基于峰谷电价的智能充电器设计

舒景东，刘 龙

(武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072)

基于峰谷电价的智能充电器设计

舒景东，刘 龙

(武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072)

目前众多充电器智能化程度不高，在手机充满电后，靠手机内部电路停止充电，充电器一直连接在市电上，有一定的安全隐患。本文介绍的智能充电器通过MSP430单片机控制，充电完毕断开充电器与市电的连接，同时考虑到谷电时段电价较低，单片机控制充电器在谷电时段接入市电对充电设备充电。为方便用户设置智能充电器，开发了手机APP作为客户端，通过Wi-Fi连接智能充电器。

峰谷电价；充电器；MSP430；Wi-Fi

用电负荷主要集中在白天和晚上10点之前，在晚上10点到第二天早上8点这样的时间段内用电负荷小，为了鼓励用户合理转移用电负荷，起到对电网削峰填谷的作用，缓解用电量大时的供电压力，提高用户用电量低时发电设备利用率，电网公司采用峰谷电价政策。谷电时段内电价低于峰电时段的电价，所以在谷电时段内用电，用户可以有效节省电费。对于目前的普通充电器，用户在谷电时间用其给手机充电时，充满后，充电器无法自动断开与市电的连接，虽然手机内部有充电保护，但是充电器一直连接在市电上，有一定的危险性，本文提出的智能充电器设计方案，可设置谷电时段，充电器可在谷电时段自动为所接负载充电，充电完毕或者负载被拔出时可自动断开与市电的连接，既利用了谷电时段的低价的电量，又防止了充电设备一直接在电源所带来的隐患。

1 总体设计

系统总体框图如图1所示，本文提出的基于峰谷电价的智能充电器包括客户端和充电器。充电器包括控制器、通信模块、继电器模块、控制供电模块、输出供电模块、输出电流检测模块、电池、电池电量检测模块。

控制器通过通信模块连接到客户端，通信模块为Wi-Fi模块，继电器的控制器端连接控制器、电能输入端连接市电、电能输出端连接控制供电模块和输出供电模块，通过客户端设置峰谷电时段，控制器在谷电时段接通继电器模块和输出供电模块，开始为负载充电。

图1 系统框图

控制供电模块包括给所述继电器模块、控制器、通信模块供电的供电电路和给电池充电的充电电路。电池可在充电器未连接到市电时给所述继电器模块、控制器、通信模块提供电能。输出供电模块连接控制器和负载，控制器可控制输出供电模块是否给负载充电。

电池电量检测模块连接到电池和控制器，检测电池剩余电量，所得信息传输给控制器。输出电流检测模块连接到所述输出供电模块和控制器，检测是否有负载接入和是否完成对负载的充电，并将所得信息传输给控制器，从而控制继电器模块是否断开与市电的连接。

2 客户端设计

手机上客户端可以选择本地原生APP即Native APP和Web APP，Native APP可以支持复杂的交互操作，相比Web APP可以更加有效地利用手机的各种硬件特别是传感器，Web APP需要通过浏览器与用户交互，但是具有跨平台的优点，而Native APP直接运行在手机上，性能更好。对于Native APP，目前主流手机操作系统为iOS和Android，iOS系统下APP编程语言为Objective-C和Swift，Android系统基于Linux内核，APP在Java虚拟机中运行，编程语言为Java和Kotlin。而Web APP发展趋势是使用HTML5的技术实现其功能。本文客户端的功能使用Native APP实现，架构分为用户界面层，用户功能层，中间层；中间层包括核心功能层，基础功能层；基础功能层实现存储数据，网络通信等功能，本设计中最关键的是基础功能层通过调用手机Wi-Fi模块连接充电器，实现信息传递[1]。

3 主要硬件设计

3.1 控制器

目前广泛使用在智能硬件中的处理器包括Arduino、51单片机和MSP430单片机，Arduino许多函数经过封装，降低了开发难度，但是不利于根据具体情况灵活调节，51单片机提供的I/O口数目有限，处理器性能也不够，所以本设计使用MSP430G2001-Q1单片机[2]，它是一种16位RISC的超低功耗微控制器，具有5 种节能模式，可供选择的四种时钟源为：高达 16MHz 的内部时钟频率，内部超低功率低频振荡器，32 kHz晶振，外部数字时钟源。单片机还具备2个16位的定时器和一个可在软件故障时复位处理器的看门狗定时器。

3.2 通信模块

目前智能电子设备和手机之间的通信可以采用蓝牙和Wi-Fi。目前蓝牙已经发展到4.1版本，增加了对于可穿戴设备的支持，具有成本低，功耗低的优点，而搭载Wi-Fi模块的设备可以接入互联网，即使用户不在家，也可通过互联网连接到智能充电器[3]。所以本设计采用Wi-Fi模块，型号为XLW-002X，支持802.11b/g和基于AP的网络，设备也可以直接连接本模块，工作在2.4GHz频段。Wi-Fi模块具有高达24个GPIO口，全功能TCP/IP协议栈，可以设置三种Wi-Fi节能模式，且都带有定时自动唤醒功能，分别为基本节电模式，快速节电模式，休眠模式。在IEEE 802.11b协议标准下可以达到 11 Mbps的传输带宽，使用IEEE 802.11g协议可以达到 54 Mbps。Wi-Fi模块可以通过UART接口与智能充电器中的控制器通信。

3.3 继电器模块

继电器模块为常开继电器[4]，继电器模块结构如图2所示，包括封装壳体5、继电器7、设置在继电器上的第一金属触点8、设置在继电器上方的杠杆3、设置在杠杆下部的第二金属触点2、设置在杠杆上部的按钮4、设置在杠杆与壳体底部之间的弹簧6，弹簧6一端连接在杠杆下部、另一端连接在壳体5底部，杠杆3通过支点1固定在壳体5上，第一金属触点8与第二金属触点2正对，弹簧6处于原长时第一金属触点8与第二金属触点2分开。按下按钮4使第一金属触点8与第二金属触点2接触从而接通，控制器也可控制继电器7使金属触点2和金属触点8接触，金属触点2和金属触点8接触后，市电连接到充电器。松开按钮4后，如果控制器给继电器7接通信号，则继电器7继续接通，否则在弹簧6弹力的作用下第一金属触点8与第二金属触点2分离，继电器7断开市电输入。

图2 继电器模块结构示意图

4 系统软件设计

在使用本文所提出的充电器时，将充电器插入插座，按下充电器上的按钮，将市电接入充电器，控制器开始工作，采集电池电量检测模块信息，如果电池电量低于设定值，则控制继电器模块接入市电开始对电池进行充电，如果电池电量未低于设定值，则暂不给继电器发送控制信号。然后采集输出电流检测模块数据，判断是否有需要充电的设备，如果有，则检测当前时间是否在谷电时段内，如果在，则控制继电器接入市电同时控制输出供电模块开始工作；如果不在，则不给继电器发送控制信号，控制器和通信模块依靠充电器内部的电池提供的电能继续工作，等待时间到达谷电时段，控制继电器模块接入市电，同时控制输出供电模块输出电能给负载充电。用户可用手机通过Wi-Fi连接充电器，在手机的APP上设置充电器的峰谷电时段。由于充电器的通信模块为Wi-Fi模块，可以连接到用户家中的路由器，用户不在家时也可以通过互联网连接充电器来设置充电器的峰谷电时段以及读取充电器工作状态。同时，手机APP中还可以设置忽略峰谷时段，直接让智能充电器工作，给电子设备充电以实现紧急情况下充电。

5 结论

本文提出了一种以MSP430G2001-Q1为控制芯片的智能充电器，介绍了主要硬件模块的设计，包括控制器，通信模块，继电器模块，还通过Native APP和Web APP的比较确定出本设计中客户端采用手机上的Native APP，说明了APP设计的基本原理，最后介绍了本智能充电器和手机APP配合工作的软件设计。本智能充电器实现了利用低价的谷电时段给电子设备充电的功能，不仅对于电网起到了削峰填谷的作用，而且对于用户而言，降低了用电费用。通过控制器对于继电器的控制，实现了用电设备充电完毕后断开智能充电器与市电的连接的功能，消除了充电器一直连接市电的安全隐患，具有较高的实用价值。

[1] 李涛.基于Android的智能家居APP的设计与实现[D].苏州：苏州大学,2014.

[2] 俞骏豪.基于MSP430单片机的远传智能水表的设计与实现[D].北京：华北电力大学,2015.

[3] 张文，郑文，田远波.基于ARM和WIFI的家电智能控制系统设计[J].电子制作,2016(9):45-46.

[4] 冯晓.基于ARM的智能继电器测试系统的设计与研究[D].上海：东华大学, 2010.

Design of Intelligent Charger Based on Peak-valley Price

Shu Jingdong, Liu Long

(SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,WuhanHubei430072,China)

The intelligent level of the most chargers is not high, when the mobile phone is fully charged and mobile phone stops charging by the internal circuit, the charger is still connected to the mains power, which brings potential risk. The intelligent charger introduced by this paper disconnects the charger and the power after charging by means of the control of MSP430 MCU. Taking into account the low valley electricity price time, MCU controls charger to charge the charging equipment in the valley period. To make it convenient for users to set the smart charger, the paper develops the APP of mobile phone as a client, which connects with intelligent charger by Wi-Fi.

peak-valley price; charger; MSP430; Wi-Fi

2017-07-21

舒景东(1996- )，男，湖南怀化人，本科在读，研究方向：物联网。

1674- 4578(2017)04- 0046- 03

TM925.02

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