电动自行车充电桩电路设计

课程名称：电子技术基础课程设计

实验题目：电动自行车充电桩电路设计

课程简要信息

《电子技术基础课程设计》（40学时），作为本科大三电子工程专业的专业基础实践课，是建构电子工程专业知识综合运用用能力和创新能力的必修课。该课程以实践教学为主，注意和前期课程的衔接，学生在先修课程“电路分析基础”、“现代电子线路”、“数字技术基础”理论及实验课程基础上进行电子技术设计综合与提高。通过开设创新性自主性实践项目，加强理理论与实践相结合，达到基础与专业能力教学一体化，使学员掌握电子电路系统的设计、组装和调试方法，陪养学员对电子信息类基础课程知识的综合运用能力以及工程实能力，同时培养学员的良好工作作风、探索精神、创新意识和国队意识。本课程开设的实验项目要尽量涉及电子技术基课程的重点知识，同时注重知识的综合运用。

实验内容与任务（限500字）

设计并制作电动自行车充电桩系统，实现4路电动车充电控制功能。

⑴ 能够正确实现电能计量，电压测量精度为0.5%，电流（0.05A~2.5A）测量精度为1%，功率测量精度为2%；

⑵ 实时显示当前正在充电端口的充电功率、当前充电电流、当前充电电压等，电压显示分辨率0.1V，电流显示分辨率为0.001A，功率显示分辨率为0.1W，设计每路最大设计充电功率为500W，当电流超过2.5A时关闭输出；

⑶ 为保证各电能测量单元与控制单元互不干扰，各单元从交流220V独立供电，各测量单元与控制单元采用RS485总线通信，用光耦隔离；

⑷ 能够通过以太网/GPRS网络将数据上传至计算机，供计算机实时计费并实时控制4路充电。

实验过程及要求（限300字）

⑴ 学习查阅科技资料、阅读中英文电子器件手册，学习了解根据不同精度要求测量电流的方法；

⑵ 了解电量、非电量检测、信号变换处理技术，掌握电压、电流、电阻等参量测量方法和功能电路，尽可能查找电流、电压测量的不同解决方案，查找功率计量芯片各自不同点，根据所要求设计精度选择合适的电流测量方案；

⑶ 选择电流、电压测量方案，确定合适的信号调理电路，设计信号变换电路，并能够利用MULTISIM进行电路仿真，验证电流测量方案的正确性；

⑷ 选择合适的微控制器，根据微控制器的特性参数和实验要求，确定选型的合理性；

⑸ 构思电流、电压、功率显示方式，设计电路结构，指定各单元电路的技术参数指标；

⑹ 构建一个简易的校准系统，以白炽灯和单相功率计为基准，测定功率测量单元的测量误差，并能够根据当前测量值进行校准，校准后误差不超过5%；

⑺ 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景（限150字）

电动自行车充电的安全性是当前社会面临的一个重要的安全问题，本课题是基于生活实践的综合运用电工电子技术、数字电路、单片机技术、计算机技术等解决现实生活和工程实际问题的一个典型案例，也是现代居民生活用电安全亟待解决的一个问题。本课题需要运用电流、电压、功率等电参量检测技术、信号变换处理、微控制器技术、参数测量设定、功率测量控制等相关知识与技术方法，并涉及到现场总线设计、工业抗干扰问题、防雷技术等。

教学目标与目的（限100字）

通过基于生活实践的工程课题，引导学生了解运用现代电子测量技术、计算机科学技术来解决现实生活问题；根据课题需求和实现方法的多样性选择科学合理的技术方案；同时通过此课题让学生学会设计电路、元器件选型，电子电路的安装与调试技能、常用仪器设备的正确使用等，自行构建测试与校准环境对测量结果进行评价。

教学设计与引导

本实验的过程基于生活实践，通过相关工程实践项目浓缩而来，根据设计需求需要经历需求分析、设计方案选择论证、系统模块化设计、电路设计与测试调试、设计总结等过程。

因此在具体实践教学过程中，应在注意从以下几个方面加强对学生的指导和引导：

⑴ 学习电流、电压、功率测量方法，引导学员能够根据不同的电参量的测量要求选择不同的电流测量方案，并能借助于现有市场可行的设计解决方案解决此问题，对比各个方案的设计可行性。

⑵ 电流测量的方法是将变化的电流转换成变化的电压，需要根据不同的测量精度选择设计相应的信号调理电路，根据电流大小信号调理电路即能放大电压也要根据需要能够对过大电流信号进行相应的衰减。

⑶ 由于待测量电压是市电电压，其波动幅度并不大，对其测量精度要求很容易满足；功率测量也即转化为变化电流信号的测量，电流信号变化范围又比较大，从0.05A变化到2.5A，重点是对小电流信号的测量；在此可简要介绍电流测量的方法，给学生以适当的引导。

⑷ 电流测量中采样电阻有康铜丝、精密采样电阻等，要注意采样电阻能够承受的最大功率选择，选型时要留有足够余量；

⑸ 为降低设计难度，建议学生在电流、功率测量时在满足需求选用合适的电量测量方案，推荐选用测量芯片来降低电流测量精度设计电路的难度；

⑹ 在电路设计调试完成后，需要用相应仪器测定当前测量数据误差，引导学员考虑电路设计过程中误差测量与测量校准方法的实现思路；根据现有实验条件，设计校准测试方法，并考虑校准工作的可实现性和可操作性，搭建比较简单可行的校准环境；

⑺ 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要时刻检查学生进度及设计方法的正确规范性，对不正确的思路进行相应可行引导，鼓励学生大胆尝试；引导学生根据要求技术指标细化至各个模块技术指标。在调试过程中，建立学生发现问题和解决问题的正确思路，学会正确查找问题并解决实际问题，学会理论与实践相结合。

实验原理及方案

⑴ 系统模块设计

系统由220V直接供电，通过电能计量采集单元对每一路电参数进行采集，主要采集电量参数有当前实时电压、实时电流、瞬时功率等；由微控制器（推荐单片机型号STM32F103R8T6）采集各路测量参数，进行数据分析处理，并上报当前测量的功率等参数，显示当前测量的4路工作参数，接收上位机（计算机或服务器）的实时控制指令，控制各路继电器的开关动作。

⑵ 电能计量单元实现方案

电量测量模块可分为四个部分：电能测量、数据处理、数据上传和供电电源等四个部分。电能测量负责电能数据测量采集，将电能转换为数字信号供微处理器读取；数据处理单元负责数据的加工与预处理，将测量到的瞬时功率数据转换成功率，将测量到的电压、电流参量转换为实际的数据；数据上传单元通过RS485电路将上位机指令传送到数据处理单元，由数据处理单元上报数据；供电电源拟直接从市电采样电路取电，形成本模块电路电源，但为保证本电路单元不影响上位机电磁兼容性，在数据通信上要采用光电隔离。

⑶ 关键元器件选型

首先，电流测量方案可以采用CS5460实现，也可采用HLW8012单相电能计量芯片，也可采用采样电阻与AD模块设计。具体采用何种方案，应根据实际设计需求而定，选择CS5460和HLW8012作为测量芯片可简化设计步骤，降低设计难度，测量电量由专用芯片来做，可保证测量精度与测量的准确性。选择采集电阻与AD模块的设计方案需考虑信号调理电路，需设计程控放大器，根据当前的电流大小实时调节放大倍数。

其次，根据不同功能要求合理选型微控制器。采用电能计量芯片作为电能采集方案，电能计量单元模块功能单一，仅测量单路工作电压、电流、功率等，微处理器选型要考虑价格、实用和适用等因数，可选价格低廉但满足功能即可；作为4路电能计量的主要数据采集与控制单元，微控制器选型应考虑实时性、接口类型丰富、处理速度快等因素，可选32位单片微控制器STM32F103R8T6，用于采集4路电能计量数据，接收上位机的控制指令，显示输出当前工作参数与实时数据。

其次，为了便于扩展需考虑电能计量单元与主控芯片STM32F103通信时应采用RS485总线结构，即可实现电能计量单元进行多路扩展，又降低设计成本。显示单元设计可采用当前主要的液晶显示模组如迪文科技生产的触摸屏，利用图形界面编写显示程序，降低显示驱动程序设计难度。

教学实施进程

在教学实施过程中，学生为实践主体，要求单人单组，严格过程考核，教师适时加以指导引导。

⑴ 任务布置与安排

教师讲解课程概述及课程总体要求，重点阐述课程目标实施方案及课程考核实施方案；讲解电子系统设计的方法理论，使学生对电子设计有整体理解和认识；提出设计任务，并细化设计指标，人手一份设计任务书；明确各节点考核时间和考核要求。

学员课下查找相关设计资料和相关参考文献，总结同类型或相似设计方案，了解现有技术条件和技术背景，选择可行设计方案，并进行方案论证。

⑵ 系统分析设计与实践

教师检查学生查找资料情况，并对学生总结的设计方案进行点评，提出可行的两种或三种设计方案，供学生根据情况选择。教师根据设计方案推荐可行的模块电路设计方案，推荐器件选型，指导学生查阅相关芯片手册，使学生学会查阅阅读芯片手册，进行器件选型。学生自行根据所选择的设计方案，进行模块电路设计，并对关键模块电路用EDA仿真软件如MULTISIM进行电路仿真，教师在此过程中加以指导，通过研讨教学方式和学生讨论设计方法与设计理念，引导学生正确设计。学生根据设计电路原理图，对电路进行焊接调试，必要时指导学生使用PCB软件进行电路板打样制版，引导学生了解电路PCB板设计方法和设计流程。

在程序设计过程中，指导学生建立正确的嵌入式程序设计思想，培养正确的程序设计习惯和调试方法。

⑶ 实时跟进指导与引导

在整个设计实现过程中，学生是实践主体，教师适当实时跟进指导引导，指导学生正确的发现问题和解决问题，使学生树立发现问题与解决问题同等重要的设计思想。

在指导设计过程中，教师根据学生总体进度，以微课或短视频演示方式解决设计过程中学生所遇到的典型问题。

⑷ 过程考核与过程验收

严格的过程考核和节点检查是保证实验效果的关键，因此，教师要按照设计进度分4个节点（方案设计与仿真、电路功能设计焊接与调试、软件功能设计与焊接调试、系统连调）量化各个阶段考核指标，对每个考核指标进行量化评分，并检查学生对实验室工具、仪器仪表的正确使用情况，适当给予评分，对不良的操作习惯如电烙铁人走不断电等情况给予适当扣分，平时考核成绩作占总成绩30%。

⑸ 课程终结考核与成果展示验收

课程终结考核与成果展示验收是对学生劳动成果的肯定，在此过程中，由于设计已定型，要从学生对知识掌握程度、电路设计过程体会等方面考核；对设计实现的各种问题提出修改意见待修改完善后再验收，此过程考核使学生理解电子设计调试的反复性和复杂性；通过成果的性能指标测试和现场演示答辩，由多名教师组成考核验收组进行考核验收。此过程考核占总成绩50%。

⑹ 实验报告撰写与批改

实验报告成绩占总成绩的20%。实验报告要考察学生是否按照报告要求撰写，目的使学生能够学会正确编写实验总结报告，学会工程设计文件如关键技术总结报告、设计总结报告等文档撰写过程。

实验报告要求

实验总结报告的撰写使学生学会工程项目主要文档的编写方法，实验报告需要反映以下工作：

⑴ 需求分析：正确理解设计需求，明确与需求方沟通内容；

⑵ 实现方案论证：查阅相关设计资料，明确当前技术条件与技术背景选择合理可行的设计方案；

⑶ 理论推导计算：能够正确推导功率瞬时测量值与功率平均值的对应关系；

⑷ 电路设计与参数选择：根据选择设计方案确定电路各模块设计与关键元器件选型及参数选择；

⑸ 电路测试方法：明确功率、电压、电流测量方法及准确度判定方法，设计合理可行测试方案；

⑹ 实验数据记录与分析处理：根据测得电流、电压、功率数据，分析其误差是否在规定范围内；

⑺ 软件概要设计：程序设计思路及设计方法；

⑻ 实验结果总结：要有500字的心得体会。

考核要求与方法（限300字）

⑴ 实物验收：功能与性能指标的完成程度，根据完成时间顺序予以排序适当加分。

⑵ 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

⑶ 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

⑷ 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

⑸ 实验数据：测试数据和测量误差。

⑹ 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

绿色能源，电动自行车安全充电问题是当前日常生活实践中亟待解决的重要问题，因充电问题而造成人员财产损失的事件频发，此项目设计目的在于引导学生学会利用所学理论知识善于发现解决身边的日常生活问题，引导学生理论联系实践，培养学生学习兴趣，巩固加深对电子技术理论知识的学习理解，锻炼实践技能，提高工程素质与工作能力，为后续课程的学习，毕业设计，毕业后从事电子产品设计、生产和科研工作奠定坚实基础。

参赛选手信息表