摘要
本文详细介绍了一种基于STM32微控制器的智能充电桩计费系统的设计与实现方案。系统采用模块化设计思想，整合了IC卡认证、电量计量、实时计费、安全保护等核心功能模块，通过KEIL开发环境和C语言编程实现了一套完整的充电桩控制解决方案。文章将深入分析系统架构设计、硬件组成、软件实现及关键算法，并提供核心源代码及详细注释。
系统架构设计
充电桩计费系统采用分层架构设计，主要分为硬件控制层、业务逻辑层和人机交互层三个部分
硬件控制层以 STM32F103 系列微控制器为核心，负责：
- 继电器控制
- 电压/电流采集
- 温度监测
- 通信接口管理
业务逻辑层实现：
- 电量计量
- 计费计算
- 安全保护
人机交互层包括：
- LCD显示模块
- IC卡读写器
- 按键输入
硬件设计
主控芯片选型
系统采用STM32F103ZET6作为主控制器，该芯片具有：
- 72MHz主频的Cortex-M3内核
- 512KB Flash + 64KB RAM
- 丰富的外设接口(3×USART, 2×SPI, 2×I2C)
- 16通道12位ADC
关键硬件模块
电量计量模块：采用RN8208G单相计量芯片，精度达0.5级
IC卡模块：基于MFRC522的13.56MHz射频读写模块
显示模块：LCD1602液晶屏显示充电状态和计费信息
继电器控制模块：16A大电流继电器控制充电通断
通信模块：ESP8266 WiFi模块实现远程监控
软件设计与实现
系统主函数
int main(void)
{
/* 系统初始化 */
System_Init(); // 系统时钟和外设初始化
LCD_Init(); // 液晶显示屏初始化
IC_Card_Init(); // IC卡模块初始化
Energy_Init(); // 电量计量模块初始化
Relay_Init(); // 继电器控制初始化
WiFi_Init(); // WiFi通信模块初始化
/* 主循环 */
while(1)
{
IC_Card_Process(); // IC卡处理
Charging_Process(); // 充电过程控制
Display_Process(); // 显示更新
Safety_Check(); // 安全监测
WiFi_Process(); // 网络通信处理
}
}关键功能模块实现
1. IC卡认证模块
/**
* @brief IC卡认证处理函数
* @param None
* @retval 认证状态：0-失败，1-成功
*/
uint8_t IC_Card_Authenticate(void)
{
uint8_t status = 0;
uint8_t cardID[4];
// 检测是否有卡接近
if(PCD_Request(PICC_REQIDL, &cardID) == MI_OK)
{
// 选择卡片
if(PCD_Select(&cardID) == MI_OK)
{
// 验证卡片密钥
if(PCD_Auth(PICC_AUTHENT1A, 1, &key, &cardID) == MI_OK)
{
status = 1; // 认证成功
}
}
}
return status;
}2. 电量计量模块
系统采用RN8208G计量芯片实现精确的电量计量
/**
* @brief 读取当前电量数据
* @param None
* @retval 当前电量值(单位：kWh)
*/
float Read_Energy(void)
{
uint32_t energy_reg = 0;
float energy = 0.0;
// 读取RN8208G能量寄存器
energy_reg = RN8208_Read_Register(ENERGY_REG_H) << 16;
energy_reg |= RN8208_Read_Register(ENERGY_REG_M) << 8;
energy_reg |= RN8208_Read_Register(ENERGY_REG_L);
// 转换为kWh (根据芯片手册提供的转换公式)
energy = (float)energy_reg * VOLTAGE_LSB * CURRENT_LSB / 3600000;
return energy;
}3. 计费算法实现
系统支持多种计费模式：按电量计费、按时间计费、自动充满等
/**
* @brief 计算充电费用
* @param mode: 计费模式 1-按电量 2-按时间 3-自动充满
* @param param: 计费参数(电量或时间)
* @param rate: 费率(元/kWh或元/小时)
* @retval 计算出的费用
*/
float Calculate_Cost(uint8_t mode, float param, float rate)
{
float cost = 0.0;
static float start_energy = 0.0;
static uint32_t start_time = 0;
switch(mode)
{
case 1: // 按电量计费
cost = param * rate;
break;
case 2: // 按时间计费
cost = param * rate;
break;
case 3: // 自动充满
if(start_energy == 0.0) // 第一次调用
{
start_energy = Read_Energy();
start_time = HAL_GetTick();
}
else
{
float used_energy = Read_Energy() - start_energy;
uint32_t used_time = (HAL_GetTick() - start_time)/1000; // 转换为秒
// 采用分段计费策略
if(used_time < PEAK_START || used_time > PEAK_END)
cost = used_energy * OFF_PEAK_RATE;
else
cost = used_energy * PEAK_RATE;
}
break;
}
return cost;
}4. 安全保护模块
系统集成了多重安全保护机制，包括过压、欠压、过流、过温保护等
/**
* @brief 安全监测函数
* @param None
* @retval 安全状态：0-正常 1-异常
*/
uint8_t Safety_Check(void)
{
float voltage = Read_Voltage();
float current = Read_Current();
float temperature = Read_Temperature();
// 过压保护
if(voltage > MAX_VOLTAGE)
{
Relay_Off();
return 1;
}
// 欠压保护
if(voltage < MIN_VOLTAGE)
{
Relay_Off();
return 1;
}
// 过流保护
if(current > MAX_CURRENT)
{
Relay_Off();
return 1;
}
// 过温保护
if(temperature > MAX_TEMP)
{
Relay_Off();
return 1;
}
return 0; // 状态正常
}系统测试与性能分析
功能测试
- IC卡认证测试：成功率达到99.8%
- 电量计量测试：在0.5A-16A范围内误差<1%
- 计费准确性测试：与标准电表对比误差<0.5%
- 安全保护测试：过压、过流等保护动作时间<100ms
性能指标
- 工作电压：AC 220V ±10%
- 最大输出电流：16A
- 计量精度：0.5级
- 通信接口：WiFi/RS485
- 工作温度：-20℃~60℃
充电桩系统实物图
结论
本设计的基于STM32的充电桩计费系统实现了预期的各项功能指标，具有以下特点：
- 高精度计量：采用专业计量芯片，确保计费准确
- 多重安全保护：完善的保护机制保障充电安全
- 灵活计费方式：支持多种计费模式满足不同需求
- 良好扩展性：模块化设计便于功能扩展和升级