基于STM32的蓄電池電流檢測系統設計

黃振鵬，王永杰

（桂林理工大學信息科學與工程學院，廣西桂林，541004）

0 引言

蓄電池是一種將化學能轉變成電能的儲能設備，是一種直流電源[1]。隨著生產技術的革新，蓄電池的品種也變得多種多樣，為了讓蓄電池壽命更長，更符合實際工作環境，設計了電流檢測系統，通過檢測電流的大小對蓄電池是否發生故障進行簡單判斷。本系統可以應用到汽車用蓄電池故障檢測中，車主可以通過直觀的數值顯示判斷汽車故障是否是由于蓄電池發生故障而導致。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，本設計采用直接式電流檢測法，基于STM32F103C8T6的電流檢測系統采用STM32最小系統作為控制核心，經過轉換電路將電流信號轉變成為電壓信號，通過AD轉換電路對電壓信號進行采樣處理并輸出[2]。

1 系統總體設計

蓄電池電流檢測系統框圖如圖1所示，整個系統由單片機、電流源、OLED顯示電路和蜂鳴器報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；再經過分流器，進行電流/電壓的轉換（注意這里在轉換時功率很大必須考慮功率對電阻、導線的影響），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，將驅動繼電器關斷從而對整個系統進行保護，小于正常值將驅動蜂鳴器進行報警。

圖1 系統總體框圖

2 硬件電路設計

系統電路原理圖如圖2所示。單片機選擇STM32F103 C8T6最小系統模塊，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采集到的數據經過該單片機處理把模擬信號變成數字信號。電壓比較器是模擬信號電路中常用的處理電路，系統中采用的是芯片LM393，該芯片是專業級別的電壓比較器，切換快、延時小、專門用于電壓比較，有著不錯的電壓比較能力[3]。它將反向輸入端的輸入電壓作為基準電壓與正向輸入端的電壓作對比，基準電壓設為3.3V，如果輸入的電壓大于基準電壓則輸出高電平，如果輸入的電壓小于基準電壓則輸出低電平。

圖2 系統電路圖

分流器電路相對簡單，只要考慮好要進行分流之后的電壓電流再在電路回路中加裝一個合適的電阻即可，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動，該蜂鳴器需要外接3.3V-5V直流電壓供電，采用S8050三極管驅動，當I/O口接到單片機對應I/O口（B8）并接收到高電平信號時，蜂鳴器啟動，發出蜂鳴聲。這個報警方式簡單方便，并結合OLED顯示能很好的對電池狀態做出反饋。顯示屏選擇0.96寸4腳OLED液晶顯示屏，該設備通過5V電源供電。

3 軟件程序設計

系統的程序設計主要有AD轉換、OLED顯示、蜂鳴器報警幾部分組成。主程序流程圖如圖3所示。系統在開始上電后，首先是硬件系統初始化，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進行處理，單片機把處理好的數據輸出到OLED進行數字顯示，同時判斷電流值的大小，低于閾值顯示unnormal字樣并驅動蜂鳴器報警，高于閾值顯示normal字樣，并顯示一個圖案：圖案里的E代表狀態不好，F代表狀態良好。

圖3 主程序流程圖

4 系統測試

系統測試是驗證系統能否正常工作的一個重要部分。測試環境為：10A電流發生器，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。電路實物圖如圖4所示。

圖4 系統電路實物圖

首先對各分電路進行測試：①分流器是利用電阻組成的電路，由V=IR換算，測試過程中能實現這樣的轉換，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設計分壓，實現將跟隨電壓降低10倍的功能。④電壓比較器的測試，基準電壓為3V或0V（接地），3V時輸入電壓低于基準電壓輸出低電平，接地時輸入電壓高于基準電壓輸出高電平表示過電壓，驅動繼電器關斷。⑥OLED的測試，當電流值達到設定閾值（設定為5A）時不發出警報，當低于閾值時放出警報。各分電路測試都能正常工作，之后對整體系統進行測試，測試電流的實際值、測量值和誤差數據如表1所示。

表1 測量值及誤差

5 結語

所設計蓄電池電流檢測系統，主要由電流采集、電流轉換、降壓、A/D轉換、數據分析、數據顯示等模塊組成，可以應用到汽車蓄電池檢測環境中。隨著檢測技術智能化、聯網化、集成化歷程的不斷推進，電流檢測作為汽車蓄電池狀態監控的一個重要技術也不甘落后，因此汽車蓄電池電流檢測系統將給車主一個很直觀的電池狀態信息，為車主省去不少時間和金錢，具有重要的實用價值。