基于STC 單片機的電池電壓監測報警器

鐘志賢，劉 珺，包愛民，姜 維，繆 蕊

（昆明冶金高等專科學校網絡管理與信息化部，云南昆明 650033）

鋰電池因具有高電壓平臺、高存儲能量密度、重量輕、使用壽命長、高功率承受力、高低溫適應性強、無記憶效應、綠色環保等優點，故其作為控制系統的電源及動力電源的應用也越來越廣泛[1-4]。但在鋰電池使用過程中過度充電、過度放電及環境溫度等因素會對鋰電池的性能產生影響，甚至會造成漏液、變形、內壓上升和起火爆炸等危險情況，因此鋰電池需要和電池保護電路一起使用[5-8]。因為采用的材料不同，單節/片鋰電池電壓為3.6～4.2 V，所以作為電源或動力電源一般需要串聯使用。就一般控制系統來說，常用的電源電壓為12 V、5 V 和3.3 V，需要3～4節/片鋰電池串聯起來使用。單節/片鋰電池理想的充電上限電壓一般為4.2 V，理想的放電截止電壓一般為3.0 V，所以對使用過程中的鋰電池進行實時電壓檢測，不僅能有效延長電池使用壽命，還能有效避免使用不當帶來的危險[9-11]。

1 方案設計

航模3S 聚合物鋰電池是由3 片鋰電芯串聯而成的，用戶可以根據設備需要的電壓范圍自己動手組裝2S/3S/4S 電池[12]。文中針對智慧教室控制系統中使用到的航模3S 聚合物鋰電池保護問題，設計實現一種電池電壓報警器。報警器通過與3S 電池引出的4 針電池充電插座直接相連，即插即用使用方便。單片鋰電池的標準電壓為3.7 V,組裝好的3S 電池標準電壓為11.1 V，充滿電電壓在12.6 V 左右，此電壓能滿足多數控制系統電源及動力電源使用。以3S 電池為例,電池組裝及電池與報警器的連接示意圖如圖1 所示。

圖1 3S電池組裝及與報警器連接示意圖

報警器硬件主要是以STC 單片機為核心，包括電源電路（電壓轉換以供單片機使用）、電壓采集電路、程序下載ISP、LED 燈組、蜂鳴器驅動電路等。報警器的系統結構示意圖如圖2 所示。

圖2 報警器系統結構示意圖

2 硬件系統

2.1 單片機的選擇及最小系統

報警器硬件系統主控芯片采用STC 生產的單時鐘/機器周期（1T）的STC12 系列單片機。其具有高速度、低功耗及抗干擾強等優點，是新一代的8051單片機，指令代碼完全兼容傳統單片機的8051，但是速度是傳統的8～12 倍[13]。能很好地滿足本電池電壓報警器的功能需求。

根據報警器的功能需求，具體選擇的單片機型號為STC12LE5204AD，其工作電壓為2.2～3.6 V，Flash 程序存儲器字節為4kB，256 字節的SRAM，兩個定時器T0、T1，8 路8 位AD 轉換器。為降低成本，減小硬件體積，該文選擇16 針封裝的型號，有11 個I/O 口，剛好能滿足電池報警器的需求。

單片機系統時鐘源可選擇采用外部高精度晶體/時鐘或內部R/C 振蕩器時鐘，用戶可以在下載程序時進行選擇。因該系統時鐘精度要求不高，為減小硬件體積選擇使用內部R/C 振蕩器時鐘。當使用內部R/C振蕩器時鐘，3 V單片機頻率范圍為8～12 MHz，要求單片機XTAL1、XTAL2 管腳浮空（圖3,U2）所示。關于復位電路，在時鐘頻率低于12 MHz 時，單片機的RST 管腳接1 kΩ電阻到地（圖3,U2）所示。在單片機電源與地之間并接兩個電容C（30.1 μF）、C4（10 μF），進行電源去耦濾波，增強抗干擾性。電池電壓報警器硬件單片機最小系統電路圖如圖3 所示。圖3 中P1 為3 針插座，是引出的程序下載ISP 接口。

圖3 單片機最小系統電路圖

2.2 電源及電壓采集電路

報警器電源直接從3S 電池的第二片電芯處獲取，如圖4 和圖5 中網絡標號VCC 所示，經電壓轉換芯片HT7533 將電壓轉為3.3 V 供單片機使用，網絡標號為3.3 V。HT7533 具有低功耗、低跌落電壓、高輸入電壓、高精度輸出電壓等特點，其輸出的最大電流可達100 mA。報警器電源電路如圖4 所示。

圖4 電源電路

圖5 電壓采集電路

因為單片機的工作電壓為3.3 V，所以單片機的AD 采集測量范圍為0～3.3 V，現在要測量的是一個3S 電池，單片鋰電池的額定電壓已經超過測量范圍，所以需要電阻分壓后再進行AD 采集，具體的分壓電阻如圖5 中R8、R9、R10、R11、R12、R13所示。電壓采集點如圖5 中網絡標號V1、V2、V3 所示，分壓電阻的選擇必須合理，需為高精度電阻。阻值不能太小，否則功耗增加發熱量大，阻值也不能太大，要遠小于ADC的輸入漏電流導致的誤差。報警器電池電壓分壓采集電路如圖5 所示。圖5 中P2 為4 針接口插座，是報警器與電池連接的接口。

2.3 LED及蜂鳴器電路

報警器設置了3組LED燈，由3個紅色LED燈、3個藍色LED 燈組成。可以通過程序控制LED 亮滅指示電池電量，同時每組LED 燈可分別對應3S 電池中的單片電池的電壓狀態。當電池電壓出現異常時，可配合蜂鳴器進行聲光報警。LED 燈組及蜂鳴器驅動電路如圖6 中LS1、D1～D6 所示，R1～R6為發光二極管的限流電阻。驅動蜂鳴器的管腳（網絡標號BEER）接單片機TxD/P3.1，與程序下載接口TxD 分時共用。

圖6 蜂鳴器及LED驅動電路

3 軟件系統

3.1 STC單片機開發/編程工具

STC 單片機的開發環境是PC 機上安裝STC 單片機編譯器/匯編器，比較流行的是使用Keil C51，其主要集編輯、編譯、硬件芯片基本頭文件和啟動代碼支持、調試等于一體[14]。

初次安裝軟件中可能沒有STC 的數據庫，需要手動添加。也可以將STC單片機當成Intel的8052/87C52/87C54/87C58,Philips的P87C52/P87C54/P87C58，然后對擴展的特殊功能寄存器的地址進行聲明。單片機程序使用C 語言開發，采用模塊化的設計方法方便移植。

該文用到的STC12LE5204AD 單片機特殊寄存器可聲明如下。

/*STC12LE5204AD Special Registers*/

sfr P3M1=0XB1；//P3 口模式配置寄存器1

sfr P3M0=0XB2；//P3 口模式配置寄存器0

sfr P1ASF=0X9D；//P1 Analog Function Configure register

sfr ADC_CONTR=0XBC；//AD 轉換控制寄存器

sfr ADC_RES=0XBD；//AD 轉換結果寄存器

通過在keil C 軟件中設置，還可以減少源代碼長度，最大能減少10 kB[15]。設置方法：在“Project”菜單中選擇“Options for Target”,然后在“Options for Target”選擇“C51”,選擇按照空間大小9 級優化程序點擊“確定”后，重新編譯程序即可。程序下載工具可使用STC-ISP.exe。PC 端通過串口連接MAX232電平轉換到STC 單片機的串口。若電腦端無串口可使用USB 接口，需要USB-RS232 轉換線，同時需要安裝相關驅動程序。硬件連接示意如下：

1）STC 單片機RXD(P3.0)—RS232 轉換器—PC/電腦TXD(COM Port Pin3)；

2）STC 單片機RXD(P3.1)—RS232 轉換器—PC/電腦RXD(COM Port Pin2)；

3）STC 單片機GND—PC/電 腦RXD(COM Port Pin5)。

STC 單片機具有在線系統可編程特性，內部具有ISP 系統引導固件，配合PC 機端的STC-ISP 軟件即可將用戶程序燒錄進單片機內部[16]，查看運行結果，可以不使用仿真器。若需要觀察變量，用戶可以編寫測試程序通過單片機串口發送到電腦端的STC-ISP 軟件中的“串口助手”進行查看。電腦端的STC-ISP 軟件界面使用說明如圖7 所示。新的設置，需要單片機徹底斷電，再上電復位后才能生效。

圖7 STC-ISP軟件界面使用說明

下載程序到STC 單片機的步驟如下。

Step1：選擇單片機的型號為STC12LE5204AD。

Step2：點擊“打開程序文件”，選擇要燒錄的用戶程序（*.bin，*.hex）。

Step3：選擇串行口，如COM1。

Step4：選擇下次冷啟動后，時鐘源為“內部R/C振蕩器”。

Step5：選擇download/下載，將程序下載到單片機。

3.2 算法設計及程序流程

STC12LE5204AD 單片機的A/D 轉換口在P1 口（P1.7-P1.0），為8 路8 位高速A/D 轉換器，可以進行溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。單片機上電復位后P1 口為弱上拉型I/O 口，用戶可以將8 路中的任何一路設置為A/D 轉換，不需要進行A/D 轉換的口可以繼續作為普通I/O 使用。該文設計的報警器采用P1.0、P1.1、P1.2 端口進行A/D 轉換使用。

A/D 轉換結果的計算公式為：

3.3V 為單片機的工作電壓，作為模擬參考電壓，Vin為模擬輸入通道的輸入電壓。

圖5 中，網絡標號為V1、V2、V3 的位置為電壓采集點。以航模3S 聚合物鋰電池為例，單片充滿電后的電壓為4.2 V，用戶可以根據實際使用情況設置電池報警器的單片鋰電池最低門限電壓。該文根據實際測試及使用經驗將最低門限電壓設置為3.85 V，低于此電壓就報警提示充電，對應實際采集點的門限電壓可分別計算如下：

A/D 轉換后的結果可分別計算如下：

單片機軟件C 語言程序中直接使用206、235、150 作為判斷條件，分別與實際AD 采集結果寄存器的值進行比較即可。單片機程序流程：1）報警器上電后首先程序進入端口初始化，AD 轉換初始化；2）單片機開始AD 采集電壓，每個電壓采集點分別采集20 次電壓取平均值；3）將采集到的電壓與設定的門限電壓進行比較判斷是否正常，若出現異常則進行聲光報警；4）若無異常，則計算并通過LED 顯示電池電量；5）電壓暫存寄存器清零，延時一段時間，返回到第二步準備第二次測量，具體單片機的程序流程圖如圖8 所示。

圖8 程序流程圖

4 結束語

航模3S 聚合物鋰電池常常被用在移動控制系統中作為電源及動力電源。該文設計的電池電壓報警器主要是針對3S 電池在使用或存放過程中進行欠壓報警提示。通過實際測試，電池報警器能正確指示電池電量，能及時發現電池欠壓進行聲光報警。電池報警器軟硬件均能夠正確運行，后續硬件系統還可以通過程序下載接口兼容，增加溫度傳感器實時檢測電池溫度，進一步提高電池使用或存放過程中的安全性，報警器系統相關的軟硬件只需簡單升級即可。