。TP4056充電芯片還包括欠壓閉鎖及電池的溫度檢測(cè)等功能。該充電芯片實(shí)物圖，如圖5所示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用12864中文液晶顯示器，其主要目的是為了實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前鋰電池充電狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)電源接通后，中文液晶顯示模塊顯示開(kāi)發(fā)者所在的學(xué)校和學(xué)院名稱(chēng)、當(dāng)前鋰電池充電進(jìn)度和狀態(tài)；若鋰電池處于充電過(guò)程中，則中文液晶顯示屏顯示“充電狀態(tài)：充電中…”；若鋰電池充電完畢，則中文液晶顯示屏上立即顯示“充電狀態(tài)：充電完畢，請(qǐng)短信告知主人！”。

12864中文液晶與STC89C52RC微控制器的接口電路原理圖，如圖6所示。

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)充電完畢后，微控制器驅(qū)動(dòng)GSM模塊將報(bào)告短消息發(fā)送到車(chē)主手中，因此這里使用了一款應(yīng)用比較廣泛的通信模塊SIM300手機(jī)模塊[5]。在硬件設(shè)計(jì)中，通過(guò)串口1與STC89C52RC微控制器連接，其與微控制器接口原理圖，如圖7所示。

在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件原理圖時(shí)，充分考慮到在以后寫(xiě)軟件程序過(guò)程中的調(diào)試問(wèn)題，設(shè)計(jì)了串口調(diào)試模塊電路。通過(guò)串口，可以將軟件程序中需要觀察的變量、GSM模塊返回結(jié)果及執(zhí)行結(jié)果等打印到上位機(jī)軟件上，這樣可以更加充分了解軟件執(zhí)行流程。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)技術(shù)方案中，構(gòu)建完系統(tǒng)硬件，有了系統(tǒng)運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)后，則編寫(xiě)軟件代碼，本系統(tǒng)軟件程序包括嵌入式程序和上位機(jī)程序。嵌入式程序在系統(tǒng)STC89C52RC硬件執(zhí)行，上位機(jī)程序則運(yùn)行于電腦上。

采用由ARM公司出品的MDK V4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用嵌入式C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)本系統(tǒng)的嵌入式程序，采用模塊化流程開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，編寫(xiě)了系統(tǒng)各個(gè)硬件初始化模塊、鋰電池充放電模塊、中文液晶顯示模塊、GSM通訊模塊及串口調(diào)試模塊等驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)進(jìn)行程序在線仿真。

由于本系統(tǒng)支持將電動(dòng)汽車(chē)充電狀態(tài)信息發(fā)送到車(chē)主手機(jī)上，因此設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，可以通過(guò)上位機(jī)軟件設(shè)置車(chē)主的手機(jī)號(hào)碼，然后通過(guò)串口將號(hào)碼傳給嵌入式硬件板保存，上位機(jī)軟件界面，如圖8所示。該系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完畢并進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示該系統(tǒng)能很好地完成鋰電池充電信息采集，中文液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前充電狀態(tài)，若充電完畢，則發(fā)送報(bào)告短信到車(chē)主手機(jī)上提示充電完畢。系統(tǒng)樣機(jī)照片，如圖9所示。

4 結(jié)論

文章研究和設(shè)計(jì)了基于GSM的電動(dòng)汽車(chē)充電控制系統(tǒng)，采用TP4056鋰電池充電芯片進(jìn)行電池充電實(shí)時(shí)檢測(cè)，在充電過(guò)程中，由微控制器單元采集有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行預(yù)判斷，得出鋰電池是否充電完畢等結(jié)果并實(shí)時(shí)顯示到12864中文液晶顯示屏上，并通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息的方式向車(chē)主進(jìn)行告知，使車(chē)主實(shí)時(shí)了解到電動(dòng)汽車(chē)鋰電池充放電狀態(tài)。提高了無(wú)線遠(yuǎn)程管理電動(dòng)汽車(chē)充電的效率，具有良好的應(yīng)用前景。