基于單片機的汽車充電樁收放線系統設計

廖長榮 楊延菊 李慧 吳苓

摘要：當前現有的汽車充電樁帶有很長一段的線纜，導致充電樁的故障率升高，給使用者帶來安全隱患。針對這一問題，通過STM32單片機設計一款汽車充電樁收放線系統，實現充電時充電線的釋放功能和充電完畢充電線的回收功能，更好地提供充電線的存放環境，提高充電線的使用壽命，減少安全事故的發生，一定程度上降低充電樁的故障率。

關鍵詞：STM32；充電樁；收放線系統

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-05-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.022

1 前言

黨的二十大報告指出，必須牢固樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發展。加快發展方式綠色轉型，是黨中央立足全面建成社會主義現代化強國、實現第二個百年奮斗目標，以中國式現代化全面推進中華民族偉大復興作出的重大戰略部署，具有十分重要的意義，實現“碳達峰”“碳中和”是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。節能低碳出行，讓市民綠色出行“不斷電”[1]。因此，加快充電樁等新型基礎設施建設，促進新能源汽車生產和消費。

但是現有的充電樁中有些充電槍連接了很長一段的線纜，如圖1所示，大部分用戶在使用完后不會將充電線整理收納好，而是任其所處擺放。充電槍也存在隨意擺放的問題，用戶在使用完后沒有將充電槍正確插回鎖止口或者直接不放回。這些情況都需要后續人工將線纜收放整齊，將充電槍放好。沒有及時收納整理的時候，就會出現被人踩踏、車輛碾壓導致充電線斷裂，充電槍破損等情況。迫使充電裝置的故障率升高，同時日曬夜露的使用環境會帶來充電線塑料層的老化，給使用者帶來安全隱患[2]。

2 充電樁收放線系統總體設計

為此，本文設計一種充電樁的收放線系統，用于解決以上難題。設計7 kW的單相交流充電樁收放線系統。

本控制系統主要的功能有：

a.實現充電時的充電線的釋放功能。

b.充電完畢實現充電線的回收功能。

充電樁收放線系統整體結構設計如圖2所示。

為了滿足充電時釋放充電線，充電完成時，回收充電線。系統通過單片機串口通信實現與充電板的數據通信，從而實現電機的動作；系統采用直流電機進行設計，通過電機正轉或者反轉實現充電線的釋放和回收，并通過過流檢測電路實現電機的保護，通過限位檢測電路實現充電線的釋放和回收極限位置的識別。

3 充電樁收放線系統硬件設計

3.1 STM32單片機模塊

主控芯片采用的是ST公司32位高性能ARM CortexM3處理器，型號為 STM32F103RBT6作為主控芯片，通過芯片的PA1、PA2、PA3引腳與MAX485芯片進行通信，通過PB10引腳進行限位檢測，PB11引腳進行過流檢測，PB0、PB1引腳進行電機驅動。芯片最小系統包括電源電路、晶體振蕩電路以及復位電路，其中：

a.電源電路的目的是為STM32F103RBT6單片機系統供電，將輸入電源轉化為單片機所需的穩定電源。

b.晶體振蕩電路通過電阻電容的配合，產生單片機所需要的時鐘頻率，單片機的一切指令的執行都是建立在這個基礎上的。

c.復位電路主要是將單片機程序復位到初始狀態，從初始狀態重新開始運行。當程序運行錯誤或電源不穩定時，可實行復位功能。

3.2 RS485通信模塊

RS485通信模塊采用MAX485芯片進行設計，MAX485具有以下功能特點：

a.具備差分輸入和輸出以及驅動和接收能力。

b.可允許共多達32個驅動節點連接到單個總線上。

c.具有防止瞬態電壓損壞的特性。

d.支持高速通信（最高可以達到2.5 Mbps）。

e.使用方便、成本低廉等特點。

RS485的信號從MAX485的A、B端輸入，通過芯片轉換后由光耦進行隔離，然后從STM32單片機的串口2連接。

3.3 限位檢測

限位檢測通過24 V串聯限位開關進行設計，當電機收線到位時，光耦U6A的二極管導通，電路的中的發光二極管D5A發光，IN端得到高電平送單片機識別。具體電路如圖3所示。

3.4 電機驅動

收放線的直流電機采用TA6586進行設計，它是一款DC雙向電機驅動電路，最大工作電流為5 A，極限工作電流為9 A，工作電壓選用12 V、有緊急停止功能、有過熱保護功能、有過流及短路保護功能。它有單片機的PB0和PB1控制輸入端子，用來控制電機前進、后退及制動，驅動電路如圖4所示，引腳功能如表1所示。輸入真值見表2。

3.5 過流檢測

過流檢測采用ACS712-5模塊設計，該模塊最大工作電流為5 A，通過P1接口的1、2引腳檢測電機的工作電流，由P2端口的2腳輸出模擬電流值，硬件電路設計如圖5所示。

VIOUT輸出電流值送LM393比較器的同相輸入端，將比較后的電流值通過單片機的I/O口識別，當電機過流時，停止I/O口的PB0和PB1輸出，電機停轉，硬件電路設計如圖6所示。

4 充電樁收放線系統軟件設計

系統采用MDK 5軟件進行編程，系統的軟件流程如圖7所示，在程序開始后，先對各個模塊包括串口、I/O口進行初始化，隨后進入 while 主循環，在主循環中，首先進入等待串口接收數據，當串口接收到有效數據后，執行串口指令啟動直流電機動作，實現釋放充電線纜或者回收充電線纜。當直流減速電機遇到限位開關時，電機停轉，充電線纜釋放或者回收到位。

5 系統調試

通過硬件搭建和軟件編寫，實現了系統的功能。當RS485接收到充電指令后，釋放充電線，充電完成后回收充電線纜，到一定的限位后，自動停止，如圖8所示。

6 結語

通過STM32的單片機進行設計的充電樁收放線系統，能夠解決充電線的釋放和回收功能，使充電線不再接收日曬雨淋的環境，能更好地提供充電線的存放環境，提高充電線的使用壽命，減少安全事故的發生，一定程度上降低充電樁的故障率。

參考文獻：

[1]侯波，傅留虎，董淵.關于充電樁的使用及前景[J].機械工程與自動化，2020（3）：225-226.

[2]顏少卿.電動汽車充電樁現場安全問題的探究[J].低碳世界，2021（8）：243-244.

作者簡介：

廖長榮，男，1979年生，高級實驗師，研究方向為電路系統設計。