摘  要： 针对目前电动自行车大量增加，同时充电问题困难的情况，设计了一种小区用刷卡付费电动车充电桩，可以解决小区内私拉乱接电线为电动车充电的问题。充电桩收费采用M1卡进行结算，通过时间控制继电器的通断实现电动车的充电，按照充电时间进行收费。充电剩余时间采用LED液晶显示，每台充电桩可以控制10路负荷的通断。该充电桩还能够对电动车充电负荷进行检测，当负荷超过限值时断开负载，保证电动车充电故障时能隔离故障。实践证明，充电桩能够正常付费工作，方便地解决了城市小区居民对电动车充电。

　　关键词： 电动自行车；充电桩；M1卡

0 引言

　　作为新型、节能、高效的交通工具，电动自行车日益受到市民的欢迎。同时，由于电动车电池特别是摩托式电动车电池不易拆卸，小区存在随意私拉、乱接电线给电动自行车充电的现象，给小区埋下巨大的安全隐患。市场呼唤一种方便进行充电的设备[1]。2014年6月4日，郑州市公安局、城乡规划局、城乡建设委员会、住房保障和房地产管理局、民政局联合下发了《关于在住宅小区建设电动自行车充电库（棚）的通知》，要求按照市场化运行模式，规划增建或改建电动自行车充电库（棚），同时杜绝私拉乱接电线进行[2]。电动自行车充电桩可以实现对电动自行车的充电，同时实现按照充电时间收费，实现了对电动自行车充电的商业化运营，可以满足电动自行车充电的要求。

1 电动自行车充电桩模式

　　目前市场上常见充电桩模式主要有两种，一种是提供低压直流电（如48 V），直接对电动车蓄电池充电，供电动自行车快速充电，但是这种方案只能解燃眉之急，长时间使用会大大缩短蓄电池的使用寿命[3-4]。同时由于各种电动车的蓄电池电压不同[5]，需要制作多种电压规格。此外，由于针对蓄电池的充电方法日新月异，人们不断提出如分级恒电流充电法、脉冲式充电法、定化学反应状态法、变电流间歇/定电压充电法、变电压间歇充电法、模糊控制充电法等[6]，单一的提供低压直流电的充电方法无法适应市场对延长蓄电池寿命的要求[7]。

　　另外一种是直接提供220 V交流电供电动自行车充电，电动车充满电需要耗时几个小时，适用于慢速充电场合，需要电动车自带充电器。这种充电方法可以针对每一台电动车采用合适的充电器，延长蓄电池寿命，特别适合在小区以及电动自行车充电站使用。

2 充电桩架构设计

　　本文所设计的充电桩架构设计分为付费模块、控制模块和检测模块3个模块。其中付费模块与控制模块之间采用I2C总线进行通信，控制模块与检测模块之间通过UART口进行通信，如图1所示。采用多个模块进行设计使得多个模块的软件设计分离，其中一个模块的软件更改不会影响到其他软件，大大简化了软件的设计，有利于设计出健壮可靠的软件。

3 付费模块设计

　　本充电桩采用商业运营模式。市场上常用的售电付费模式主要有投币式和刷卡式。由于投币式需要预先准备零钱，同时维护方需要定期取钱，运作起来比较麻烦，本设计购售电采用刷卡方式进行。

　　3.1 付费卡设计

　　刷卡采用M1卡进行。M1卡是一种无源被动式射频卡，属于非接触逻辑加密卡，技术成本低廉，交易流程简明，系统架构较为简单，常用于门禁以及付费系统[8-9]。M1卡的能量和数据都由天线来传输。当射频接口电路接收到13.56 MHz的调制信号后，将信号送至调制解调模块，经过整流电路和稳压电路将正弦波转化为方波后输出，以支持卡内电路的工作。M1卡分为16个扇区，每个扇区4块，共64块数据。其中第0扇区的块0用于存储厂商代码，已经固化，不可更改。其他各扇区的块0、块1、块2为数据块，用于存储数据；块3为控制块，存放密码A、存取控制字、密码B。M1卡各扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码存取控制。

　　M1卡采用一卡一密的方式进行加密，密码A和密码B配合使用。同时针对居民对电动自行车充电需要的用电量较小、金额有限[2]，对单个M1卡实现最大金额限制，使得用户破解密码的成本小于收益成本，保证M1卡的安全性。

　　3.2 读写卡模块设置

　　用户只需要在充电桩上刷卡区刷一下就可以完成一次购电。用户通过M1卡刷卡购买用电时间，充电桩根据用户购买用电时间对相应的插座供电，从而实现对电动自行车的充电。

　　读写卡芯片采用复旦微电子设计的FM1702芯片实现。FM1702是基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6 m CMOS EEPROM工艺，支持13.56 MHz 频率下的typeA非接触通信协议，支持多种加密算法，兼容Philips的MF RC530（SPI接口）读卡机芯片。芯片采用高集成度的模拟电路，只需最少量的外围线路，操作距离可达10 cm，内部带有加密单元，支持SPI接口模式，发射口采用单端输出。基于FM1702读写芯片设计的非接触式IC卡读写系统设计简单、系统稳定、易于维护，被广泛应用于校园一卡通、考勤、门禁等不同领域[10-11]。

　　FM1702的内部结构如图2所示。

4 控制模式设计

　　为了经济地实现产品，该充电桩可以实现对多路插座市电的独立通断控制。对充电回路的控制通过继电器来实现。用户可以通过按键选择相应的市电通路，实现对相应通路的购电。

　　相对于目前常用的采用保险丝限制电动车充电功率的做法[12]，本文采用了对功率进行实时检测的方法，当功率超过限值时，断开该回路，实现对功率的限制。相对于采用保险丝的做法，本文方法减少了故障次数，也省掉了更换保险丝的麻烦。

　　正确购电后，相应回路的剩余充电时间通过LED显示，用户可以看到剩余充电的分钟数。当剩余充电的时间为0时，自动断开继电器，完成充电。

5 控制器硬件设计

　　产品各模块硬件主芯片均采用ST公司的STM8S系列芯片。STM8S是基于8位框架结构的微控制器，其CPU内核有6个内部寄存器。STM8S系列芯片的核具有16 MHz的内部晶振，具有3级流水线，总线结构采用哈佛结构。芯片具有32 KB Flash存储器和2 KB内部RAM。还具有128 KB内部EEPROM，可以经受10万次擦写。工作电压为2.95 V~5.5 V。具有时钟监视功能以保证时钟安全。具有低功耗模式，也可以单独关闭外设时钟。具有一个异步UART口，支持全双工异步通信，也可支持LIN主模式通信，还可以作为IRDA SIR编码器解码器。具有硬件I2C口，最高速率可以达到400 kb/s；具有一个硬件SPI口，最高速率可以达到8 Mb/s。具有10路精度10位的ADC采样端口，可以进行模拟信号的采样，实现对通路电流采样的检测。

6 控制流程软件设计

　　软件设计代码采用C语言编写。

　　刷卡模块实现用电刷卡、收费和增加售电时间的功能。控制模块实现充电回路的通断，检测模块实现对电路是否过流的检测，检测结果发送给控制模块。由控制模块控制继电器的通断，从而实现电动车充电回路的断开和闭合。

　　用户充电过程如下：

　　（1）当用户需要充电时，用户按下第n通路按键，控制模块闭合第n通路继电器，同时向检测模块发送第n通路检测消息。

　　（2）检测模块接收到检测命令后，根据第n通路的采样值判断第n通路是否正常接通。然后发送检测结果给控制模块。

　　（3）如果接收到通路正常消息，则控制模块向刷卡模块发送进入要求充电状态消息，刷卡模块进入要求充电状态。

　　（4）刷卡模块检测到M1卡，进行扣费，如果扣费成功，则向控制模块发送增加扣费时间消息。

　　（5）控制模块接收到消息后，闭合继电器，开始充电，同时启动充电时间倒计时。

　　（6）倒计时结束，控制模块断开相应回路的继电器，充电结束。

　　6.1 刷卡模块软件设计

　　刷卡模块的程序流程如图3所示。每隔100 ms检测一次刷卡区是否有用户卡，如果有用户卡，并在用户要求充电（即某充电回路选中）状态，则扣费，对相应回路增加充电时间，同时显示用户卡内的剩余金额。如果处于空闲状态，则不扣费，仅显示用户卡内的剩余金额。

　　6.2 控制模块软件设计

　　控制模块主要实现继电器的通断电，在充电模式下，当开始充电后，控制模块开始倒计时，倒计时完成后，继电器断开，完成本次充电。流程如图4所示。

　　6.3 检测模块软件设计

　　检测模块主要完成负载的检测。通过芯片的AD采集功能，把接收到的模拟信号变换为数字信号。AD采样采用10位AD采样，采样电路集成在芯片内部。当接收到控制模块的通路检测命令时，检测回路电流是否大于检测门限值，当大于检测门限值时，判断为电路导通，发送电路导通消息给控制模块；反之，发送电路故障消息给控制模块，实现了当电路故障情况下，不会误对用户卡扣费。当检测到过载时，检测模块发送过载消息给控制模块，控制模块断开此路负载。相对于采用保险丝限制电流的负载，免除了更换保险丝的麻烦。

7 结论

　　本文实现了一种使用M1卡付费的电动车充电桩的软件设计。实际使用证明，本方案设计的充电桩可以实现多路充电回路的通断，用户可以方便地使用M1用户卡进行购电，同时可以对充电负荷功率进行控制，当用电负荷超过门限阈值时，能够自动跳开相应的继电器，并上报出错信息。本文设计的充电桩免除了更换保险丝的麻烦，适合小区以及社会上电动自行车商业充电站的需求。

参考文献

　　[1] 王佳佳，孙玉涛.蚌埠市电动自行车充电站的现状和前景的调研[J].高新技术产业发展，2012（7）：28-29.

　　[2] 郑州市公安局.关于在住宅小区建设电动自行车充电库（棚）的通告[N].2014.8.1（5）.

　　[3] 冯仁斌，魏晓斌，胡恒生，等.铅酸蓄电池的快速充电[J].电源技术，2003，27（1）：72-74.

　　[4] 辛敬，陈峥峰，楚晓华，等.铅酸蓄电池快速充电中的极化机理及对策[J].汽车实用技术，2013（7）：70-72.

　　[5] 张培君.电动自行车电池的类型、特点与合理使用[J/OL].电子报，2014.6.1.

　　[6] 李俊.蓄电池快速充电技术研究[D].成都：西南交通大学，2009.

　　[7] 柴树松.电动自行车铅酸蓄电池使用寿命的探讨[J].电动自行车，2006（3）：28-30.

　　[8] 刘宇航，叶冬.基于MSP430的非接触式IC卡门禁系统设计[J].微型机与应用，2013，32（20）：22-24.

　　[9] 周雪蕾，周建军，郑文刚，等.基于M1卡的预付费用水管理系统的设计与实现[J].中国农村水利水电，2011（3）：35-37.

　　[10] 邢海霞，索明何.基于FM1702射频识别读写器的设计与实现[J].科技广场，2007（1）：202-204.

　　[11] 黎洪生，文浩，舒怀，等.基于FM1702的非接触式读写模块设计[J].电子元器件应用，2007，9（1）：16-18.

　　[12] 李思伟，陈云生.电动自行车充电桩[P].中国：201310337267，2013-08-05.