基于RFID的充电计费系统（充电计费部分）
基于RFID的充电计费系统（充电计费部分）[20191213110223]
摘 要
随着城市提倡绿色出行的呼声越来越高，现代人越来越喜欢用电动自行车作为代步工具，同时现代化智能手机的出现和国家大力支持电动汽车基础建设的举措，使得国家电网在各地开始建设电动汽车的充电站和独立充电桩，而在使用充电桩过程中不可避免涉及到充电以及支付便利性的问题。社会上现有一种针对电动车的快速充电装置，虽然便捷，但是对用户来说却是不公平的，用户无法得知自己充电电量，一定程度上也欺瞒了用户。
针对上述现象，文章介绍的这一充电计费系统便能让用户随时知道自己充电的电量，再用单片机程序进行计费并告知用户，方便快捷，可作为街边充电器随时为手机或者电瓶车充电。同时描述了该系统的与现有支付方式的对比优势，系统的网络拓扑架构，软件组成结构，使用到的关键技术，系统架构优势等，并对系统未来的应用拓展进行了阐述。
系统包括硬件和软件两大部分，硬件除单片机之外包括继电器模块、降压互感模块、显示模块、计时模块等，具有电压电流功率的检测功能，并将相关信息以数字的形式显示出来，再根据时间算出电量，显示并反馈给电脑。文章将对基于单片机的各个模块的基本功能原理及设计作出详细的分析，并给出硬件电路原理图及软件程序。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】单片机互感功率检测
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 设计背景 1
1.2 设计意义 1
1.3 国内外发展的状况和趋势 1
1.3.1 投币式的充电站 2
1.3.2 IC智能卡式充电站 2
1.4 本课题的主要工作 3
第2章 充电计费系统整体设计 5
2.1 充电计费系统硬件方案设计 5
2.2 充电计费系统算法设计 6
2.2.1 直流采样算法 6
2.2.2 交流采样算法 6
2.2.3 采样方式的选择 8
2.2.4 交流采样的算法设计 9
2.3 系统网络组建设计 10
2.3.1 网络组网技术分析 10
2.3.2 zigbee模块功能特性 11
2.4 MODBUS通信协议 12
2.4.1 Modbus 协议简介 12
2.4.2 Modbus的特点 12
2.4.3 标准的Modbus协议解析 13
2.4.4 Modbus协议的具体对应实现 14
2.5 充电计费系统的方案采用 14
2.6 本章小结 15
第3章 充电计费系统硬件设计 16
3.1 控制模块 16
3.1.1 AT89C51功能特性 16
3.1.2 振荡器 16
3.1.3 复位电路 17
3.1.4 电源 18
3.2 电压电流信号采集模块 19
3.2.1 电压互感器、电流互感器参数 19
3.2.2 LM324主要性能特点 20
3.2.3 电压信号采集模块工作原理 21
3.2.4 电流互感模块工作原理 22
3.3 A/D转换采样模块 22
3.3.1 ADC0809模数转换芯片 22
3.3.2 ADC0809模数转换器电路的设计 25
3.4 显示模块 26
3.4.1 诺基亚5110引脚说明 26
3.4.2 液晶显示屏显示字符的原理 27
3.4.3 诺基亚5110液晶显示屏在系统中的连线图 27
3.5 继电器模块 28
3.5.1 继电器实物图与电气图 28
3.5.2继电器的工作原理和特性 28
3.6 串口模块 29
3.6.1 RS232的电气特性 29
3.6.2 串口通信的传输格式 30
3.6.3 串口通信的接收过程 30
3.7 本章小结 31
第4章 充电计费系统的软件设计 32
4.1 软件流程图 32
4.2 采样软件的设计 32
4.3 部分程序 33
4.3.1 AD采样程序 33
4.3.2 诺基亚5110初始化程序 33
4.3.3 诺基亚5110显示英文程序 34
4.3.4 诺基亚5110显示汉字程序 34
4.4 本章小结 35
第5章 系统调试 36
5.1 调试过程 36
5.2 调试结果 36
结 论 37
参考文献 38
致 谢 39
附 录 40
整体原理图和PCB图： 40
第1章 绪论
1.1 设计背景
随着城市提倡绿色出行的呼吁越来越高，现代人越来越喜欢用电动自行车作为代步工具，同时现代化智能手机的出现和国家大力支持电动汽车基础建设的举措，使得国家电网在各地开始建设电动汽车的充电站和独立充电桩，而在使用充电桩过程中不可避免涉及到充电以及支付便利性的问题。社会上现有一种针对电动车的快速充电装置，虽然便捷，但是对用户来说却是不公平的，用户无法得知自己充电电量，一定程度上也欺瞒了用户。现如今充电网络正在如火如荼地建设中，国家电网则利用其电力网络，使之成为在电动车充电市场的优势。但是在今后的充电站建设中，不可避免会碰到一个问题，便是如何解决支付的问题。加电是个相对较长的过程，电网的波峰波谷以及不同的时段，都决定了电费的计费过程更为复杂。
近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，也极大地推动了测量技术的快速发展，但是由于电能测量较电压、电流的测量更为复杂和困难，测量的精度较低，且操作也不方便。电能测量包含了功率测量。实现功率测量有专门的功率表，若被测电路为交流电路，考虑到电流电压的相位差，传统的功率表测量精度都不会很高，而且操作也比较复杂。随着电力测量技术的发展，为了提高测量精度以及简化测量操作难度，交直流同步测量装置，即不论被测电路是阻性、感性或是容性，都能对其进全面、精确、方便测量的装置便应运而生，才能适应时代发展的需求。
1.2 设计意义
1) 用户持卡可在管理单位下属的任意充电设备充电，可操作性强。
2) 通过集中的供电管理，有效节约能源。
3) 收费方式合理，对使用频率高低用户而言，减少管理中可能存在的不同意见。
1.3 国内外发展的状况和趋势
目前市面上已经在用的充电设备，常见为手机的充电站、电动车的充电站、及最近建设的少量电动汽车的充电站。现有的电费支付手段常见有以下几种：
1.3.1 投币式的充电站
街头常见的电动自行车充电,是以分钟为计费单位,投入一块硬币便可以充电8分钟左右,优点为成本低廉,计费简单,但也存在一些缺点，例如可靠性较低，无法保证充电有稳定的电流，无法实现电动汽车的大容量快速充电，同时也存在收费的不合理现象。
1.3.2 IC智能卡式充电站
图l.1 IC卡充电站工作原理框图
其工作原理是：交流电压和交流电流分别经分压器和分流器转换为小信号送到电能计量专用集成电路，电能计量专用集成电路将其转换为频率正比于用电功率的能量脉冲送到MCU微处理器，微处理器对能量脉冲进行处理实现电能计量。通过IC卡接口读人预缴费电量，当电能计量值大于预缴费电量值时，微处理器控制断电机构切断输出线路，实施对用户的用电控制。
IC卡充电站具有良好的可替换性。因此，在原有建筑电能计量系统的改造方面，IC卡电表由于不必改动原有配电线路而得到广泛应用。但在IC卡电表使用中表现出其不足之处 ：
1)用电管理方式不符合市场经济法则和国际惯例。先付款后用电方式是中国电力垄断造成的不正当竞争行为。
2)检测分散不便集中管理。若集中管理，一是造价高，二是占用空间大。
3)管理方式落后。由于不能实现远程集中管理和控制，难于实现小区电力智能化管理。IC卡电表采用预售电的管理方式，一经售电后管理部门无法知晓用户的电能使用情况，即IC卡电表无法为管理部门提供用户电能使用分析的基本数据，容易造成管理的盲目性。例如在需要进行小区电量平衡分析时用的基本数据，不得不按传统方式挨家挨户地抄表。管理部门的工作量很大。
4)对电能的控制只能现场进行，不能实现远程化。
5)若发生电表损坏，通常仍能正常供电，但不会计量，在这种情况下，管理部门无法知晓，将造成电费流失。
6)现有的计量方式无法给用户一个清晰的报表。
7)收费不合理。投币式的升级版,使用预先储存有一定金额的IC卡进行充电支付,可以购买指定时间的电量。是目前市面上常见的支付方式,但是这种支付方式也存在一定的问题,费用是预先扣除,一旦出现车主由于各种情况,需要提前离开,费用将无法退回。
1.4 本课题的主要工作
基于RFID的充电计费系统总共分为三个部分：充电计费部分、上位机部分、无线射频部分。基于RFID的充电计费系统采用的是按时电量计费的制度，只要刷第一次卡，上位机会给充电计费部分一个信号，开始计时工作，最后给出电量，计算出电费在卡上扣除相应金额。这个系统的优点在于电压电流稳定，操作简单，按电量计费扣费，可靠性高。在上述的系统中，费用结算是由后台的帐务系统根据当前的电量实时计算的，因此可以根据不同的定价给出精确的电费结算单。而用户在充电过程中也可以随时结束充电，这时候的费用为实际充电时间产生的费用。结算单也是根据实际时间来结算。
而课题讲述的充电计费部分将要完成以下功能：
1) 交流电压测量范围：0V-250V（有效值），精度0.5V；
2) 交流电流测量范围：0A-10A（有效值），精度0.1A；
3) 功率测试，并以数字形式显示电量、电费；
4) 根据主控芯片开断的交流插座，电压电流测量量程自动切换；
5) 具有至少一种数据远传功能，实现与计算机的通信。
第2章 充电计费系统整体设计
2.1 充电计费系统硬件方案设计
为实现充电计费系统，有以下几种方案：
1)用传统的万用表、功率计分别对被测电路进行各参数的测量。这种方式操作繁琐，不能达到同步测量的要求，而且若被测电路为交流电路时，其功率测出的结果精度不高，不适合在现场进行快速有效的测量。
2)采用多功能电力仪表计量芯片，如SA9904B，ATT7026A及CS5463。
南非微电子系统有限公司(SAMES) SA9904B设计为测量有功与无功电能，RMS电源电压与频率的三相双向电能/功率测量集成电路。
ATT7026A是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。其能够测量各相以及和相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。[18]
CS5463是一个包含两个模-数转换器(ADC)、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片。它可以精确测量瞬时电压，电流和计算Irms、Vrms、瞬时功率、有功功率、无功功率。
以上芯片均是高精度的电能计量芯片。不过它们都是面向特定交流系统(三相电路或四相电路)而设计的，本次设计是单相交流电压同步测量，测量电压范围0-250V，选用这些芯片成本较高，资源浪费。
3)基于单片机设计测量装置进行交流电流电压的同步测量
设计采样电路分别对电流、电压进行采样，经A/D转换器，将模拟量变为对应的数字量，再送往单片机进行处理，通过软件控制得出电流电压值；同时将采样后的信号通过过零比较器转换成方波，再送往单片机，通过定时器得到反映其相位差的时间，计算出相位差。这样由单片机处理得出被测电路的电流、电压、功率因数、有功功率和无功功率，然后通过LCD显示出来。方案三如图2.1。
图 2.1 方案三原理框图
考虑到设计要求中是对交流电的参数测量，选用专用电能计量芯片不太适合所以不采用方案二；考虑到测量精度与操作简便的要求，方案一不满足。综合上述，本设计采用方案三。
2.2 充电计费系统算法设计
为实现系统的充电计费功能，有以下两种算法：
2.2.1 直流采样算法
直流采样是将TA/TV输出的交流模拟量(u, i等)经过起隔离和降低幅值作用的中间TA/TV后，先进行整流和滤波转换成相应的模拟直流电压信号，然后再由模拟/数字转换器(A/D)转换成相应的数字量。
直流采样的特点：
(1)直流采样对A/D转换器的转换速率要求不高。
(2)直流采样程序简单，采样后只需乘以相应的标度系数便可得到电压电流的有效值或功率值。
摘 要
随着城市提倡绿色出行的呼声越来越高，现代人越来越喜欢用电动自行车作为代步工具，同时现代化智能手机的出现和国家大力支持电动汽车基础建设的举措，使得国家电网在各地开始建设电动汽车的充电站和独立充电桩，而在使用充电桩过程中不可避免涉及到充电以及支付便利性的问题。社会上现有一种针对电动车的快速充电装置，虽然便捷，但是对用户来说却是不公平的，用户无法得知自己充电电量，一定程度上也欺瞒了用户。
针对上述现象，文章介绍的这一充电计费系统便能让用户随时知道自己充电的电量，再用单片机程序进行计费并告知用户，方便快捷，可作为街边充电器随时为手机或者电瓶车充电。同时描述了该系统的与现有支付方式的对比优势，系统的网络拓扑架构，软件组成结构，使用到的关键技术，系统架构优势等，并对系统未来的应用拓展进行了阐述。
系统包括硬件和软件两大部分，硬件除单片机之外包括继电器模块、降压互感模块、显示模块、计时模块等，具有电压电流功率的检测功能，并将相关信息以数字的形式显示出来，再根据时间算出电量，显示并反馈给电脑。文章将对基于单片机的各个模块的基本功能原理及设计作出详细的分析，并给出硬件电路原理图及软件程序。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】单片机互感功率检测
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 设计背景 1
1.2 设计意义 1
1.3 国内外发展的状况和趋势 1
1.3.1 投币式的充电站 2
1.3.2 IC智能卡式充电站 2
1.4 本课题的主要工作 3
第2章 充电计费系统整体设计 5
2.1 充电计费系统硬件方案设计 5
2.2 充电计费系统算法设计 6
2.2.1 直流采样算法 6
2.2.2 交流采样算法 6
2.2.3 采样方式的选择 8
2.2.4 交流采样的算法设计 9
2.3 系统网络组建设计 10
2.3.1 网络组网技术分析 10
2.3.2 zigbee模块功能特性 11
2.4 MODBUS通信协议 12
2.4.1 Modbus 协议简介 12
2.4.2 Modbus的特点 12
2.4.3 标准的Modbus协议解析 13
2.4.4 Modbus协议的具体对应实现 14
2.5 充电计费系统的方案采用 14
2.6 本章小结 15
第3章 充电计费系统硬件设计 16
3.1 控制模块 16
3.1.1 AT89C51功能特性 16
3.1.2 振荡器 16
3.1.3 复位电路 17
3.1.4 电源 18
3.2 电压电流信号采集模块 19
3.2.1 电压互感器、电流互感器参数 19
3.2.2 LM324主要性能特点 20
3.2.3 电压信号采集模块工作原理 21
3.2.4 电流互感模块工作原理 22
3.3 A/D转换采样模块 22
3.3.1 ADC0809模数转换芯片 22
3.3.2 ADC0809模数转换器电路的设计 25
3.4 显示模块 26
3.4.1 诺基亚5110引脚说明 26
3.4.2 液晶显示屏显示字符的原理 27
3.4.3 诺基亚5110液晶显示屏在系统中的连线图 27
3.5 继电器模块 28
3.5.1 继电器实物图与电气图 28
3.5.2继电器的工作原理和特性 28
3.6 串口模块 29
3.6.1 RS232的电气特性 29
3.6.2 串口通信的传输格式 30
3.6.3 串口通信的接收过程 30
3.7 本章小结 31
第4章 充电计费系统的软件设计 32
4.1 软件流程图 32
4.2 采样软件的设计 32
4.3 部分程序 33
4.3.1 AD采样程序 33
4.3.2 诺基亚5110初始化程序 33
4.3.3 诺基亚5110显示英文程序 34
4.3.4 诺基亚5110显示汉字程序 34
4.4 本章小结 35
第5章 系统调试 36
5.1 调试过程 36
5.2 调试结果 36
结 论 37
参考文献 38
致 谢 39
附 录 40
整体原理图和PCB图： 40
第1章 绪论
1.1 设计背景
随着城市提倡绿色出行的呼吁越来越高，现代人越来越喜欢用电动自行车作为代步工具，同时现代化智能手机的出现和国家大力支持电动汽车基础建设的举措，使得国家电网在各地开始建设电动汽车的充电站和独立充电桩，而在使用充电桩过程中不可避免涉及到充电以及支付便利性的问题。社会上现有一种针对电动车的快速充电装置，虽然便捷，但是对用户来说却是不公平的，用户无法得知自己充电电量，一定程度上也欺瞒了用户。现如今充电网络正在如火如荼地建设中，国家电网则利用其电力网络，使之成为在电动车充电市场的优势。但是在今后的充电站建设中，不可避免会碰到一个问题，便是如何解决支付的问题。加电是个相对较长的过程，电网的波峰波谷以及不同的时段，都决定了电费的计费过程更为复杂。
近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，也极大地推动了测量技术的快速发展，但是由于电能测量较电压、电流的测量更为复杂和困难，测量的精度较低，且操作也不方便。电能测量包含了功率测量。实现功率测量有专门的功率表，若被测电路为交流电路，考虑到电流电压的相位差，传统的功率表测量精度都不会很高，而且操作也比较复杂。随着电力测量技术的发展，为了提高测量精度以及简化测量操作难度，交直流同步测量装置，即不论被测电路是阻性、感性或是容性，都能对其进全面、精确、方便测量的装置便应运而生，才能适应时代发展的需求。
1.2 设计意义
1) 用户持卡可在管理单位下属的任意充电设备充电，可操作性强。
2) 通过集中的供电管理，有效节约能源。
3) 收费方式合理，对使用频率高低用户而言，减少管理中可能存在的不同意见。
1.3 国内外发展的状况和趋势
目前市面上已经在用的充电设备，常见为手机的充电站、电动车的充电站、及最近建设的少量电动汽车的充电站。现有的电费支付手段常见有以下几种：
1.3.1 投币式的充电站
街头常见的电动自行车充电,是以分钟为计费单位,投入一块硬币便可以充电8分钟左右,优点为成本低廉,计费简单,但也存在一些缺点，例如可靠性较低，无法保证充电有稳定的电流，无法实现电动汽车的大容量快速充电，同时也存在收费的不合理现象。
1.3.2 IC智能卡式充电站
图l.1 IC卡充电站工作原理框图
其工作原理是：交流电压和交流电流分别经分压器和分流器转换为小信号送到电能计量专用集成电路，电能计量专用集成电路将其转换为频率正比于用电功率的能量脉冲送到MCU微处理器，微处理器对能量脉冲进行处理实现电能计量。通过IC卡接口读人预缴费电量，当电能计量值大于预缴费电量值时，微处理器控制断电机构切断输出线路，实施对用户的用电控制。
IC卡充电站具有良好的可替换性。因此，在原有建筑电能计量系统的改造方面，IC卡电表由于不必改动原有配电线路而得到广泛应用。但在IC卡电表使用中表现出其不足之处 ：
1)用电管理方式不符合市场经济法则和国际惯例。先付款后用电方式是中国电力垄断造成的不正当竞争行为。
2)检测分散不便集中管理。若集中管理，一是造价高，二是占用空间大。
3)管理方式落后。由于不能实现远程集中管理和控制，难于实现小区电力智能化管理。IC卡电表采用预售电的管理方式，一经售电后管理部门无法知晓用户的电能使用情况，即IC卡电表无法为管理部门提供用户电能使用分析的基本数据，容易造成管理的盲目性。例如在需要进行小区电量平衡分析时用的基本数据，不得不按传统方式挨家挨户地抄表。管理部门的工作量很大。
4)对电能的控制只能现场进行，不能实现远程化。
5)若发生电表损坏，通常仍能正常供电，但不会计量，在这种情况下，管理部门无法知晓，将造成电费流失。
6)现有的计量方式无法给用户一个清晰的报表。
7)收费不合理。投币式的升级版,使用预先储存有一定金额的IC卡进行充电支付,可以购买指定时间的电量。是目前市面上常见的支付方式,但是这种支付方式也存在一定的问题,费用是预先扣除,一旦出现车主由于各种情况,需要提前离开,费用将无法退回。
1.4 本课题的主要工作
基于RFID的充电计费系统总共分为三个部分：充电计费部分、上位机部分、无线射频部分。基于RFID的充电计费系统采用的是按时电量计费的制度，只要刷第一次卡，上位机会给充电计费部分一个信号，开始计时工作，最后给出电量，计算出电费在卡上扣除相应金额。这个系统的优点在于电压电流稳定，操作简单，按电量计费扣费，可靠性高。在上述的系统中，费用结算是由后台的帐务系统根据当前的电量实时计算的，因此可以根据不同的定价给出精确的电费结算单。而用户在充电过程中也可以随时结束充电，这时候的费用为实际充电时间产生的费用。结算单也是根据实际时间来结算。
而课题讲述的充电计费部分将要完成以下功能：
1) 交流电压测量范围：0V-250V（有效值），精度0.5V；
2) 交流电流测量范围：0A-10A（有效值），精度0.1A；
3) 功率测试，并以数字形式显示电量、电费；
4) 根据主控芯片开断的交流插座，电压电流测量量程自动切换；
5) 具有至少一种数据远传功能，实现与计算机的通信。
第2章 充电计费系统整体设计
2.1 充电计费系统硬件方案设计
为实现充电计费系统，有以下几种方案：
1)用传统的万用表、功率计分别对被测电路进行各参数的测量。这种方式操作繁琐，不能达到同步测量的要求，而且若被测电路为交流电路时，其功率测出的结果精度不高，不适合在现场进行快速有效的测量。
2)采用多功能电力仪表计量芯片，如SA9904B，ATT7026A及CS5463。
南非微电子系统有限公司(SAMES) SA9904B设计为测量有功与无功电能，RMS电源电压与频率的三相双向电能/功率测量集成电路。
ATT7026A是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。其能够测量各相以及和相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。[18]
CS5463是一个包含两个模-数转换器(ADC)、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片。它可以精确测量瞬时电压，电流和计算Irms、Vrms、瞬时功率、有功功率、无功功率。
以上芯片均是高精度的电能计量芯片。不过它们都是面向特定交流系统(三相电路或四相电路)而设计的，本次设计是单相交流电压同步测量，测量电压范围0-250V，选用这些芯片成本较高，资源浪费。
3)基于单片机设计测量装置进行交流电流电压的同步测量
设计采样电路分别对电流、电压进行采样，经A/D转换器，将模拟量变为对应的数字量，再送往单片机进行处理，通过软件控制得出电流电压值；同时将采样后的信号通过过零比较器转换成方波，再送往单片机，通过定时器得到反映其相位差的时间，计算出相位差。这样由单片机处理得出被测电路的电流、电压、功率因数、有功功率和无功功率，然后通过LCD显示出来。方案三如图2.1。
图 2.1 方案三原理框图
考虑到设计要求中是对交流电的参数测量，选用专用电能计量芯片不太适合所以不采用方案二；考虑到测量精度与操作简便的要求，方案一不满足。综合上述，本设计采用方案三。
2.2 充电计费系统算法设计
为实现系统的充电计费功能，有以下两种算法：
2.2.1 直流采样算法
直流采样是将TA/TV输出的交流模拟量(u, i等)经过起隔离和降低幅值作用的中间TA/TV后，先进行整流和滤波转换成相应的模拟直流电压信号，然后再由模拟/数字转换器(A/D)转换成相应的数字量。
直流采样的特点：
(1)直流采样对A/D转换器的转换速率要求不高。
(2)直流采样程序简单，采样后只需乘以相应的标度系数便可得到电压电流的有效值或功率值。
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