自制創意電池測量儀

文/上海市靜安區青少年活動中心 高一學生 邵如吉 指導老師/周俊

一、設計背景

在測電壓的時候，人們一般都是使用電壓表或者萬用表，但是這種儀器并不是每戶人家都會有，平常若是有類似遙控板一類的小型用電器沒反應了，沒辦法確認是電池沒電，或者只是電路接觸不好，只能換新的電池。

在學習Arduino編程的時候，我發現如果使用模擬端口，可以實現測電壓的功能。加上學過用CAXA做3D打印的設計，因此想到可以設計一個既能方便測量電壓，又能有美觀裝飾作用的電池測量儀。

二、設計方案——軟硬件介紹

1.Arduino UNO R3

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。

2.3 D打印技術

3D打印（3DP)即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。

基本工作原理：

（1）通過計算機建模軟件建模；

（2）將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片；

（3）3D打印機逐層打印，疊加在一起后完成最終的作品。

3.CAXA

CAXA實體設計是唯一集創新設計、工程設計、協同設計于一體的新一代3D CAD系統解決方案。易學易用、快速設計和兼容協同是其最大的特點。它包含三維建模、協同工作和分析仿真等各種功能，無可匹敵的易操作性和設計速度，幫助工程師將更多的精力用于產品設計本身，而不是軟件使用的技巧。

該電池電壓測量儀使用CAXA完成了小房子的大體形狀。如下圖所示。

CAXA設計小房子界面圖

4.3D Studio Max

3D Studio Max，常簡稱為3d Max或3ds MAX，一款基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。其首先開始被運用在電腦游戲中的動畫制作，后更進一步開始參與影視片的特效制作，例如《X戰警II》《最后的武士》等。

該電池電壓測量儀使用3d Max完成了細節上的處理，并且在小房子上做出了動漫人物海賊王的造型。如下圖所示。

3DMAX設計海賊王圖案圖

5.74HC595移位寄存器集成電路

74HC595具有8位移位寄存器和一個存儲器，三態輸出功能。

移位寄存器和存儲器有相互獨立的時鐘。移位寄存器有一個串行移位輸入（Ds），一個串行輸出（Q7’），一個異步的低電平復位；存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態的總線輸出，當使能OE時（為低電平），存儲寄存器的數據輸出到總線。將串行輸入的8位數字，轉變為并行輸出的8位數字，例如控制一個8位數碼管，將不會有閃爍。

該電池電壓測量儀使用74HC595控制兩個共陰極的7段數碼管，以達到穩定顯示數據的目的。

三、項目實現與測試

1.組件拼裝及電路連接

分別通過CAXA和3DMAX進行內部構造和外觀細節的設計后，通過3D打印機便可以輕松打印出各個分零件。組裝完成內部黑色構架后，裝入Arduino UNO R3板。

2.關鍵代碼

（1）自動燈光變化關鍵代碼

（2）電池電壓測量關鍵代碼：（電池電壓測量測試圖）

當電壓為1.4v＜V＜=1.8v時，LED亮綠燈（如圖1）；

當電壓為1v＜V＜=1.4v時，LED亮藍燈（如圖2）；

當電壓為0v＜V＜=1.4v時，LED亮紅燈（如圖3）；

若不滿足以上任何一種情況，則不亮燈。

四、項目總結

項目完成了一個美觀家用電池測量儀的制作，用來測量5號電池的電壓，完成了LED變色裝飾及測量電壓共兩個任務，確保了項目既有美觀意義，又有實用價值。本項目的實施成本低且效果好，測量過程簡單方便，結果準確穩定。希望本項目能夠在未來擁有較大市場。

五、未來展望

家里常用的電池還有7號電池和1號電池等，而該電池電壓測量儀只能測量5號電池，另外這兩種電池電壓還是需要使用萬用表測量。

希望能夠以后做出一款測量儀改良版，小房子多添兩層，并做出適當的程序修改，使它能分別測量這3種不同型號的電池的電壓，這是項目需要進一步完善的地方。

1 亮綠燈

2 亮藍燈

3 亮紅燈