一种智能化电动自行车充电安全监测装置设计
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摘 要
本文针对电动车充电过程中的长时间过度充电，充电过程中突发的短路故障，使用与电池不匹配充电器充电以及突发的电池泄漏自燃的问题，经过研究设计了一种采用单片机为核心器件的监测电动自行车充电安全智能化装置。硬件方面着重阐述了装置整体硬件电路设计、充电电流及充电电压检测电路设计、无线近距离模块通信接口电路设计，软件方面阐述了监测控制端和移动报警端主程序的工作流程图。本装置通过后期的使用验证了其实际性能，满足预期的设计需求。
关键词
单片机;充电电压监测;充电电流监测;安全充电
中图分类号： TM910.6 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.055
Abstract
In this paper， aiming at the problems of overcharge for a long time in the process of electric vehicle charging， sudden short-circuit fault in the process of charging， charging with charger that does not match the battery and spontaneous combustion of sudden battery leakage， an intelligent device for monitoring charging safety of electric bicycle based on single chip microcomputer is designed. In the aspect of hardware， the whole hardware circuit design， charging current and charging voltage detection circuit design， short-range wireless module communication interface circuit design， and in the aspect of software， the main program flow chart of monitoring control terminal and mobile alarm terminal are described. The actual performance of the design has been verified by later use， which meets the expected design requirements.
Key words
SCM; Voltage monitoring; Current monitoring; Charging safety
0 引言
当前电动自行车在我国仍有相当多的保有量而且使用者逐渐偏老龄化，由于他们当中大部分人文化程度偏低在使用电动车充电时必然会有各种不规范的操作且并未引起足够的重视，如长时间过度充电，使用与电池不匹配充电器充电，对电池老化导致的突发短路亦无法察觉，这种情况下轻者损坏设备严重者导致个人触电甚至火灾后果严重，为了达到保护设备预防火灾事故的发生，在电动车充电时需要一个对充电进行实时监测与控制的装置。
实际上常规的供电线路本身也提供一定保护比如短路和过载，建筑周边也提供一定消防报警及保护措施，但是那些保护都是常规的保护，起到了一定的效果但对于电动车充电方面的保护效果并不明显，无法探测和识别上述提及的各种类型不规范操作和电池故障等等。为此我们需要一种智能化电动自行车充电安全监测装置。
1 总体设计
本装置设计用于对电动车充电电流以及电压变化和充电环境中的烟雾和温度的变化的实时监测以确保对以上所列的电动自行车非正常充電情况的实时可靠的探测，由于本装置涉及的电流及电压的传感检测技术相对成熟，整个装置分成监测控制端和移动报警端两个相对独立的部分。监测控制端用于监测充电的电压和电流以及充电环境的温升和烟气浓度的变化并且在非正常充电状态发生时能控制电控开关可靠关闭和停止充电并报警提示。移动报警端可以挂在车钥匙环上，用于接收和确认监测控制端发送报警提示。由于电动车电池以及充电器的类型不尽相同，可以使监测控制端具有一定记忆功能，存储几种类型的常用充电器正常充电的电压与电流，方便在使用时随时切换。
本装置的核心是一种具有短距离通信功能的智能化充电控制器，通过其配备的硬件传感器件能可靠监测充电电流和电压以及充电环境烟温的变化，然后在软件方面能够辅助以智能化的识别和判定算法，根据检测到的各种参数综合分析并判断非正常充电情况的是否发生。
其中装置的监测控制端内部功能模块构造如下：充电电流和电压传感检测与转换模块、充电环境烟温探测模块、无线短距离通信模块、声光报警模块、充电回路电控开关控制模块及对应的控制软件构成;硬件模块功能框图如图2所示。
充电电流监测模块需要串接在电动车充电器的输出端的充电回路中，充电电压监测模块需要并联在电动车充电器的输出端，充电电压、电流和烟温信号经单片机采样处理后用智能化识别和判定算法进行判定，如判定为充电异常情况，则立即切断充电回路停止充电并且现场实时发出声光报警信号，无线短距离通信模块立即将此异常状况发送给移动报警端，从而可以通知到携带移动报警端的人。
另外装置的移动报警端所需功能模块如下：按键处理模块、近距离无线模块、蜂鸣报警模块以及相关的控制程序模块;移动报警端功能结构框图如图3所示。 移动报警端上的按键处理模块能够捕获按键请求或者响应操作的情况并转换成特定的编码输入到核心器件单片机。经单片机软件分析处理后能实时在数码管显示上以实现人机交互，同时通过无线短距离通信模块接收监测控制端发来的报警信息参数信号进行蜂鸣报警提示，如收到接近充電完成的信号时也可人为遥控主动切断充电回路，如果移动播报端正常情况下无法和监测控制端通信或者其自身检测有故障需要排除时也会驱动蜂鸣报警电路以提醒用户注意不要离充电器太远或尽快处理。
2 装置硬件选型
2.1 装置电流传感元件器的选型
本设计选用电流传感模块是ACS712型直流电流传感器，该器件基于霍尔原理设计，其内部带有一个线性度和精度较高霍尔感应电路和一块铜金属箔片贴近霍尔元件的表面。当有充电电流流经铜金属箔片时就能形成一个小微磁场，紧贴铜箔的IC元件必然能感应到磁场并转换成一个线性的电压信号输出，再经过传感模块内置的电路进行滤波、修正、放大等处理过程最终得到一个标准的电压输出信号。这种传感模块对于各种情况下电流过流故障保护、开关电源的输出载荷检测和管理等领域的应用都十分广泛，具体接口电路如下图4所示。
2.2 装置电压传感模块的选型
本装置设计选用的是CHVS型霍尔电压传感模块， 此型传感模块具有连接接口简单且具备了隔离抗干扰的功能，具有占用空间小、输出线性度好、测量误差小的特性，长期时间连续投入使用性能稳定，在常见的电压的监测与控制设备如楼宇自控、电力等的设备中使用比较广泛，对于直流电压和脉动电压的测量具有响应速度快、高精度、抗干扰强的特点。
3 硬件电路实现
从整体硬件设计上看该装置主要包含两个部分，即监测控制端和移动报警端，系统原理图如图5所示。
4 软件的程序实现
根据该装置的硬件构成特点来看，可知装置程序流程图主要包括监测控制端的程序流程图和移动报警端的程序功能流程图这两个部分，如图6和图7所示。
监测控制端主程序可以控制实现如下的主要功能，当检测到突发的充电异常情况发生时，表示充电回路或者电池出现了故障，经单片机运行智能化软件分析确定后会马上控制打开电控开关停止充电，并通过无线短距离通信模块呼叫移动报警端，如果移动报警端收到呼叫信号则通过蜂鸣声进行相应的提示，如果没有呼叫成功则发出现场声光报警警示行人远离同时继续呼叫。
遥控报警端主程序可以控制实现如下的主要功能，当接收到监测控制端通过无线发送的当前的监测状况信息编码后，则根据接收到的具体参数进行对应的蜂鸣提示，如果没有被呼叫则判断当前是否需要手动关闭充电回路，如果需要关闭则向监测控制端发送关闭命令从而可以实现充电回路的遥控关闭，如果不需要关闭充电则继续等待接收监测控制端发送的信息编码。
该装置在实际长时间处于工作状态的使用中可能会有各种不稳定因素或者受到各种情况的干扰，所以在软件和硬件设计方面也要考虑进行各种抗干扰处理，还要兼顾到无线短距离通信和电控开关驱动动作的可靠性问题。
5 结语
本文论述的一种智能化电动自行车充电安全监测装置，其中监测控制端外接充电电压和充电电流传感模块，移动报警端内置蜂鸣播报模块，该装置的最大特点在于能够实时监测电动自行车充电过程中的各种故障从而实现能够最大限度实现安全充电的目的，该装置安装方便、智能化高、具有相对较大的市场需求和应用前景。
参考文献
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