基于單片機的無人機電池電量監測系統設計

王楠 孫玉軍 吳增偉

摘? 要：在對無人機電池管理的調查基礎上，對無人機電池電量采集技術進行了研究。提出了一種通過實時監測無人機各個電池芯電壓，判斷無人機電池的使用狀況、無人機電池的放電平衡狀態及無人機電池的剩余電量的監控系統設計。在故障發生前，進行實時報警，從而避免由于電池性能問題，造成無人機損壞，對無人機電池管理技術具有重要的實際應用意義。

關鍵詞：STM32單片機;無人機電池;液晶觸摸屏

中圖分類號：TP368? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）05-0067-03

Design of UAV Battery Capacity Monitoring System Based on

Single-Chip Microcomputer

WANG Nan，SUN Yujun，WU Zengwei

（Cangzhou Technical College，Cangzhou? 061001，China）

Abstract：Based on the investigation of UAV battery management，research on UAV battery capacity collection technology. A monitoring system design for judging the usage status of the UAV battery，the discharge balance state of the UAV battery and the remaining power of the UAV battery by real-time monitoring of the voltage of each battery cells of the UAV is proposed. Before the failure occurs，a real-time alarm is carried out to avoid damage to the UAV due to battery performance problems，which has important practical application significance for the UVA battery management technology.

Keywords：STM32 single-chip microcomputer;UAV battery;LCD touch screen

0? 引? 言

隨著無人機技術的普及，無人機產業將由現有的單一測繪航測，轉型為應用于交通、物流、礦產、電力、水利、農業、娛樂等多個領域[1]的產業，可以說無人機服務已經進入人們的日常生活。但是在無人機電池的管理上，一直存在著比較大的安全隱患[2]。由于目前無人機電池電量采集技術的相對落后，一旦因為電池電量不足而引起無人機墜毀，將會造成不可估量的損害。因此，及時有效地監測無人機電池的剩余電量，并在故障發生之前，進行實時報警并自救顯得尤為重要。

1? 系統整體功能設計及各子模塊功能說明

本設計是一款基于STM32單片機的無人機電池性能實時線上監測系統。采用AD采集模塊進行無人機電池監測，且連接簡單，拆卸方便，在不破壞原有無人機電池結構的基礎上，提高無人機飛行的安全性。該設計采用在線測量方式，在無人機飛行過程中實時監測無人機電池狀態，能及時準確地掌握無人機電池的性能，快速有效地根據無人機電池狀態控制無人機的飛行狀態。同時無人機電池工作狀況可以實時上報云端，相當于飛行器“黑盒子”數據實時備份到云端，從而進行無人機電池的線上監視，觀察無人機電池電量，并及時報知各芯電壓狀態，保證無人機正常飛行;該裝置也可以對其他多芯鋰電池的各芯電壓狀態進行監測，及時報告無人機電池組的狀態，確保設備正常運行。

因此，本裝置可以應用于缺少電池監視的無人機系統，以保證無人機的安全，具有很好地發展前景和實際應用意義。

1.1? 系統整體功能設計

為了在線有效地對無人機電池電量進行實時線上監測，系統功能需要由多個子模塊協作完成。通過對本系統的整體功能進行分析可以得出，無人機電池性能監測系統主要由STM32主控模塊、無人機飛行器、電池采樣模塊、液晶顯示模塊及無人機控制模塊等共同組成。系統整體原理圖如圖1所示。

1.2? 各子模塊功能說明

1.2.1? STM32主控模塊

STM32主控模塊采用STM32F407VET6單片機芯片，運算速度快、集成度高、擴展性強，負責對采集模塊的數據進行處理，根據各電池芯電量狀態，實時采取相應的控制;本裝置無人機電池采用3芯供電，總電壓標準值11.1 V，滿沖狀態12.6 V，設置保護門限電壓為3.6 V，當無人機電池有一芯電壓低于3.6 V時，保護裝置就會啟動，提示無人機盡快降落，避免墜機風險。

1.2.2? 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊是實現人機交互的重要方式，可以彩色顯示各種信息、清晰度高、功耗低，是常用的顯示設備。另外，此電阻式觸摸屏性能優良、價格低廉，可以作為良好的人機交互界面。本系統采用了自行設計的電阻觸摸屏，利用2.8寸彩色TFTLCD液晶觸摸屏作為系統的人機交互設備，可用于顯示工作狀態及各電池芯電壓狀態以及是否虧電情況，且便于調試工作，也可以在無人機飛行時去掉該模塊，來減輕無人機自身重量。

1.2.3? 電池采樣模塊

電池采樣模塊用于采集無人機電池各芯的電壓信息，該模塊采用大電阻分壓電路，電路簡單可靠、功耗低、成本低。

1.2.4? 無人機控制模塊

無人機控制模塊采用聲音、光電信號，用于提示無人機電池電壓不足或者單芯出現故障等情況。本系統通過ESP8266進行云端連接，實現數據上傳云端，方便遠程監控工作狀態;控制指令可以通過云端下達，實現遠程控制。

2? 系統程序設計

系統在進入工作模式之后，首先程序進行初始化，分別設置中斷優先級與系統時鐘，然后設置串口1與串口3的波特率、數據位、停止位、奇偶校驗、收發等硬件信息，串口1用來進行調試信息，串口3發送無人機電池測試數據;LED初始化，LED用來指示程序運行狀態;LCD初始化，LCD是界面顯示電芯測試信息，為了顯示漢字設置W25Q存放漢字庫;W25Q初始化，完成漢字庫讀寫測試;按鍵初始化，ADC初始化，ADC輸入端連接電芯采樣電路，采集電芯電壓變化信息;機智云初始化，監測裝置通過ESP8266連接機智云，設置機智云對無人機電芯監測裝置的采集數據點，數據傳輸方式、數值類型、讀寫控制等，獲取該設備的Product Key和Product Secret秘鑰。

初始化工作準備就緒后，本裝置連接到機智云，可以實時上傳監測數據，如果硬件存在問題，則輸出錯誤信息，等待故障排除與復位。正常飛行時為了減輕重量可以不接LCD屏，LCD屏用于程序調試方便信息顯示，液晶屏輸出電池信息。采樣電路獲取電池電壓，該模擬量輸入到ADC電路，轉換成數字信息，可以上傳到機智云，方便查詢與記錄，用戶可以通過電腦端分析電芯數據，也可以通過手機APP實時獲取電芯狀態。將測得的數據與設定值進行對比，如果電壓低于設定值，就報警，提示用戶電池處于虧電狀態，及時降落無人機;如果電芯電壓正常就進入循環狀態，繼續監測。

系統的主程序流程圖如圖2所示。

系統主程序重要代碼為：

adcx1=Get_Adc_Average（ADC_Channel_3，20）; LCD_ShowxNum（134，130，adcx1，4，16，0）;

if（adcx1<4096/3.3*3.8/6.17）

LCD_ShowString（30，70，200，16，16，"voltage1 is bad "）;

else

LCD_ShowString（30，70，200，16，16，"voltage1 is good"）;

temp1=（float）adcx1*（3.3/4096）*6.17;

adcx1e=temp1;

LCD_ShowxNum（142，150，adcx1e，1，16，0）;

temp1-=adcx1e;

temp1*=1000;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（158，150，temp1，3，16，0X80）;

delay_ms（250）;

adcx2=Get_Adc_Average（ADC_Channel_4，20）; LCD_ShowxNum（142，170，adcx2，4，16，0）;

if（adcx2<4096/3.3*7.6/6.17）

LCD_ShowString（30，90，200，16，16，"voltage2 is bad "）;

else

LCD_ShowString（30，90，200，16，16，"voltage2 is good"）;

temp2=（float）adcx2*（3.3/4096）*6.2;

adcx2e=temp2;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（142，190，adcx2e，1，16，0）;

temp2-=adcx2e;

temp2*=1000;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（158，190，temp2，3，16，0X80）;

delay_ms（250）;

adcx3=Get_Adc_Average（ADC_Channel_5，20）; LCD_ShowxNum（142，210，adcx3，4，16，0）;

if（adcx3<4096/3.3*11.4/6.17）

LCD_ShowString（30，110，200，16，16，"voltage3 is bad "）;

else

LCD_ShowString（30，110，200，16，16，"voltage3 is good"）;

temp3=（float）adcx3*（3.3/4096）*6.11;

adcx3e=temp3;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（134，230，adcx3e，2，16，0）;

temp3-=adcx3e;

temp3*=1000;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（158，230，temp3，3，16，0X80）;

delay_ms（250）;

3? 關鍵性能指標及整機完成結構圖

3.1? 關鍵性能指標

本設計有以下四個關鍵性能指標：

（1）無人機電池測量裝置連接無人機電池充電接口，對每一個電池芯狀態進行采樣，得到無人機電池的數據，計算無人機電池的剩余電量和剩余使用時間。

（2）各個無人機電池的電芯電壓經過AD轉換，與設置閾值電壓進行比較，根據電壓狀態確定無人機飛行狀態，確保電量降低到一定程度或電芯電壓低于閾值時采取安全措施，確保無人機安全降落。

（3）無人機電池在線監控系統，將無人機電池信息通過無線收發模塊，發送至地面監控裝置，無人機操作人員可以及時有效地掌握電池工作狀態。

（4）機載顯示模塊顯示電池狀態，便于直觀查看電芯信息，為了減輕飛行重量，顯示模塊采用擴展掛載方式，可以去掉顯示模塊。

3.2? 整機完成結構圖

整機完成結構圖如圖3所示，其中包含當前無人機電池的電量等相關采集數據。

4? 主要創新點與可擴展之處

4.1? 主要創新點

本設計有以下四個主要創新點：

（1）本系統對各電芯分別取樣測量，實時監測電池各個電芯，無人機飛行控制器自帶的電池電壓是測量各個電芯串聯的總電壓[3]，單獨測量各個電芯電壓更能準確反映電池性能狀態，如有一個電芯性能降低或者失效[4]，電池保護系統就會啟動[5]，確保無人機飛行安全。

（2）無人機電池充電接口作為采樣點，連接簡單，不破壞電池原有結構。

（3）機載顯示模塊做成可拆卸結構，方便使用，便于減輕無人機的飛行重量。

（4）加入了機智云管理系統，可以線上監控電池電量，保證在無人機安全電量不足時會發出警告。

4.2? 可擴展之處

本設計有以下三個可擴展之處：

（1）該設計采用聲音、燈光提示無人機電池電量不足或者單芯電壓低于門限值，應該采取保護措施，將來可以升級為接入無人機圖傳或者Wi-Fi發送給駕駛員。

（2）采用更精準的取樣電路，進一步提高采樣精度，可以加上接口反接保護措施，避免燒毀電路。

（3）可以設計成小電路板結構，降低重量，有利于增加無人機的飛行時間。

5? 結? 論

本裝置設計了一款基于STM32單片機的無人機電池性能實時線上監測系統。該系統可以通過實時監測無人機各個電池芯電壓情況，來判斷電池使用狀況及電池放電平衡狀態，且能實時監測電池的剩余電量，在故障發生之前，進行實時報警，從而避免由于電池性能問題造成的無人機損壞。該裝置通過進行多次實驗模擬，能夠實時采集無人機電池的電量信息，并根據數據設置相應的閾值，采取相應的措施。故本系統可以做到及時有效地預防無人機由于電池電量不足而導致的墜機問題，具有一定的市場前景和實際應用價值。

參考文獻：

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[2] 許佳松，唐驥釗，李卓恒，等.一種可遠程控制的無人機電池充電管理設備 [J].光源與照明，2020（9）：37-38.

[3] 馬碧芳，何華.基于單片機控制的鋰電池組電路的設計 [J].蘭州大學學報（自然科學版），2014，50（4）：577-580.

[4] 張旭，張一鳴，王亮，等.無人機電池溫控系統設計 [J].電源技術，2015，39（5）：965-967.

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作者簡介：王楠（1986—），女，漢族，河北河間人，講師，碩士，研究方向：電氣工程。