摘 要

本课题设计的小功率交流充电桩面向的是单位，小区，公司等有专用固定的停车场而设计的，所以该设计属于内部小功率充电桩。本课题选用本课题是交流充电桩的刷卡控制系统。该小功率交流充电桩集刷卡预付费，电流、电压检测，语音播报，管理员功能于一体。利用RC522射频模块完成刷卡计费消费系统设计，STM32F103C8T6通过电流、电压检测模块收集到的数据进行处理，实时获得实际的电流，电压，然后将采集到的电流与设定的电池充满的电流阈值进行比较，单片机通过继电器控制电路通断，利用RC522射频模块对不同 IC 卡进行读写操作，识别到管理员卡则进入管理员系统，进行预付费金额，最长充电时长，单价设置，识别到消费卡则进行消费操作。

关键词：交流充电桩，功率计量，非接触式IC卡

Abstract

The designed low-power AC charging station in this project is intended for use in private and fixed parking lots of organizations, residential complexes, and companies. Therefore, this design falls under the category of internal low-power charging stations. The chosen approach for this project is a card-controlled system for AC charging stations. This low-power AC charging station integrates card-based prepayment, current and voltage detection, voice prompts, and administrator functions. The RC522 RFID module is used to implement the card-based billing and payment system. The STM32F103C8T6 microcontroller processes the data collected from the current and voltage detection modules to obtain real-time values. The collected current is compared with the predefined threshold for battery fullness, and the microcontroller controls the circuit through a relay to switch it on or off. The RC522 RFID module is used to read and write different IC cards, enabling the recognition of administrator cards for accessing the administrator system to set prepayment amounts, maximum charging duration, and unit price. For consumer cards, it allows for transaction operations.

Keywords: AC charging station, power metering, contactless IC card

目 录

摘 要

Abstract

目 录

一、 绪论

（一） 课题研究背景

（二） 国内外发展现状

（三） 课题的目的及意义

（四） 本文的主要内容及结构安排

二、 充电桩的总体设计及功能设计

（一）系统总体设计

（二）交流充电桩控制系统的内部结构方案设计

（三）电压、电流检测

（四）刷卡射频通信

（五）电路通断

（六）屏幕与操作

（七）语音播报

三、硬件电路设计

（一）微控制器

（二）复位电路

（三）显示屏和按钮电路

（四）语音提示模块

（五）电流、电压检测

（六）刷卡付费电路

（七）供电回路

（八）电源

四、系统软件设计

（一）软件主流程

（二）读写ID卡程序流程设计

（三）消费流程设计

（四）管理模式流程设计

（五）电流、电压检测流程设计

（六）屏幕显示流程设计

五、部分功能测试

总结与展望

致谢

参 考 文 献

附件

• 绪论

• 课题研究背景

现在在全球乃至每个城市燃油汽车的尾气已经对当地城市的环境已经造成巨大的污染，也加快了全球变暖的速度，根据环保部的数据，中国城市交通排放的NOx、PM10和PM2.5分别占总排放量的约30%、25%和8%左右，其中车辆尾气是主要排放源之一。

随着国家不断地深化改革开放政策，我国的社会经济正处于趋势高速发展阶段，国家越来越注重燃油汽车排放的尾气对环境的污染，同时大力推行新能源汽车，用新能源替代燃油，其中相当于电动汽车的加油站的充电桩变得越来越普遍，而小功率交流充电桩由于其低成本、易安装和适应性强等优点，成为电动汽车充电基础设施建设的重要方向之一。随着电动汽车的快速发展和普及，电动汽车充电设施的建设成为促进电动汽车发展的关键因素之一。而小功率交流充电桩由于其低成本、易安装和适应性强等优点，成为电动汽车充电基础设施建设的重要方向之一。

在过去的几年中，随着电动汽车的快速发展和普及，充电设施建设已成为推动电动汽车发展的重要因素。充电设施不仅为电动汽车提供了方便的充电服务，也为人们提供了更为环保的出行方式。然而，传统的大功率充电桩需要大量的电力和建设成本，因此在城市中心区域和住宅区往往难以普及。而小功率交流充电桩由于其低成本、易安装和适应性强等优点，成为电动汽车充电基础设施建设的重要方向之一。小功率交流充电桩的出现可以迎合电动汽车市场需求的发展趋势，以更为低廉的价格提供更为方便的充电服务，为电动汽车的普及和推广提供了有力的支持。与传统的大功率充电桩相比，小功率交流充电桩具有以下优点：

1.低成本：小功率交流充电桩的成本相对较低，可以降低充电设施的建设成本。这使得小功率交流充电桩在城市中心区域和住宅区等地更加容易普及。

2.易安装：小功率交流充电桩的安装和维护相对简单。由于其体积小，重量轻，安装相对简单，而且不需要额外的设备，这使得小功率交流充电桩更加适合在小型场所和个人住宅等区域安装。

3.适应性强：小功率交流充电桩可以适应不同种类的电动汽车，包括电动轿车、电动摩托车和电动自行车等，具有更广泛的适应性。

此外，小功率交流充电桩的使用还可以减少对电力系统的负担。传统的大功率充电桩需要大量的电力来提供快速充电服务，而小功率交流充电桩可以通过智能化管理系统，对电力进行更为合理和有效的利用，从而减少对电力系统的负担。这将有助于减轻电力系统的压力，促进电动汽车的可持续发展。

总的来说，小功率交流充电桩的研究和发展对于促进电动汽车市场的发展和推广具有重要意义。随着电动汽车市场的不断发展，小功率交流充电桩将会得到更广泛的应用和推广，成为电动汽车充电基础设施建设的重要组成部分。

• 国内外发展现状

在国家层面，政府出台了一系列鼓励新能源汽车和充电基础设施建设的政策文件，其中不乏对小功率交流充电桩的支持措施。例如，国家发展改革委等部门出台的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》提出，将加大对新能源汽车充电基础设施的支持力度，加快小功率交流充电桩的建设。同时，还推出了《关于加快推进充电基础设施建设的若干意见》，明确了对小功率交流充电桩的支持和补贴政策。各地方政府也相继出台了一些具体的政策文件，支持小功率交流充电桩的建设和应用。例如上海市出台的《上海市新能源汽车应用推广实施方案（2018-2020年）》也提出，将加快小功率交流充电桩的建设，并推广更加便捷和高效的充电服务模式。政府还通过补贴政策的方式，直接为小功率交流充电桩的推广和应用提供支持。国家财政部、工信部等部门联合发布的《新能源汽车推广应用财政补贴政策》中，明确了对小功率交流充电桩的财政补贴标准和要求。各地方政府也相继出台了一些具体的补贴政策，支持小功率交流充电桩的建设和应用[3]。

除了国内政策的支持，许多国家也制定了政策来促进小功率交流充电桩的发展。

欧盟于2014年推出了“全球清洁能源汽车伙伴关系”计划，旨在加快电动汽车和充电设施的部署，其中包括小功率交流充电桩。欧洲还设立了“地球村”项目，推广绿色出行，支持城市建设小功率交流充电桩和其他充电设施。美国政府通过一系列的补贴和税收优惠政策，促进电动汽车和充电设施的发展。针对小功率交流充电桩，美国国家标准技术研究所（NIST）开发了与标准兼容的设备测试和认证计划，以确保小功率交流充电桩的安全和可靠性。日本政府出台了一系列政策，以支持电动汽车和充电设施的推广。其中包括鼓励私营企业在商业区和住宅区建设小功率交流充电桩的政策。此外，日本还成立了电动汽车推广协会，以协调相关产业的发展。总的来说，国内政策的支持和倡导，为小功率交流充电桩的推广和应用提供了有力保障。政府还通过补贴政策、技术支持和产业引导等多种手段，推动小功率交流充电桩的快速发展。未来，政策将继续为小功率交流充电桩的发展提供有力保障。各国政府都在不同程度上采取了措施来促进小功率交流充电桩的发展。从政策上看，全球的趋势都是支持和推动新能源汽车和充电设施的发展。未来，随着技术的进步和政策的支持，小功率交流充电桩将在全球范围内得到更广泛的应用和推广。

• 课题的目的及意义

小功率交流充电桩是指功率在10kW及以下的交流电动汽车充电设备。其主要目的是为了满足个人、家庭和商业等用户的充电需求，为推动电动汽车普及和发展提供便利。在公司单位、常住小区和信号不好的地下停车场等场所，手机扫码充电就会展现出弊端，一是需要操作的时间久，二是信号不好时或者没信号时不能充电。IC刷卡方式充电就能解决这一部分问题，IC刷卡模式充电，简单高效，电动车插上电，再进行刷卡就能完成充电，再次刷卡就会返还剩余金额到卡里。特别是对于上班族来说，大大的提升了效率，而且大部分手机有NFC功能，可以把IC卡录进手机里面，这样就不会担心忘记拿卡而充不了电。而且在没有网络的情况下，只要设备支持NFC功能并具备相应的硬件和软件支持，就可以进行NFC通信，例如读取NFC标签信息、NFC支付等操作。

加之目前，全球对于清洁能源和环保的关注度越来越高，电动汽车作为一种低碳环保的交通工具，受到越来越多的关注和青睐。而其中一个主要的限制因素就是充电设施不足，特别是在居民区和商业区，充电设施建设远远滞后于电动汽车的普及和需求。

因此，研究和开发小功率交流充电桩具有重要的意义：

满足日常充电需求：小功率交流充电桩可以满足个人、家庭和商业用户的日常充电需求，提高电动汽车充电的使用便利性，促进电动汽车的普及和发展。

推动城市绿色交通发展：建设更多的小功率交流充电桩可以有效缓解城市交通拥堵和污染问题，推动城市绿色交通发展，促进城市可持续发展。

市场需求：随着电动汽车市场的不断扩大，IC刷卡小功率交流充电桩的需求也会越来越大，其研发和生产具有很大的市场潜力。

技术创新：小功率交流充电桩的研发和生产需要多个领域的技术支持，如电力电子、智能控制、无线通信等，其研发和生产将推动相关领域的技术创新。

• 本文的主要内容及结构安排

本文介绍了一种针对小型电动汽车的低功率交流充电桩，旨在提供方便快捷的充电服务。该充电桩设计简化了硬件结构，以降低制造成本。

在文章的第一章中，对充电桩领域的国外研究现状进行了介绍，还涵盖了国内一些城市如上海出台的充电桩政策。概述了我国在充电桩领域的发展现状、未来发展方向。

在第二章详细介绍了小功率交流充电桩的总体设计方案。首先介绍了交流充电桩的组成结构和内部硬件电路框架，总体概述需要哪些硬件以及要实现哪些功能，然后接下来对每个模块的功能和原理进行说明。本设计采用模块化设计，各个模块通过连接方式相互整合，以实现本次交流充电桩的设计目标。

在第三章开始详细介绍了交流充电桩每个硬件模块系统的设计。对每个功能模块进行了阐述，包括选择依据、设计目的和要实现的功能。

在第四章介绍了交流充电桩的软件设计。首先介绍了整个交流充电桩软件系统的整体设计方案,画出了总体流程设计图，然后根据总体架构，对每个功能设定和工作流程进行了说明，子流程有非接触式射频卡读写流程设计，消费显示流程设计和电流、电压检测流程设计。

第五章是测试实验部分，对实验进行了说明和展示。

最后对本文的研究工作进行了总结与展望，总结了本文的设计的目的和意义，并阐述了本课题的可行性和实用性。

• 充电桩的总体设计及功能设计

 在第一章中，通过对小功率交流充电桩的研究背景以及国内外发展现状解析，虽然社会上的充电桩形式各样，但真正针对与公司单位，小区以及信号不好的地下车库的小功率充电桩很少。根据当前问题，本文提出设计一款具有IC刷卡以及电压电流检测的小功率充电桩。本章节中将会详细介绍本次课题的系统总体设计。

（一）系统总体设计

本课题是电网与电动汽车充电时这一过程的控制系统设计，为了适应大部分的场所，充电方式选择使用的是非接触式射频模块，即IC卡刷卡充电消费系统。该系统增加了电流电压检测模块，当电池充满电时，会自动断开电路，以达到保护电池的作用。以上的充值，消费，管理员模式，以及电压电流检测的所有数据都是通过显示屏显示出来。并通过按钮来进行操作，以达到人机交互的目的。

（二）交流充电桩控制系统的内部结构方案设计

此次设计的小功率交流充电桩系统的整个设计方案可以分为四个单元进行分析，分别为电源单元，检测、通信单元，控制、保护单元和执行单元。如图2.1所示，这几个单元构成了交流充电桩的控制系统。

电源单元需要三个部分，一个为交流转直流12v，5v双路供电，一个为隔离电源模块，还有一个是STM32F103系列单片机，存储芯片，复位监控芯片等大部分集成芯片的电源均采用 3.3V 电压供电所以这里采用了AS1117DC-DC稳压模块把5v的电源降为3.3。该控制系统中运用了12v的继电器，除了该继电器，系统中其他模块都是需要5v电源供电。 

检测和通信单元是由电压、电流检测和射频组成，这个单元主要是对充电线路的电流电压等外部信息的提取，以及读取IC卡的信息并进行数据处理并通过IO口传输，把信息反馈到控制单元进行处理。

控制、保护单元为STM32F103C8T6核心处理器和光耦隔离，是整个系统的核心，单片机只要是接收检测和通信单元的信息进行处理，并根据命令控制执行单元。光耦隔离则是用来把继电器和单片机隔离开，起到一个保护单片机的作用。

执行单元由语音播报模块，继电器模块，显示屏和按钮组成，执行控制单元发过来的指令，起到固定语音选址播报，控制电路通断，人机交互的功能。

（三）电压、电流检测

电压，电流检测模块在交流充电桩中起到检测电流，电压的功能，每200ms采样一次电流电压数据给控制单元。电池充电过程电流是实时变化的，当电池充满时电流会变成一个“涓流”电流，此时电压，电流检测模块采集到线路的电流数据发送给控制单元进行比较，小于设定的电流阈值，提示充电已完成。

（四）刷卡射频通信

射频模块在交流充电桩中与单片机进行通信，读取IC卡里的信息，传输到屏幕上，还可以对IC卡进行读卡与写卡操作，完成充值和消费功能。IC刷卡支付模式应用场合广泛，在公司单位，小区楼房，信号不好的地下停车场有很大的优势，而且IC刷卡方便简单，可以省去很多操作。

（五）电路通断

当交流充电桩处于待机模式时，为了安全，外电路需要是断开状态，当射频模块读取到刷卡信号时，外电路合上进行开始充电状态，所以本设计要选用继电器模块，继电器模块的功能是用小电流（单片机）对大电流（外电路）进行控制，单片机发出信号给继电器，继电器接收到指令进行外电路的通断。本次设计主要是由单片机控制继电器，一个是IC刷卡模块，当充电桩插上充电枪，射频模块感应到IC卡之后，单片机控制继电器接通外电路，进行充电指令。单片机实时收集射频卡刷卡信号，时间，剩余金额等数据，进行比较，当预付费所剩金额为0时，或者充电计时大于15H时，或者射频模块有IC卡信号接入时，控制继电器接断开电路。另一个是电流，电压检测模块，在充电过程中，当该模块收集到的数据在单片机比较小于电流阈值时，控制继电器断开外电路。

（六）屏幕与操作

屏幕是用来显示充值系统，消费系统和管理员系统。下方有五个按键，分别为“充值”，“消费”，“确定”，“取消”，“+”，“-”。在充值界面，可选择充值的金额，同时显示卡内余额，在消费界面，会显示充电方式，有“按金额充”，“按时间充”，“充满自停”，刷管理员特定的卡，可进入管理员系统，可以看到这三个月来的用电信息，单价设置。

（七）语音播报

在本次设计中为了能够清晰的知道充电桩是否识别到非接触式IC卡，以及充电桩的运行状态，所以在本次设计中添加了语音播报功能，根据交流充电桩运行状态的不同，我设置了该模块如下几条语音提示：

（1）余额不足，请充值。

（2）正在充电。

（3）已进入管理员系统。

为了使操作起来更简单，本设计只加入3条固定语音提示。该语音芯片在不同的状态用不同的语音进行提示。当刷卡余额不足0.1时，会发出第一条语音提示。卡里有钱，刷卡会发出第二条语音提示。刷管理员特定的IC卡，会自动进入管理员系统，并发出第三条语音提示。

三、硬件电路设计

（一）微控制器

目前市场上有很多类型的微控制器可供选择，但最广泛使用的是51系列和STM32系列。这两种处理器具有广泛的端口可供用户使用。51系列以其简单易用、成本低廉而闻名。但由于其简单的架构和有限的功能，处理复杂程序的处理能力较弱，无法处理复杂计算算法。而且对于本项目所需的复杂程序，51系列不适合，因此选择STM32系列作为本项目的微控制器。

微型控制器本身已集成了保护电路和稳定电路，因此不需要修改外部电路。最小系统板有40个引脚可供用户连接。

（二）复位电路

上电复位电路在控制系统中的作用是完成一个充电流程后，自动重新启动单片机开始工作。电源上电以及电压异常或干扰时，电源会有一些不稳定的因素，为单片机工作的稳定性可能带来严重的影响，所以在电源上电时延时输出给芯片输出一复位信号，如果电源有异常则会进行强制复位[17]。可以通过调节电解电容来调节复位延时时间，在本设计里，复位周期设置为充电桩开始充电到结束充电一个流程之后，电路进行复位，复位程序开始初始化芯片内部的初始状态，外电路继电器处于断开状态，屏幕处于初始化界面，刷卡模块复位等待新的IC卡射频信号的输入，全部芯片内部初始化，等待接受输入信号。

上电复位电路原理：

5V电源供电，2脚输入，1脚便可输出一个上升沿，触发芯片的复位脚。电解电容C2是调节复位延时时间的。当电源关断时，电解电容C2上的残留电荷通过D1和MC34064内部电路构成回路，释放掉电荷。电解电容C2电荷为零，以备下一周期复位启用。

（三）显示屏和按钮电路

在设计的同时，为了能让使用的人群更加广泛，本设计选择3.5寸，分辨率为320*480，点阵为320*480，设置字体参数为1cm*1cm字体，减轻了老年人以及视力不是很好群体操作和使用。同时节约成本，本次设计里我选用背光LCD显示屏，显示屏内部的控制的芯片为 SSD1306，在本设计我选用的是IIC通信模式。模块带有稳压芯片支持3.3V~5V电压供电。

搭配按键使用，能实现本设计所需的切换充电方式，以及充值显示。

在消费模式下，刷卡就开始充电，当提前刷卡，或者检测模块检测电池充满，或者卡里余额为零，或者预定充电时间最长15h计时结束满足其中一个条件即可完成充电。

在充值界面下，显示出所要充值的金额以及充值成功之后卡里所剩余额。

在管理员系统，管理员查看近三个月的用电情况，以及电价设置。

I2C通信协议是一种串行通信协议，由于只需要使用两条线路（SDA和SCL），因此可以大大减少线路的数量，节省硬件资源。

SSD1306是一种基于IIC通信接口的显示屏驱动芯片。在使用IIC通信方式时，需要将BS0接地，BS1上拉电阻，BS2接地，以设置通信方式为IIC。IIC接口需要将D0和D1分别接一个上拉电阻，并将D2与D1短接，这样即可实现与MCU的通信。在通过IIC总线发送或接收信息之前，必须先识别SSD1306的从机地址。设备将响应从机地址，然后使用从地址位（SA0级位）和读/写选择位（R/W#位）进行通信。SA0位用于提供扩展地址，可以选择01111000（0x78）或01111010（0x7A）作为SSD1306的从机地址，而D/C#引脚则充当SA0引脚，用于从地址的选择。R/W#位用于确定IIC总线接口的操作模式，R/W#=1表示处于读取模式，R/W#=0表示处于写入模式。

IIC	R4	R5
0x78	1
0x7A		1

本设计选用的是低电平检测独立按键：同理从GND引线经过一个按键开关到单片机I/O口，并将该I/O口软件初始化配置为上拉输入或浮空输入。当按键开关按下时开关导通，单片机I/O口检测为低电平输入即完成按键检测，在检测函数中设计按下按键后需要实现的功能。如图3.2所示。本设计用到四个按钮，分别为 “确认”，“取消”，“+”，“-”，以方便管理员模式下设置预付费金额，最大充电时长，单价设置。

（四）语音提示模块

为了方便人机交互，让用户知晓有没有操作成功，同时也为消费、充值和电动汽车充电状态提供更直观和清晰的操作，本设计添加了语音提示功能。为了满足最简单的语音播报功能，本设计选用的语音播报芯片为EV5Q本设计选用通过科大讯飞把语音文案转成MP3格式语音文件，然后把语音文件烧录进芯片，每条语音都对应了一个地址，只要把地址数据写入芯片，芯片就会自动在完成一个操作指令时引用特定的地址数据，再通过扬声器就可以播放指定语音。

数据（十六进制）	功能
00H	播放第0段语音
01H	播放第1段语音
02H	播放第2段语音

C1为电源滤波电容，使用104电容，CLK为时钟线，DATA为两线串口数据信号输入端，BUSY是检测端口，播报语音时为低信号，不播报语音时为高信号。

（五）电流、电压检测

在实际情况中，当电池充电充满时，就应该马上断开电源，以防止一直充电电池过热而引起隐患，当电池充满时，电流会变得很小，为了实时监控外电路中电流值的多少，所以本课题增加了一款电流、电压检测模块，在实际情况中小功率交流充电桩用到的是180~230V交流电。所以在交流电压、电流选型上面，选用JSY-MK-163型号的电流、电压检测芯片，该芯片集成了测量、数字通讯技术，能够精确测量单相交流电压、电流、电量等参数信息[1]。电流检测电路设计中的二级管选用快恢复整流二极管，15欧电阻用精确电阻。可以做到快速测量和精确电流的作用。

具体工作原理如下：

1.电流测量：将被测电流通过电流互感器，感应出互感线圈上的磁场信号，并将磁场信号经过整流桥将交流电信号转为直流电信号，再经过1：10运放电路，然后进行模数转换，将模拟电流转换成数字电流。

2.电压测量：将被测电压通过电压分压器降压到微处理器工作电压范围内，也是经过整流桥进行整流滤波处理，去除噪声干扰，再经过运放电路，然后进行模数转换，将模拟电压转换成数字电压。

（六）刷卡付费电路

在本课题的设计与实际可行性中，我选用非接触式刷卡消费方式，虽然该消费模式没有手机扫码支付那么方便，但IC刷卡预付费系统可免去手机扫码所需的庞大的后端网络系统，大大的节约了人力物力，所以我选择IC刷卡消费模式。射频芯片选用MFRC522读写卡芯片，MFRC522是一款高度集成的非接触式（13.56MHz）读写卡芯片，它利用调制和调节的原理，将这些功能完全集成到各种非接触式通信方法和协议中[15]。这个芯片具有高度集成的模拟电路，适用于小型刷卡设备，可快速完成解码和译码。MFRC522芯片还具有缓冲驱动器，可通过简单的外围电路与天线连接，以增加信号传输连接。此外它具有传输速率快、接口丰富的特点，适用于多种应用场合。与STM32F103C8T6微控制器的自带SPI接口连接，传输速率每秒最高可达10Mbit，而串行UART接口的传输速率为每秒1.228Mbit，采用了SPI接口以增加传输速率[22]。为了提高接收和发送的传输速率，MFRC522 芯片还具有一个64bit的 FIFO 缓冲区。这个芯片的模拟接口负责处理模拟信号，将其调制和解调，实现模拟信号和数字信号之间的相互转换，同时也可以将电信号转换为磁信号，从而完成非接触式IC卡数据的读写。非接触式UART接口则负责处理与主机通信时的协议要求，通过对不同的寄存器进行赋值，实现相应的功能，而FIFO缓冲区则能够快速而方便地实现主机和非接触式UART之间的数据传输。

  

SPI接口：在SPI通信中，MFRC522作为从机，主机微控制器作为主机。主机通过SCK线产生SPI时钟信号，数据通过MOSI线从主机传输到从机，数据则通过MISO线从MFRC522发回到主机，传输的每个字节都是高位在前的，在时钟的上升沿，MOSI上的数据保持不变，在时钟的下降沿改变，MISO也类似，在时钟的下降沿，MFRC522提供MISO上的数据，数据在时钟的上升沿保持不变[10]。

SPI地址：地址字节按下面的格式传输。第一个字节的MSB位设置使用的模式。MSB位为1时从MFRC522读出数据；MSB位为0时将数据写入MFRC522。第一个字节的位6-1定义地址，后一位应当设置为0。