基于STM32的蓄電池電流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃振鵬，王永杰

（桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 引言

蓄電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的儲能設(shè)備，是一種直流電源[1]。隨著生產(chǎn)技術(shù)的革新，蓄電池的品種也變得多種多樣，為了讓蓄電池壽命更長，更符合實(shí)際工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了電流檢測系統(tǒng)，通過檢測電流的大小對蓄電池是否發(fā)生故障進(jìn)行簡單判斷。本系統(tǒng)可以應(yīng)用到汽車用蓄電池故障檢測中，車主可以通過直觀的數(shù)值顯示判斷汽車故障是否是由于蓄電池發(fā)生故障而導(dǎo)致。目前常用的電流檢測方法主要有直接檢測法和間接檢測法兩類，本設(shè)計(jì)采用直接式電流檢測法，基于STM32F103C8T6的電流檢測系統(tǒng)采用STM32最小系統(tǒng)作為控制核心，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)變成為電壓信號，通過AD轉(zhuǎn)換電路對電壓信號進(jìn)行采樣處理并輸出[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

蓄電池電流檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)、電流源、OLED顯示電路和蜂鳴器報(bào)警電路等幾部分組成。其中電流源電路的組成和工作過程為：對220V 50HZ的交流電進(jìn)行降壓整流，變成所需要的直流電壓，并控制電壓在電源模塊所能接受的輸入電壓范圍；經(jīng)過降壓器降壓之后通過恒流電源模塊輸出8A-10A的直流電流，并輸出9.6V-12V的直流電壓；再經(jīng)過分流器，進(jìn)行電流/電壓的轉(zhuǎn)換（注意這里在轉(zhuǎn)換時(shí)功率很大必須考慮功率對電阻、導(dǎo)線的影響），通過電壓跟隨器輸出到分壓電路。分壓電路輸出的電壓經(jīng)過STM32采集并處理，最后在OLED液晶顯示屏顯示電流值。如果電流的取值范圍大于正常值，將驅(qū)動(dòng)繼電器關(guān)斷從而對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，小于正常值將驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。單片機(jī)選擇STM32F103 C8T6最小系統(tǒng)模塊，利用其A1接口作為AD采集輸入端，B8接口作為蜂鳴器輸出端，B6，B7接口作為OLED液晶顯示輸出端。A1采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過該單片機(jī)處理把模擬信號變成數(shù)字信號。電壓比較器是模擬信號電路中常用的處理電路，系統(tǒng)中采用的是芯片LM393，該芯片是專業(yè)級別的電壓比較器，切換快、延時(shí)小、專門用于電壓比較，有著不錯(cuò)的電壓比較能力[3]。它將反向輸入端的輸入電壓作為基準(zhǔn)電壓與正向輸入端的電壓作對比，基準(zhǔn)電壓設(shè)為3.3V，如果輸入的電壓大于基準(zhǔn)電壓則輸出高電平，如果輸入的電壓小于基準(zhǔn)電壓則輸出低電平。

圖2 系統(tǒng)電路圖

分流器電路相對簡單，只要考慮好要進(jìn)行分流之后的電壓電流再在電路回路中加裝一個(gè)合適的電阻即可，考慮到功率問題，因此電阻需要滿足最小100W的功率。電壓跟隨器選用芯片LM358，是一種共集電極電路，該電路信號從基極端輸入射極端輸出。電路選用的蜂鳴器需要高電平驅(qū)動(dòng)，該蜂鳴器需要外接3.3V-5V直流電壓供電，采用S8050三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)I/O口接到單片機(jī)對應(yīng)I/O口（B8）并接收到高電平信號時(shí)，蜂鳴器啟動(dòng)，發(fā)出蜂鳴聲。這個(gè)報(bào)警方式簡單方便，并結(jié)合OLED顯示能很好的對電池狀態(tài)做出反饋。顯示屏選擇0.96寸4腳OLED液晶顯示屏，該設(shè)備通過5V電源供電。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要有AD轉(zhuǎn)換、OLED顯示、蜂鳴器報(bào)警幾部分組成。主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)在開始上電后，首先是硬件系統(tǒng)初始化，包括AD初始化、OLED初始化和蜂鳴器初始化，接著電流傳感器采集信號并傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)把處理好的數(shù)據(jù)輸出到OLED進(jìn)行數(shù)字顯示，同時(shí)判斷電流值的大小，低于閾值顯示unnormal字樣并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，高于閾值顯示normal字樣，并顯示一個(gè)圖案：圖案里的E代表狀態(tài)不好，F(xiàn)代表狀態(tài)良好。

圖3 主程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是驗(yàn)證系統(tǒng)能否正常工作的一個(gè)重要部分。測試環(huán)境為：10A電流發(fā)生器，電壓跟隨器供電電壓15V，供電電流0.05A，最值1Ω、功率100W的電阻。電路實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電路實(shí)物圖

首先對各分電路進(jìn)行測試：①分流器是利用電阻組成的電路，由V=IR換算，測試過程中能實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)換，但是要求各器件都要有足夠大的功率。②電壓跟隨器測試，將分流器轉(zhuǎn)換的電壓通過電壓跟隨器輸出到電阻分壓。③分壓電路由電阻分壓組成，采用18kΩ+2kΩ設(shè)計(jì)分壓，實(shí)現(xiàn)將跟隨電壓降低10倍的功能。④電壓比較器的測試，基準(zhǔn)電壓為3V或0V（接地），3V時(shí)輸入電壓低于基準(zhǔn)電壓輸出低電平，接地時(shí)輸入電壓高于基準(zhǔn)電壓輸出高電平表示過電壓，驅(qū)動(dòng)繼電器關(guān)斷。⑥OLED的測試，當(dāng)電流值達(dá)到設(shè)定閾值（設(shè)定為5A）時(shí)不發(fā)出警報(bào)，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)放出警報(bào)。各分電路測試都能正常工作，之后對整體系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試電流的實(shí)際值、測量值和誤差數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量值及誤差

5 結(jié)語

所設(shè)計(jì)蓄電池電流檢測系統(tǒng)，主要由電流采集、電流轉(zhuǎn)換、降壓、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等模塊組成，可以應(yīng)用到汽車蓄電池檢測環(huán)境中。隨著檢測技術(shù)智能化、聯(lián)網(wǎng)化、集成化歷程的不斷推進(jìn)，電流檢測作為汽車蓄電池狀態(tài)監(jiān)控的一個(gè)重要技術(shù)也不甘落后，因此汽車蓄電池電流檢測系統(tǒng)將給車主一個(gè)很直觀的電池狀態(tài)信息，為車主省去不少時(shí)間和金錢，具有重要的實(shí)用價(jià)值。