基于STM32微控制器的動力電池安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要：動力電池具有易燃、燃燒氣體有毒、電壓高等特點(diǎn)，為保護(hù)動力電池實(shí)訓(xùn)場地設(shè)備及人身安全，設(shè)計(jì)動力電池安防系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32微控制器，配備傳感器、聲光報(bào)警等裝置，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測動力電池狀態(tài)及周邊情況，及時(shí)、有效防止動力電池事故發(fā)生，保護(hù)資產(chǎn)和人身安全。

關(guān)鍵詞：STM32微控制器；動力電池；安防系統(tǒng)；監(jiān)控；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號：U469.72" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0118-04

Abstract： Power batteries are characterized by flammability， toxic combustion gases， and high voltage. In order to protect the safety of equipment and personal safety in power battery training sites， a power battery security system is designed. The system adopts STM32 microcontroller and is equipped with sensors， sound and light alarms and other devices. The system can monitor the status of the power battery and surrounding conditions in real time and remotely， prevent power battery accidents in a timely and effective manner， and protect assets and personal safety.

Keywords： STM32 microcontroller; power battery; security system; monitoring; software design

隨著汽車行業(yè)向新能源方向快速轉(zhuǎn)型，高職等各類學(xué)校，紛紛設(shè)置新能源汽車相關(guān)專業(yè)，動力電池是新能源汽車專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，學(xué)校都存放有動力電池，當(dāng)環(huán)境溫度過高或動力電池自身溫度過高時(shí)，可能會引發(fā)熱失控現(xiàn)象，引發(fā)火災(zāi)。動力電池電壓都在220 V以上，誤操作觸電，將有生命危險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)動力電池安防系統(tǒng)，用于監(jiān)測動力電池的工作狀態(tài)。

1" 總體方案

動力電池安防系統(tǒng)，主要由監(jiān)控傳感器系統(tǒng)、中央微控制器、報(bào)警提示系統(tǒng)組成。

監(jiān)控傳感器系統(tǒng)： 動力電池自身溫度監(jiān)控和防止學(xué)生意外觸電是動力電池安防中重要的環(huán)節(jié)，也是動力電池安全事故中損失最嚴(yán)重的情況。系統(tǒng)配置傳感器探測電池自身溫度、人員靠近、 煙霧濃度等，根據(jù)探測結(jié)果，發(fā)出警報(bào)，降低動力電池安全事故損失。

中央微控制器采用STM32微控制器，實(shí)時(shí)分析監(jiān)測傳感器輸入的數(shù)據(jù)，根據(jù)算法，控制報(bào)警提示系統(tǒng)工作（圖1）。

報(bào)警提示系統(tǒng)由音響模塊、警示燈、遠(yuǎn)程通信模塊3部分組成。

2" 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1" 微控制器采用STM32芯片

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，微控制器采用STM32F103ZE T6芯片，STM32F103ZET6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高性能、低成本的32位微控制器，基于ARM Cortex-M3內(nèi)核[1]。STM32F103ZET6還配備了豐富的定時(shí)器資源和ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），使其非常適合于工業(yè)自動化、消費(fèi)電子和汽車應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域。該微控制器采用了節(jié)能設(shè)計(jì)，可在多種電源電壓范圍內(nèi)工作，具備低功耗模式，有助于延長電池供電設(shè)備的工作時(shí)間。

2.2" 煙霧傳感器

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，選用MQ-2煙霧傳感器，感應(yīng)元件由微型三氧化二鋁陶瓷管、氧化錫敏感層組成，感應(yīng)原件配備加熱器，保證敏感層處于正常工作溫度。傳感器有6個(gè)針腳，4個(gè)針腳輸出信號，2個(gè)針腳用于加熱，敏感原件工作條件見表1。

MQ-2煙霧傳感器在氣敏元件基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電位器、運(yùn)算放大器、發(fā)光二極管，原理圖如圖2所示。傳感器電源為5 V，TTL針腳輸出數(shù)字信號有效值為低電平，該信號可直接輸入到微控制器，RP電位器可以調(diào)節(jié)TTL輸出靈敏度順時(shí)。模擬量輸出電壓0～5 V，濃度與電壓成正比。

2.3" 紅外溫度傳感器

MLX90615ESG-DAA（以下簡稱MLX90615）是一款高精度、小尺寸、數(shù)字式紅外溫度傳感器。該傳感器集成了紅外熱電堆探測器和信號處理ASIC（專用集成電路），并封裝在標(biāo)準(zhǔn)的TO-46密封罐內(nèi)，傳感器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

MLX90615ESG-DAA在寬溫度范圍內(nèi)（-40～115 ℃）具有高精度，特別是在0～50 ℃范圍內(nèi)，其精度可達(dá)0.5 ℃。該傳感器支持SMBUS兼容的數(shù)字接口，便于與STM32微控制器或處理器集成，實(shí)現(xiàn)快速溫度讀數(shù)。傳感器有PWM（脈沖寬度調(diào)制）模式，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)讀數(shù)。傳感器出廠校準(zhǔn)的環(huán)境溫度范圍為-40～85 ℃，物體溫度范圍為-40～115 ℃，滿足應(yīng)用場景的需求。發(fā)射率可以簡單地定制為0.1到1之間，且無需使用黑體進(jìn)行重新校準(zhǔn)，提高了使用的靈活性和便利性。

2.3.1" 數(shù)據(jù)讀取方法

1）初始化SMBus連接：將SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時(shí)鐘線）正確連接MLX90615上。將SDA和SCL引腳配置為弱上拉電阻。

2）啟動SMBus通信：主機(jī)（Master Device， MD）通過發(fā)送起始條件來啟動數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送從機(jī)地址（Slave Address， SA），MLX90615的默認(rèn)從機(jī)地址是0x5B（十六進(jìn)制）。

3）發(fā)送命令：主機(jī)根據(jù)需要發(fā)送讀取命令（如讀取RAM或EEPROM中的數(shù)據(jù)）。MLX90615響應(yīng)命令，并準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

4）讀取數(shù)據(jù)：主機(jī)通過SMBus接口從MLX90615讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通常從指定的RAM或EEPROM地址開始讀取。

5）關(guān)鍵寄存器地址。RAM寄存器，0x06（十六進(jìn)制）：環(huán)境（周圍）溫度T_A；0x07（十六進(jìn)制）：對象溫度T_O；0x05（十六進(jìn)制）：原始紅外數(shù)據(jù)。EEPROM寄存器，包含了配置信息、PWM設(shè)置、發(fā)射率等，修改這些寄存器需要謹(jǐn)慎，以免破壞設(shè)備的出廠校準(zhǔn)。

2.3.2" 讀取溫度數(shù)據(jù)示例

1）發(fā)送起始條件。

2）發(fā)送從機(jī)地址0x5B及寫命令（因?yàn)橐仍O(shè)置要讀取的RAM地址）。

3）發(fā)送RAM地址0x06（讀取環(huán)境溫度）或0x07（讀取對象溫度）。

4）發(fā)送重起始條件。

5）再次發(fā)送從機(jī)地址0x5B及讀命令。

6）從MLX90615讀取16位數(shù)據(jù)（注意：溫度數(shù)據(jù)以0.02 °C為分辨率存儲）。

處理數(shù)據(jù)：將讀取的數(shù)據(jù)（以K為單位）轉(zhuǎn)換為℃，公式為To[℃]=RAM（7h）×0.02-273.15。

2.4" 毫米波雷達(dá)

根據(jù)系統(tǒng)需求，選用HLK-LD303-24G毫米波雷達(dá)[2-3]。該雷達(dá)模塊采用24 GHz頻段，具有高精度（5 cm）和長探測距離（10～350 cm）的特點(diǎn)，支持TTL串口通信，默認(rèn)波特率為115 200，參數(shù)見表2，對外有4個(gè)引腳功能見表3。

通過發(fā)送固定查詢命令，模塊可上報(bào)目標(biāo)距離、信號強(qiáng)度及微動狀態(tài)等信息。雷達(dá)可通過指令設(shè)置最大檢測距離、靈敏度、延遲時(shí)間等參數(shù)。

HLK-LD303-24G測距雷達(dá)模塊安裝簡便，接線方式靈活，可通過串口小板與電腦連接進(jìn)行調(diào)試和測試。測試時(shí)，需注意模塊與串口小板的TX/RX交叉連接，避免接錯(cuò)導(dǎo)致通信失敗。

2.5" 語音報(bào)警器

語音報(bào)警器選用ISD1820芯片，芯片集成的8～20 s單段語音錄放電路[4]。能實(shí)現(xiàn)語音錄放功能，原理圖如圖4所示。

ISD1820芯片將信號輸入LM386功率放大器，放大后驅(qū)動揚(yáng)聲器。信號由SP+或 SP-輸出，單線輸出時(shí)不用的針腳必須懸空。

2.6" SIM900A通信模塊

SIM900A通信模塊是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的GSM/GPRS通信模塊，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域[5]。該模塊不僅支持GSM網(wǎng)絡(luò)的語音通話和短信收發(fā)功能，還具備GPRS數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程高速傳輸。

SIM900A模塊支持多頻段網(wǎng)絡(luò)，覆蓋全球主要GSM頻段，確保在全球各地都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的通信和數(shù)據(jù)傳輸。模塊功耗低，能自動搜索連接最佳網(wǎng)絡(luò)。

SIM900A模塊具備一系列特色功能，如串口通信、SIM卡熱插拔、支持外部存儲設(shè)備和GPIO接口等，這些功能使得模塊能夠輕松與各種微控制器、單片機(jī)等設(shè)備集成，滿足多樣化的應(yīng)用需求。模塊還支持固件在線升級，用戶可以隨時(shí)獲取最新功能和修復(fù)bug，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性。

3" 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測、運(yùn)算、傳輸?shù)年P(guān)鍵。根據(jù)STM32F103ZET6的處理能力，設(shè)計(jì)軟件主循環(huán)程序?yàn)椴粩嘧x取各類傳感器的數(shù)據(jù)，包括動力電池的溫度、煙霧濃度、人員靠近情況等。通過內(nèi)置的ADC和通信接口，實(shí)時(shí)接收并處理這些信息。

中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)，設(shè)置中斷服務(wù)程序，以便在緊急情況下能夠迅速響應(yīng)。例如，當(dāng)煙霧傳感器檢測到煙霧濃度超過設(shè)定閾值時(shí)，立即觸發(fā)中斷，進(jìn)入緊急處理流程，啟動聲光報(bào)警，并通過SIM900A通信模塊發(fā)送短信至預(yù)設(shè)的緊急聯(lián)系人手機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

軟件設(shè)計(jì)還需考慮數(shù)據(jù)的存儲與分析。利用STM32F103ZET6的閃存和SRAM，存儲歷史數(shù)據(jù)，便于后續(xù)分析動力電池的使用情況和安防系統(tǒng)的性能。同時(shí)，可以設(shè)計(jì)簡單的數(shù)據(jù)分析算法，對動力電池的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，提前預(yù)警潛在的安全隱患。

3.1" 數(shù)據(jù)采集

在軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集中，采用輪詢與中斷相結(jié)合的方式以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和效率。為所有傳感器（如煙霧傳感器、紅外溫度傳感器、毫米波雷達(dá)等）配置定時(shí)器中斷，設(shè)定合理的采樣周期，每100 ms采集一次數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序中，STM32F103ZET6微控制器通過相應(yīng)的USART等通信接口讀取傳感器的最新數(shù)據(jù)，并存儲到SRAM中的指定緩沖區(qū)。

主循環(huán)程序中，微控制器按規(guī)定間隔檢查緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。檢測到任何異常數(shù)據(jù)（如溫度超過安全閾值、煙霧濃度超標(biāo)、毫米波雷達(dá)檢測到人員違規(guī)接近等），則立即觸發(fā)相應(yīng)的處理函數(shù)。處理函數(shù)負(fù)責(zé)啟動聲光報(bào)警系統(tǒng)，通過語音報(bào)警器播放預(yù)設(shè)的警報(bào)語音，并控制警示燈閃爍。函數(shù)還會通過SIM900A通信模塊發(fā)送短信至預(yù)設(shè)的緊急聯(lián)系人手機(jī)，報(bào)告異常情況，確保遠(yuǎn)程監(jiān)控人員能夠及時(shí)獲取并處理警報(bào)信息。

讀取毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)關(guān)鍵代碼如下。

void Radar_SendQueryCommand（void）

{

uint8_t queryCommand[] = {0xXX， 0xYY}; // 替換為實(shí)際的查詢命令，XX和YY為示例值

HAL_UART_Transmit（amp;huart1， queryCommand， sizeof（queryCommand）， HAL_MAX_DELAY）;

}

3.2" 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理過程中，系統(tǒng)對采集到的毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。微控制器對接收到的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取出目標(biāo)距離、速度、角度等關(guān)鍵信息。解析得到的數(shù)據(jù)，采用中值濾波方法，進(jìn)行處理，以減少噪聲和干擾對測量結(jié)果的影響。

軟件對連續(xù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，判斷動力電池周圍環(huán)境的變化趨勢。例如，雷達(dá)連續(xù)檢測到有物體快速接近動力電池，系統(tǒng)會認(rèn)為存在潛在的安全隱患，并提前預(yù)警。系統(tǒng)需要將處理后的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，識別出異常或突變的情況，如溫度急劇上升、煙霧濃度驟增等，以便及時(shí)采取應(yīng)對措施。

3.3" 執(zhí)行部分

在數(shù)據(jù)處理過程中，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)的安全閾值進(jìn)行判斷。一旦檢測到任何超過安全閾值，如煙霧濃度超標(biāo)等，系統(tǒng)會立即啟動聲光報(bào)警系統(tǒng)，并通過SIM900A通信模塊向遠(yuǎn)程監(jiān)控人員發(fā)送警報(bào)信息，及時(shí)采取相關(guān)措施。

SIM900A通信模塊發(fā)送警報(bào)信息，關(guān)鍵代碼如下。

void OnPersonApproachDetected（void）

{

char phoneNum[] = \"13800000000\";" // 緊急聯(lián)系人手機(jī)號

char alertMsg[] = \"警告：有人員違規(guī)接近動力電池區(qū)域！\";

SendAlertSMS（phoneNum， alertMsg）;

}

4" 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)動力電池安防系統(tǒng)，配置多種傳感器和報(bào)警設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對動力電池的實(shí)時(shí)監(jiān)控和警示處理。通過煙霧傳感器、紅外溫度傳感器、毫米波雷達(dá)等傳感器，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測動力電池的溫度、煙霧濃度及人員接近情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。采用STM32F103ZET6微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和邏輯控制，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。通過聲光報(bào)警和SIM900A通信模塊的遠(yuǎn)程報(bào)警功能，系統(tǒng)能夠在緊急情況下，迅速通知相關(guān)人員，有效避免動力電池安全事故的發(fā)生，保護(hù)資產(chǎn)和人身安全。

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