基于PLC的电动自行车充电系统的设计

张晓培，毛旭宝，崔传真

基于PLC的电动自行车充电系统的设计

张晓培1，毛旭宝2，崔传真1

（1.钦州学院，广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室培育基地，广西钦州535011；2.中粮油脂（钦州）有限公司，广西钦州535008）

针对电动自行车智能充电的问题，采用西门子PLC、单片机和SUKON触摸屏设计了电动自行车投币充电系统。在进行需求分析的基础上，对系统进行了硬件和软件的设计，硬件由采样电路、PLC接口电路等组成，软件包括采样、PLC编程和通讯等。通过软硬件调试结果证明了该设计的可行性，从而有效地实现了电车充电的智能化。

PLC；触摸屏；单片机；智能控制；自动化

近年来，电动自行车作为新型城市交通工具的一个重要组成部分，它在人们日常生活中的重要性越来越明显[1]。电动自行车具有便捷、绿色环保、价格便宜等诸多优点，受到越来越多人的青睐[2]。然而作为电动自行车基本的能源服务设施充电站，目前普遍处于纯粹人员管理的状况。PLC是一种新型的控制器，它具有使用方便、功能强、通用性好等特点，它可以有效地提高系统的可靠性和稳定性[3]。随着科学技术的进步与发展，人机界面（HMI）在仪器设备和现场操作中使用的越来越多，而PLC控制器强大的功能也亟待需求有一种与之匹配而操作方便的人机界面[4]。触摸屏的出现，解决了这个问题。它不仅可以显示数据和设置参数，而且可以通过动态曲线来直观地反映系统的控制过程；同时它扩展了PLC的功能，有效地减少了按钮、仪表等硬件的使用，因此提高了经济效益[5-6]。为了提高电动自行车充电运行和管理的智能化程度，在分析了自助充电系统性能要求的前提下，本文设计了基于PLC和触摸屏的自助充电方案。该系统充分利用了PLC的稳定可靠、触摸屏灵活界面以及两者具有良好兼容性的特点，实现了无人自助式充电，可以实时、准确、安全的通信，实时监控相关参数，从而实现充电站的智能化。

1 系统设计

电动自行车充电系统模块图如图1所示。该系统主要包括数据采集与控制和数据通信两大模块。这两大功能模块主要通过投币器、单片机、PLC和触摸屏、继电器等硬件电路完成。在整个设计中单片机与投币收费模块相互通信，完成自助充电站的投币收费功能，单片机检测投币器的投币信号，投币成功后给PLC一个反馈信号，PLC收到单片机发出的收币信号后累计投币款数和确定充电时间，同时它与触摸屏相互通信，控制充放电管理电路中开关管的开通与关断，触摸屏起到了人机交互的界面，通过触摸屏可以选择通电的端口和修改相应的参数。

图1 电动自行车充电系统模块图

2 系统的硬件设计

2.1 投币信号采样电路

由于投币信号是时间很短的脉冲信号，而PLC的数字I/O端口无法快速有效地捕获到产生的脉冲信号，所以设计一个有效的采样电路是系统准确性的关键。本文通过STC89C52单片机的P3.0端口来捕获投币装置产生的脉冲信号。

2.2 继电器电路的设计

当投币器投币成功后，单片机将信号捕获成功后产生中断，从而控制继电器的通断，实现信号的响应。当继电器响应时，指示灯LED0亮。继电器的控制电路图如图2所示。

图2 继电器的控制电路

2.3 PLC的选择

本文在考虑充电系统需求和性价比的基础上，选用了西门子公司的S7-200系列PLC.根据系统输入输出点数的多少，PLC主机选用CPU224XP.它具有14输入/10输出共24个数字量I/O点。

2.4 PLC输入输出接线图

PLC主机及扩展模块输入输出点分配及外部接线图如图3所示。

图3 PLC输入输出点分配及外部接线图

数字量输入端I0.0-I1.1是1-10号端充电按钮，Q0.0-Q1.0是对应的1-10号端充电端口。投币信号确定后，通过单片机产生中断来控制继电器的切换电路，从而可以通过PLC的数字量输入端I1.2识别出有效的信号，而达到信息的处理控制。系统根据所接收的投币信号的次数来决定充电时间的长短，每接收到一个投币信号，则延长一定的充电时间。用户可以通过触摸屏或充电按钮选择对应的充电端口，从而完成自助充电的过程。

2.5 触摸屏的选择

系统采用上海鸿昶电子科技有限公司的SUKON系列工业级触摸屏，型号为：HC-SuK07L.该触摸屏拥有7.0英寸TFT真彩液晶显示屏，分辨率为800 ×480.配有多功能串口，支持232/422/485通讯，串口都支持各种PLC协议和标准的MODBUS协议，可以方便的连接各种PLC和智能仪表。

2.6 PLC与触摸屏的通信

S7-200系列的PLC与上位机通信时，采用的是异步通信的方式，本设计中通过一根两端9针D型连接器线进行通信端口连接。设置好通信参数后即可实现PLC与触摸屏的通信。

3 系统的软件设计

3.1 单片机程序流程图的设计

在整个电动自行车充电系统设计中单片机与投币收费模块相互通信，完成自助充电系统的投币收费功能。单片机通过控制继电器的开、关状态把是否有投币的信息反馈给PLC.单片机程序流程图如图4所示。

图4 单片机控制程序的流程图

3.2 PLC控制程序流程的设计

PLC在充电系统中起到了控制的作用。当PLC检测到投币成功时，它确定投币款数和充电时间，同时它与触摸屏相互通信。电车自助充电PLC控制的流程图如图5所示。

图5 PLC控制程序的流程图

3.3 触摸屏画面的设计

根据充电系统的控制要求，采用Sukon触摸屏编辑软件设置了以下几个组态画面：主页面、状态显示界面、操作界面和管理员界面。用户可以通过触摸屏界面查看指示状态和充电时间等，并可以在操作界面选择充电端口。而管理员不仅可以通过触摸屏查看充电次数和总的营业额，而且可以进行清零和复位等操作。

4 系统调试

当PLC、触摸屏和投币器等模块的软硬件准备好后，接通电源上电。经过操作测试，系统完全可以正常，安全，稳定运行，符合设计的要求和指标。系统调试触摸屏运行界面如图6所示。图（a）为触摸“工程案例”后跳出的系统首页，按照提示触摸图（a）中的“下一步”跳出如图（b）的充电端口实时状态显示窗口。图（c）为投币成功或者管理员登陆成功后的操作界面，在此界面用户可以选择相应的充电端口，选择端口后界面会自动跳回首页，防止一币多充的现象。图（d）为管理员登陆成功后的界面，该界面是管理员所有的操作权限。例如管理员可以查看充电的次数、充电的收入、当前系统的状态、可以清零、复位系统等。

图6 触摸屏运行界面

5 结束语

本文采用PLC、触摸屏和单片机实现了电动自行车充电系统的设计。通过实验测试，该设计相对于传统的PLC或继电器的充电系统，更加稳定，安全，容易改造移植，为提高电动自行车充电智能化提供了一个有效的解决方案。

[1]高华，高光生.浅谈电动自行车的发展及存在的问题[J].大众科技，2006（7）：125-126.

[2]刘玥.浅谈我国电动自行车的发展[J].科技传播，2010（16）：44-47.

[3]吕品.PLC和触摸屏组合控制系统的应用[J].自动化仪表，2010，8（31）：45-47.

[4]刘文生.PLC与触摸屏的综合应用[J].辽宁师专学报（自然科学版），2009，1（11）：87-88.

[5]向晓汉.西门子S7-200PLC完全精通教程[M].北京：化学工业出版社，2012.

[6]薛迎成.PLC与触摸屏控制技术[M].北京：中国电力出版社，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

钦州学院校级科研项目（2014XJKY-23B）；广西教育厅一般项目（KY2016YB478，KY2016LX421）；广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室培育基地主任课题基金资助项目（GXLH2014YB-03）

张晓培（1984－），女，河南许昌人，硕士，讲师，研究方向为智能检测与控制。