基于PLC的電動自行車充電系統的設計

張曉培，毛旭寶，崔傳真

基于PLC的電動自行車充電系統的設計

張曉培1，毛旭寶2，崔傳真1

（1.欽州學院，廣西高校臨海機械裝備設計制造及控制重點實驗室培育基地，廣西欽州535011；2.中糧油脂（欽州）有限公司，廣西欽州535008）

針對電動自行車智能充電的問題，采用西門子PLC、單片機和SUKON觸摸屏設計了電動自行車投幣充電系統。在進行需求分析的基礎上，對系統進行了硬件和軟件的設計，硬件由采樣電路、PLC接口電路等組成，軟件包括采樣、PLC編程和通訊等。通過軟硬件調試結果證明了該設計的可行性，從而有效地實現了電車充電的智能化。

PLC；觸摸屏；單片機；智能控制；自動化

近年來，電動自行車作為新型城市交通工具的一個重要組成部分，它在人們日常生活中的重要性越來越明顯[1]。電動自行車具有便捷、綠色環保、價格便宜等諸多優點，受到越來越多人的青睞[2]。然而作為電動自行車基本的能源服務設施充電站，目前普遍處于純粹人員管理的狀況。PLC是一種新型的控制器，它具有使用方便、功能強、通用性好等特點，它可以有效地提高系統的可靠性和穩定性[3]。隨著科學技術的進步與發展，人機界面（HMI）在儀器設備和現場操作中使用的越來越多，而PLC控制器強大的功能也亟待需求有一種與之匹配而操作方便的人機界面[4]。觸摸屏的出現，解決了這個問題。它不僅可以顯示數據和設置參數，而且可以通過動態曲線來直觀地反映系統的控制過程；同時它擴展了PLC的功能，有效地減少了按鈕、儀表等硬件的使用，因此提高了經濟效益[5-6]。為了提高電動自行車充電運行和管理的智能化程度，在分析了自助充電系統性能要求的前提下，本文設計了基于PLC和觸摸屏的自助充電方案。該系統充分利用了PLC的穩定可靠、觸摸屏靈活界面以及兩者具有良好兼容性的特點，實現了無人自助式充電，可以實時、準確、安全的通信，實時監控相關參數，從而實現充電站的智能化。

1 系統設計

電動自行車充電系統模塊圖如圖1所示。該系統主要包括數據采集與控制和數據通信兩大模塊。這兩大功能模塊主要通過投幣器、單片機、PLC和觸摸屏、繼電器等硬件電路完成。在整個設計中單片機與投幣收費模塊相互通信，完成自助充電站的投幣收費功能，單片機檢測投幣器的投幣信號，投幣成功后給PLC一個反饋信號，PLC收到單片機發出的收幣信號后累計投幣款數和確定充電時間，同時它與觸摸屏相互通信，控制充放電管理電路中開關管的開通與關斷，觸摸屏起到了人機交互的界面，通過觸摸屏可以選擇通電的端口和修改相應的參數。

圖1 電動自行車充電系統模塊圖

2 系統的硬件設計

2.1 投幣信號采樣電路

由于投幣信號是時間很短的脈沖信號，而PLC的數字I/O端口無法快速有效地捕獲到產生的脈沖信號，所以設計一個有效的采樣電路是系統準確性的關鍵。本文通過STC89C52單片機的P3.0端口來捕獲投幣裝置產生的脈沖信號。

2.2 繼電器電路的設計

當投幣器投幣成功后，單片機將信號捕獲成功后產生中斷，從而控制繼電器的通斷，實現信號的響應。當繼電器響應時，指示燈LED0亮。繼電器的控制電路圖如圖2所示。

圖2 繼電器的控制電路

2.3 PLC的選擇

本文在考慮充電系統需求和性價比的基礎上，選用了西門子公司的S7-200系列PLC.根據系統輸入輸出點數的多少，PLC主機選用CPU224XP.它具有14輸入/10輸出共24個數字量I/O點。

2.4 PLC輸入輸出接線圖

PLC主機及擴展模塊輸入輸出點分配及外部接線圖如圖3所示。

圖3 PLC輸入輸出點分配及外部接線圖

數字量輸入端I0.0-I1.1是1-10號端充電按鈕，Q0.0-Q1.0是對應的1-10號端充電端口。投幣信號確定后，通過單片機產生中斷來控制繼電器的切換電路，從而可以通過PLC的數字量輸入端I1.2識別出有效的信號，而達到信息的處理控制。系統根據所接收的投幣信號的次數來決定充電時間的長短，每接收到一個投幣信號，則延長一定的充電時間。用戶可以通過觸摸屏或充電按鈕選擇對應的充電端口，從而完成自助充電的過程。

2.5 觸摸屏的選擇

系統采用上海鴻昶電子科技有限公司的SUKON系列工業級觸摸屏，型號為：HC-SuK07L.該觸摸屏擁有7.0英寸TFT真彩液晶顯示屏，分辨率為800 ×480.配有多功能串口，支持232/422/485通訊，串口都支持各種PLC協議和標準的MODBUS協議，可以方便的連接各種PLC和智能儀表。

2.6 PLC與觸摸屏的通信

S7-200系列的PLC與上位機通信時，采用的是異步通信的方式，本設計中通過一根兩端9針D型連接器線進行通信端口連接。設置好通信參數后即可實現PLC與觸摸屏的通信。

3 系統的軟件設計

3.1 單片機程序流程圖的設計

在整個電動自行車充電系統設計中單片機與投幣收費模塊相互通信，完成自助充電系統的投幣收費功能。單片機通過控制繼電器的開、關狀態把是否有投幣的信息反饋給PLC.單片機程序流程圖如圖4所示。

圖4 單片機控制程序的流程圖

3.2 PLC控制程序流程的設計

PLC在充電系統中起到了控制的作用。當PLC檢測到投幣成功時，它確定投幣款數和充電時間，同時它與觸摸屏相互通信。電車自助充電PLC控制的流程圖如圖5所示。

圖5 PLC控制程序的流程圖

3.3 觸摸屏畫面的設計

根據充電系統的控制要求，采用Sukon觸摸屏編輯軟件設置了以下幾個組態畫面：主頁面、狀態顯示界面、操作界面和管理員界面。用戶可以通過觸摸屏界面查看指示狀態和充電時間等，并可以在操作界面選擇充電端口。而管理員不僅可以通過觸摸屏查看充電次數和總的營業額，而且可以進行清零和復位等操作。

4 系統調試

當PLC、觸摸屏和投幣器等模塊的軟硬件準備好后，接通電源上電。經過操作測試，系統完全可以正常，安全，穩定運行，符合設計的要求和指標。系統調試觸摸屏運行界面如圖6所示。圖（a）為觸摸“工程案例”后跳出的系統首頁，按照提示觸摸圖（a）中的“下一步”跳出如圖（b）的充電端口實時狀態顯示窗口。圖（c）為投幣成功或者管理員登陸成功后的操作界面，在此界面用戶可以選擇相應的充電端口，選擇端口后界面會自動跳回首頁，防止一幣多充的現象。圖（d）為管理員登陸成功后的界面，該界面是管理員所有的操作權限。例如管理員可以查看充電的次數、充電的收入、當前系統的狀態、可以清零、復位系統等。

圖6 觸摸屏運行界面

5 結束語

本文采用PLC、觸摸屏和單片機實現了電動自行車充電系統的設計。通過實驗測試，該設計相對于傳統的PLC或繼電器的充電系統，更加穩定，安全，容易改造移植，為提高電動自行車充電智能化提供了一個有效的解決方案。

[1]高華，高光生.淺談電動自行車的發展及存在的問題[J].大眾科技，2006（7）：125-126.

[2]劉玥.淺談我國電動自行車的發展[J].科技傳播，2010（16）：44-47.

[3]呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統的應用[J].自動化儀表，2010，8（31）：45-47.

[4]劉文生.PLC與觸摸屏的綜合應用[J].遼寧師專學報（自然科學版），2009，1（11）：87-88.

[5]向曉漢.西門子S7-200PLC完全精通教程[M].北京：化學工業出版社，2012.

[6]薛迎成.PLC與觸摸屏控制技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

Design of Electric Bicycle Charging System Based on PLC

ZHANG Xiao-pei1，MAO Xu-bao2，CUI Chuan-zhen1
（1.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory Breeding Base of Coastal Mechanical Equipment Design，Manufacturing and Control，Collegeof Mechanical and Marine Engineering，Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535011，China；2.Cofco Oils（Qinzhou）Co.，Ltd.，Qinzhou Guangxi 535008，China）

Aiming at the problem of intelligent charging of electric bicycle，this paper designs a electric bicycle charging system based on siemens PLC，single chip microcomputer and touch screen.The design of the hardware and software are introduced on the basis of requirement analysis.The hardware consists of the single chip microcomputer，PLC，and touch screen.The software includes sampling，PLC programming，communication，and data processing，etc.The system design are proved to be valid and feasible by means of experiments，which can efficiently implement the intelligent of the electric bicycle charging system.

PLC；Touch screen；SCM；intelligent control；automation

TP302.1

A

1672-545X（2017）07-0105-04

2017-04-01

欽州學院校級科研項目（2014XJKY-23B）；廣西教育廳一般項目（KY2016YB478，KY2016LX421）；廣西高校臨海機械裝備設計制造及控制重點實驗室培育基地主任課題基金資助項目（GXLH2014YB-03）

張曉培（1984－），女，河南許昌人，碩士，講師，研究方向為智能檢測與控制。