基于单片机的汽车充电桩收放线系统设计

廖长荣 杨延菊 李慧 吴苓

摘要：当前现有的汽车充电桩带有很长一段的线缆，导致充电桩的故障率升高，给使用者带来安全隐患。针对这一问题，通过STM32单片机设计一款汽车充电桩收放线系统，实现充电时充电线的释放功能和充电完毕充电线的回收功能，更好地提供充电线的存放环境，提高充电线的使用寿命，减少安全事故的发生，一定程度上降低充电桩的故障率。

关键词：STM32；充电桩；收放线系统

中图分类号：U463  收稿日期：2023-05-28

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.022

1 前言

党的二十大报告指出，必须牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，站在人与自然和谐共生的高度谋划发展。加快发展方式绿色转型，是党中央立足全面建成社会主义现代化强国、实现第二个百年奋斗目标，以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴作出的重大战略部署，具有十分重要的意义，实现“碳达峰”“碳中和”是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。节能低碳出行，让市民绿色出行“不断电”[1]。因此，加快充電桩等新型基础设施建设，促进新能源汽车生产和消费。

但是现有的充电桩中有些充电枪连接了很长一段的线缆，如图1所示，大部分用户在使用完后不会将充电线整理收纳好，而是任其所处摆放。充电枪也存在随意摆放的问题，用户在使用完后没有将充电枪正确插回锁止口或者直接不放回。这些情况都需要后续人工将线缆收放整齐，将充电枪放好。没有及时收纳整理的时候，就会出现被人踩踏、车辆碾压导致充电线断裂，充电枪破损等情况。迫使充电装置的故障率升高，同时日晒夜露的使用环境会带来充电线塑料层的老化，给使用者带来安全隐患[2]。

2 充电桩收放线系统总体设计

为此，本文设计一种充电桩的收放线系统，用于解决以上难题。设计7 kW的单相交流充电桩收放线系统。

本控制系统主要的功能有：

a.实现充电时的充电线的释放功能。

b.充电完毕实现充电线的回收功能。

充电桩收放线系统整体结构设计如图2所示。

为了满足充电时释放充电线，充电完成时，回收充电线。系统通过单片机串口通信实现与充电板的数据通信，从而实现电机的动作；系统采用直流电机进行设计，通过电机正转或者反转实现充电线的释放和回收，并通过过流检测电路实现电机的保护，通过限位检测电路实现充电线的释放和回收极限位置的识别。

3 充电桩收放线系统硬件设计

3.1 STM32单片机模块

主控芯片采用的是ST公司32位高性能ARM CortexM3处理器，型号为 STM32F103RBT6作为主控芯片，通过芯片的PA1、PA2、PA3引脚与MAX485芯片进行通信，通过PB10引脚进行限位检测，PB11引脚进行过流检测，PB0、PB1引脚进行电机驱动。芯片最小系统包括电源电路、晶体振荡电路以及复位电路，其中：

a.电源电路的目的是为STM32F103RBT6单片机系统供电，将输入电源转化为单片机所需的稳定电源。

b.晶体振荡电路通过电阻电容的配合，产生单片机所需要的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的。

c.复位电路主要是将单片机程序复位到初始状态，从初始状态重新开始运行。当程序运行错误或电源不稳定时，可实行复位功能。

3.2 RS485通信模块

RS485通信模块采用MAX485芯片进行设计，MAX485具有以下功能特点：

a.具备差分输入和输出以及驱动和接收能力。

b.可允许共多达32个驱动节点连接到单个总线上。

c.具有防止瞬态电压损坏的特性。

d.支持高速通信（最高可以达到2.5 Mbps）。

e.使用方便、成本低廉等特点。

RS485的信号从MAX485的A、B端输入，通过芯片转换后由光耦进行隔离，然后从STM32单片机的串口2连接。

3.3 限位检测

限位检测通过24 V串联限位开关进行设计，当电机收线到位时，光耦U6A的二极管导通，电路的中的发光二极管D5A发光，IN端得到高电平送单片机识别。具体电路如图3所示。

3.4 电机驱动

收放线的直流电机采用TA6586进行设计，它是一款DC双向电机驱动电路，最大工作电流为5 A，极限工作电流为9 A，工作电压选用12 V、有紧急停止功能、有过热保护功能、有过流及短路保护功能。它有单片机的PB0和PB1控制输入端子，用来控制电机前进、后退及制动，驱动电路如图4所示，引脚功能如表1所示。输入真值见表2。

3.5 过流检测

过流检测采用ACS712-5模块设计，该模块最大工作电流为5 A，通过P1接口的1、2引脚检测电机的工作电流，由P2端口的2脚输出模拟电流值，硬件电路设计如图5所示。

VIOUT输出电流值送LM393比较器的同相输入端，将比较后的电流值通过单片机的I/O口识别，当电机过流时，停止I/O口的PB0和PB1输出，电机停转，硬件电路设计如图6所示。

4 充电桩收放线系统软件设计

系统采用MDK 5软件进行编程，系统的软件流程如图7所示，在程序开始后，先对各个模块包括串口、I/O口进行初始化，随后进入 while 主循环，在主循环中，首先进入等待串口接收数据，当串口接收到有效数据后，执行串口指令启动直流电机动作，实现释放充电线缆或者回收充电线缆。当直流减速电机遇到限位开关时，电机停转，充电线缆释放或者回收到位。

5 系统调试

通过硬件搭建和软件编写，实现了系统的功能。当RS485接收到充电指令后，释放充电线，充电完成后回收充电线缆，到一定的限位后，自动停止，如图8所示。

6 结语

通过STM32的单片机进行设计的充电桩收放线系统，能够解决充电线的释放和回收功能，使充电线不再接收日晒雨淋的环境，能更好地提供充电线的存放环境，提高充电线的使用寿命，减少安全事故的发生，一定程度上降低充电桩的故障率。

参考文献：

[1]侯波，傅留虎，董渊.关于充电桩的使用及前景[J].机械工程与自动化，2020（3）：225-226.

[2]颜少卿.电动汽车充电桩现场安全问题的探究[J].低碳世界，2021（8）：243-244.

作者简介：

廖长荣，男，1979年生，高级实验师，研究方向为电路系统设计。