基于STM32的干電池自動(dòng)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紀(jì)涵婷，吳偉東，李 權(quán)，黃作耀，朱曉君

（1.江西理工大學(xué) 軟件工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西理工大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引 言

在我國，干電池生產(chǎn)和消費(fèi)的數(shù)量逐年增加，但廢舊電池的回收利用率卻很低。“十四五”規(guī)劃明確提出要加強(qiáng)大宗固體廢棄物綜合利用，規(guī)范發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)。由此可見，實(shí)現(xiàn)集中回收和循環(huán)利用廢舊電池具有重要的戰(zhàn)略應(yīng)用價(jià)值。

從我國目前的廢舊電池回收狀況來看：用戶囤積了大量廢舊電池?zé)o處安置或隨意遺棄；廢舊電池處理廠擁有良好的回收處理技術(shù)，但廢電池供應(yīng)量不足。現(xiàn)有技術(shù)中，廢舊干電池回收系統(tǒng)尚不成熟，也未得到推廣，廢舊電池大多采用回收箱或垃圾箱收集，形式單一，且較為“低能”。為了解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了基于STM32的干電池自動(dòng)回收系統(tǒng)，通過以STM32為核心的電池電量檢測(cè)模塊測(cè)量電池的剩余電量，并將其與設(shè)定的閾值比較，判斷電池是否需要回收，若檢測(cè)到電池電量小于閾值，則電機(jī)工作回收電池。電池電量和回收信息通過串口顯示于顯示屏，或通過藍(lán)牙傳輸至用戶智能終端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)量電池電量準(zhǔn)確穩(wěn)定，可用于區(qū)分新、舊、廢三類干電池，并應(yīng)用于電池檢測(cè)回收售賣一體機(jī)等，提高廢舊電池回收率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

干電池自動(dòng)回收系統(tǒng)主要包括檢測(cè)電池電量、實(shí)時(shí)發(fā)送與顯示數(shù)據(jù)、自動(dòng)回收等功能，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含電池電量檢測(cè)模塊、信息顯示模塊與自動(dòng)回收模塊等。STM32F103控制器是干電池自動(dòng)回收系統(tǒng)的控制主體，用于測(cè)量干電池剩余電量、控制數(shù)據(jù)傳輸和啟動(dòng)電機(jī)。將電池插入電池槽內(nèi)，待系統(tǒng)初始化完成后，STM32F103開始檢測(cè)是否有輸入電壓，即是否有電池插入。若未檢測(cè)到電池插入，則控制顯示屏顯示提示語，提醒用戶接入電池；若檢測(cè)到有電池插入，則對(duì)輸入電壓進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算等處理，然后將計(jì)算的電池剩余電量與設(shè)定的閾值比較，小于閾值則電池需要回收，此時(shí)，STM32會(huì)將電量與回收信息實(shí)時(shí)傳輸至顯示屏和用戶智能終端顯示，同時(shí)控制繼電器啟動(dòng)電機(jī)，進(jìn)行電池回收動(dòng)作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電量檢測(cè)模塊

電量檢測(cè)模塊的主處理器為意法半導(dǎo)體出品的STM32F103C8T6芯片。這款芯片使用基于ARM-V7最新、具有先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3 內(nèi)核，可實(shí)現(xiàn)單周期的乘除法運(yùn)算。STM32F103芯片工作電壓為3.3 V，功耗低，其豐富的接口便于顯示屏LCD1603、藍(lán)牙、繼電器等接入。STM32內(nèi) 部 集成定時(shí)器、CAN、ADC、SPI、IC、USB、UART等多種外設(shè)功能，其中，ADC在電池電量測(cè)量中用于對(duì)輸入的模擬電壓采樣、量化、編碼，將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行電量計(jì)算。圖2為STM32F103芯片及干電池分壓電路。在輸入電壓A/D轉(zhuǎn)換前，需要先對(duì)輸入電壓進(jìn)行放大處理，然后用2個(gè)串聯(lián)的10 kΩ電阻對(duì)其進(jìn)行分壓，防止電壓過度增高，以保護(hù)電路。干電池分壓電路通過PA0接口與STM32F103連接。STM32F103內(nèi)部寫入已編譯的干電池自動(dòng)回收系統(tǒng)程序，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，將按照系統(tǒng)程序執(zhí)行電量檢測(cè)計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸、驅(qū)動(dòng)繼電器等事件。

圖2 STM32F103芯片及干電池分壓電路

2.2 信息顯示模塊

信息顯示模塊由LCD顯示屏、藍(lán)牙和用戶智能終端組成，用于顯示電池的當(dāng)前電壓、電量以及是否需要回收等信息，便于用戶查看。

（1）LCD顯示屏選用字符型LCD1602，其作為顯示器件輸出信息，具有體積小、功耗低、顯示容量大、無需外加驅(qū)動(dòng)電路等優(yōu)點(diǎn)。此外，LCD1602顯示容量為16×2個(gè)字符，用于顯示電池回收信息。

（2）自動(dòng)回收系統(tǒng)采用JDY-30 SPP藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信，藍(lán)牙模塊是指集成藍(lán)牙功能的芯片基本電路集合。JDY-30透?jìng)髂K基于藍(lán)牙3.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段為2.4 GHz，具有信號(hào)強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特性，數(shù)據(jù)傳輸速度快，支持串口連續(xù)向智能終端發(fā)送數(shù)據(jù)，100%不丟包。用戶通過串口和藍(lán)牙芯片通信，當(dāng)藍(lán)牙模塊與智能終端連接成功后，進(jìn)入數(shù)據(jù)透?jìng)髂Ｊ剑瑢?shí)時(shí)傳送電池信息。圖3為JDY-30 SPP藍(lán)牙模塊電路，其中，RXD為串口輸入，TXD為串口輸出。

圖3 JDY-30 SPP藍(lán)牙模塊電路

2.3 自動(dòng)回收模塊

自動(dòng)回收模塊需通過STM32驅(qū)動(dòng)繼電器，再由繼電器控制電機(jī)開關(guān)實(shí)現(xiàn)回收功能。在本系統(tǒng)中，電機(jī)為SRD-05VDC-SL-C繼電器的直流負(fù)載，一般情況下，負(fù)載接在繼電器上需要外部供電，接線較為麻煩?；诖?，設(shè)計(jì)了DC電源-負(fù)載轉(zhuǎn)接控制板，繼電器和電機(jī)分別接在轉(zhuǎn)接控制板兩端，繼電器通過轉(zhuǎn)接控制板可以控制電機(jī)的開關(guān)，避免電機(jī)外部接線的麻煩。圖4為DC電源-負(fù)載轉(zhuǎn)接控制板原理，其中，DC接口為電源的直流插座。為給控制板供電，可以使用USB電源線，使其一端插在直流插座上，另外一端插在5 V或12 V直流電源上，如電腦USB、充電寶、手機(jī)充電器等；LED為紅色LED燈，作為系統(tǒng)是否上電的指示燈，1 kΩ電阻用于限流保護(hù)LED燈，防止電流過大燒壞LED燈。SW為自鎖開關(guān)，開關(guān)按下后，紅燈亮，此時(shí)系統(tǒng)電源5 V直流輸出。開關(guān)再次按下后，紅燈滅，此時(shí)系統(tǒng)電源無5 V電壓輸出。繼電器輸出有3個(gè)端子，即常開點(diǎn)、公共端和常閉點(diǎn)，J1端子可以外接在繼電器的常開點(diǎn)和公共端或常閉點(diǎn)和公共端，當(dāng)轉(zhuǎn)接控制板上電時(shí)，即可通過繼電器控制電機(jī)的開關(guān)，J2為電機(jī)接口。

圖4 DC電源-負(fù)載轉(zhuǎn)接控制板原理

圖5為繼電器電路原理。打開轉(zhuǎn)接控制板開關(guān)，當(dāng)STM32檢測(cè)到接入電池的剩余電量小于設(shè)定的電池容量最小閾值時(shí)，LED亮黃燈，表示電池正在回收，此時(shí)STM32通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，繼電器再通過轉(zhuǎn)接控制板啟動(dòng)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)電池的回收。

圖5 繼電器電路原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電量檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

電池電量檢測(cè)的物理量是電池剩余容量或剩余容量與總?cè)萘康陌俜直?。電池總?cè)萘康臏y(cè)量主要采用電池恒阻和恒流放電法，近似為電池的放電電流與放電時(shí)間的乘積，放電時(shí)長接近1 200 h，且屬于破壞性實(shí)驗(yàn)。因此，直接測(cè)量電池總?cè)萘亢褪Ｓ嗳萘康姆椒@然不可取。研究表明，不同的恒流放電電池的剩余電量與總電量之比和剩余電壓與總電壓差之比的關(guān)系曲線相同，而且不同型號(hào)的電池也相同。電池的總電量和總電壓為電池固有參數(shù)，只需要測(cè)量電池的剩余電壓便可求得電池的剩余電量和剩余電量百分比。

輸入電壓放大后，通過ADC將模擬電壓量（）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（），STM32內(nèi)部的ADC為12位，則0～2之間的每一個(gè)數(shù)值都對(duì)應(yīng)著0～3.3 V之間的電壓值。由于電池電壓在分壓電路中被電阻分壓，因此電池的實(shí)際電壓為測(cè)得電壓的2倍。為了使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，對(duì)電池輸入電壓進(jìn)行多次測(cè)量求平均值，數(shù)字電壓量可表示為：

式中，為每次測(cè)量的輸入電壓模擬量，取1～10。得到輸入電壓的數(shù)字量后，便可求得電池的剩余電量百分比（Remaining Power Ratio, RPR）：

式中：為電池剩余電量；為總電量；為剩余電壓；為總電壓。由于電池?zé)o法供電時(shí)的電壓并不為0，此時(shí)的電池電壓為截止電壓，因此為測(cè)量電壓U與截止電壓之差，為初始電壓與截止電壓之差。初始電壓和截止電壓均為已知參數(shù)。將電池剩余電量RPR與系統(tǒng)設(shè)定的電量閾值進(jìn)行比較，當(dāng)RPR大于閾值時(shí)，電池?zé)o需回收；反之，則需要回收。最后，STM32生成并輸出回收信息。電量檢測(cè)流程如圖6所示。

圖6 電量檢測(cè)流程

3.2 藍(lán)牙通信軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于SPP協(xié)議（Serial Port Profile, SPP）的藍(lán)牙裝置，能與具備藍(lán)牙功能的智能終端創(chuàng)建串口連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。具體步驟：打開已安裝在智能手機(jī)中的安卓APP—藍(lán)牙串口，點(diǎn)擊“連接設(shè)備”，選擇配對(duì)“JDY-3-SPP”，APP通過調(diào)用手機(jī)藍(lán)牙主動(dòng)連接藍(lán)牙模塊建立無線通信。設(shè)備顯示“已連接到JDY-3-SPP”后，電池的回收信息將通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳輸至智能手機(jī)端。若用戶需要更改電池電量回收的閾值，可在發(fā)送區(qū)輸入數(shù)值，點(diǎn)擊“Send”將數(shù)值發(fā)送至STM32微控制器，即完成閾值的更改。藍(lán)牙連接手機(jī)界面如圖7所示。

圖7 藍(lán)牙連接手機(jī)界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取

經(jīng)過對(duì)不同型號(hào)電池的初始電壓和截止電壓的比較，發(fā)現(xiàn)初始電壓大于1.6 V、截止電壓大于0.9 V的電池較為普遍，因此設(shè)定公式（2）中為1.6 V，為0.9 V。在實(shí)際應(yīng)用中，電池RPR的閾值可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，本次測(cè)量設(shè)定RPR閾值為40%，根據(jù)公式（2）轉(zhuǎn)換后，得到電池的最大回收電壓為1.18 V。系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。

圖8 干電池回收系統(tǒng)實(shí)物

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選用3種不同型號(hào)電池，使用干電池回收系統(tǒng)多次測(cè)量7個(gè)電池的電壓（）和剩余電量百分比（RPR），分別求取平均值（, RPR），并計(jì)算電壓方差（），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所列。

由表1可知，回收系統(tǒng)測(cè)量得到的電池電壓值精確到10，且各電池電壓的方差（）均在8.87×10以內(nèi)，說明本回收系統(tǒng)測(cè)量電池電壓時(shí)波動(dòng)較小，穩(wěn)定性好。同時(shí)，為了檢測(cè)回收系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，利用萬用表分別測(cè)量7個(gè)電池兩端的電壓，并與表1中回收系統(tǒng)測(cè)量的電壓平均值進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2所列。對(duì)比回收系統(tǒng)與萬用表的測(cè)量值，發(fā)現(xiàn)回收系統(tǒng)測(cè)量電壓（）和萬用表測(cè)量電壓（）相對(duì)誤差在1.1%以內(nèi)，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)檢測(cè)電池電壓準(zhǔn)確性較高。

表1 不同品牌型號(hào)電池測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 回收系統(tǒng)與萬用表電池電壓數(shù)據(jù)對(duì)比

圖9 回收系統(tǒng)與萬用表對(duì)比折線圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的干電池回收系統(tǒng)。電池接入系統(tǒng)后，通過電量檢測(cè)模塊對(duì)電池輸入電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及電量計(jì)算，檢測(cè)到電池剩余電量小于設(shè)定閾值時(shí)，則STM32控制繼電器啟動(dòng)電機(jī)，進(jìn)行電池回收，電池的電壓、剩余電量百分比及回收信息將通過串口顯示于顯示屏，或通過藍(lán)牙透?jìng)髦劣脩糁悄芙K端。對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，本電池回收系統(tǒng)具有測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，可用于集中回收和循環(huán)利用廢舊電池、電池檢測(cè)回收售賣一體機(jī)等，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。