基于STM32的干電池自動回收系統設計

紀涵婷，吳偉東，李 權，黃作耀，朱曉君

（1.江西理工大學 軟件工程學院，江西 南昌 330013；2.江西理工大學 能源與機械工程學院，江西 南昌 330013）

0 引 言

在我國，干電池生產和消費的數量逐年增加，但廢舊電池的回收利用率卻很低。“十四五”規劃明確提出要加強大宗固體廢棄物綜合利用，規范發展再制造產業。由此可見，實現集中回收和循環利用廢舊電池具有重要的戰略應用價值。

從我國目前的廢舊電池回收狀況來看：用戶囤積了大量廢舊電池無處安置或隨意遺棄；廢舊電池處理廠擁有良好的回收處理技術，但廢電池供應量不足?，F有技術中，廢舊干電池回收系統尚不成熟，也未得到推廣，廢舊電池大多采用回收箱或垃圾箱收集，形式單一，且較為“低能”。為了解決以上問題，本文設計了基于STM32的干電池自動回收系統，通過以STM32為核心的電池電量檢測模塊測量電池的剩余電量，并將其與設定的閾值比較，判斷電池是否需要回收，若檢測到電池電量小于閾值，則電機工作回收電池。電池電量和回收信息通過串口顯示于顯示屏，或通過藍牙傳輸至用戶智能終端。實驗結果表明，所設計系統測量電池電量準確穩定，可用于區分新、舊、廢三類干電池，并應用于電池檢測回收售賣一體機等，提高廢舊電池回收率。

1 系統總體設計

干電池自動回收系統主要包括檢測電池電量、實時發送與顯示數據、自動回收等功能，其整體結構如圖1所示，包含電池電量檢測模塊、信息顯示模塊與自動回收模塊等。STM32F103控制器是干電池自動回收系統的控制主體，用于測量干電池剩余電量、控制數據傳輸和啟動電機。將電池插入電池槽內，待系統初始化完成后，STM32F103開始檢測是否有輸入電壓，即是否有電池插入。若未檢測到電池插入，則控制顯示屏顯示提示語，提醒用戶接入電池；若檢測到有電池插入，則對輸入電壓進行放大、濾波、A/D轉換、計算等處理，然后將計算的電池剩余電量與設定的閾值比較，小于閾值則電池需要回收，此時，STM32會將電量與回收信息實時傳輸至顯示屏和用戶智能終端顯示，同時控制繼電器啟動電機，進行電池回收動作。

圖1 系統結構框架

2 系統硬件設計

2.1 電量檢測模塊

電量檢測模塊的主處理器為意法半導體出品的STM32F103C8T6芯片。這款芯片使用基于ARM-V7最新、具有先進架構的Cortex-M3 內核，可實現單周期的乘除法運算。STM32F103芯片工作電壓為3.3 V，功耗低，其豐富的接口便于顯示屏LCD1603、藍牙、繼電器等接入。STM32內 部 集成定時器、CAN、ADC、SPI、IC、USB、UART等多種外設功能，其中，ADC在電池電量測量中用于對輸入的模擬電壓采樣、量化、編碼，將模擬電壓量轉換為數字量進行電量計算。圖2為STM32F103芯片及干電池分壓電路。在輸入電壓A/D轉換前，需要先對輸入電壓進行放大處理，然后用2個串聯的10 kΩ電阻對其進行分壓，防止電壓過度增高，以保護電路。干電池分壓電路通過PA0接口與STM32F103連接。STM32F103內部寫入已編譯的干電池自動回收系統程序，當系統啟動后，將按照系統程序執行電量檢測計算、數據傳輸、驅動繼電器等事件。

圖2 STM32F103芯片及干電池分壓電路

2.2 信息顯示模塊

信息顯示模塊由LCD顯示屏、藍牙和用戶智能終端組成，用于顯示電池的當前電壓、電量以及是否需要回收等信息，便于用戶查看。

（1）LCD顯示屏選用字符型LCD1602，其作為顯示器件輸出信息，具有體積小、功耗低、顯示容量大、無需外加驅動電路等優點。此外，LCD1602顯示容量為16×2個字符，用于顯示電池回收信息。

（2）自動回收系統采用JDY-30 SPP藍牙模塊進行無線網絡通信，藍牙模塊是指集成藍牙功能的芯片基本電路集合。JDY-30透傳模塊基于藍牙3.0協議標準，工作頻段為2.4 GHz，具有信號強、性能穩定等特性，數據傳輸速度快，支持串口連續向智能終端發送數據，100%不丟包。用戶通過串口和藍牙芯片通信，當藍牙模塊與智能終端連接成功后，進入數據透傳模式，實時傳送電池信息。圖3為JDY-30 SPP藍牙模塊電路，其中，RXD為串口輸入，TXD為串口輸出。

圖3 JDY-30 SPP藍牙模塊電路

2.3 自動回收模塊

自動回收模塊需通過STM32驅動繼電器，再由繼電器控制電機開關實現回收功能。在本系統中，電機為SRD-05VDC-SL-C繼電器的直流負載，一般情況下，負載接在繼電器上需要外部供電，接線較為麻煩。基于此，設計了DC電源-負載轉接控制板，繼電器和電機分別接在轉接控制板兩端，繼電器通過轉接控制板可以控制電機的開關，避免電機外部接線的麻煩。圖4為DC電源-負載轉接控制板原理，其中，DC接口為電源的直流插座。為給控制板供電，可以使用USB電源線，使其一端插在直流插座上，另外一端插在5 V或12 V直流電源上，如電腦USB、充電寶、手機充電器等；LED為紅色LED燈，作為系統是否上電的指示燈，1 kΩ電阻用于限流保護LED燈，防止電流過大燒壞LED燈。SW為自鎖開關，開關按下后，紅燈亮，此時系統電源5 V直流輸出。開關再次按下后，紅燈滅，此時系統電源無5 V電壓輸出。繼電器輸出有3個端子，即常開點、公共端和常閉點，J1端子可以外接在繼電器的常開點和公共端或常閉點和公共端，當轉接控制板上電時，即可通過繼電器控制電機的開關，J2為電機接口。

圖4 DC電源-負載轉接控制板原理

圖5為繼電器電路原理。打開轉接控制板開關，當STM32檢測到接入電池的剩余電量小于設定的電池容量最小閾值時，LED亮黃燈，表示電池正在回收，此時STM32通過三極管驅動繼電器，繼電器再通過轉接控制板啟動電機，以實現電池的回收。

圖5 繼電器電路原理

3 系統軟件設計

3.1 電量檢測軟件設計

電池電量檢測的物理量是電池剩余容量或剩余容量與總容量的百分比。電池總容量的測量主要采用電池恒阻和恒流放電法，近似為電池的放電電流與放電時間的乘積，放電時長接近1 200 h，且屬于破壞性實驗。因此，直接測量電池總容量和剩余容量的方法顯然不可取。研究表明，不同的恒流放電電池的剩余電量與總電量之比和剩余電壓與總電壓差之比的關系曲線相同，而且不同型號的電池也相同。電池的總電量和總電壓為電池固有參數，只需要測量電池的剩余電壓便可求得電池的剩余電量和剩余電量百分比。

輸入電壓放大后，通過ADC將模擬電壓量（）轉換為數字量（），STM32內部的ADC為12位，則0～2之間的每一個數值都對應著0～3.3 V之間的電壓值。由于電池電壓在分壓電路中被電阻分壓，因此電池的實際電壓為測得電壓的2倍。為了使數據更加準確，對電池輸入電壓進行多次測量求平均值，數字電壓量可表示為：

式中，為每次測量的輸入電壓模擬量，取1～10。得到輸入電壓的數字量后，便可求得電池的剩余電量百分比（Remaining Power Ratio, RPR）：

式中：為電池剩余電量；為總電量；為剩余電壓；為總電壓。由于電池無法供電時的電壓并不為0，此時的電池電壓為截止電壓，因此為測量電壓U與截止電壓之差，為初始電壓與截止電壓之差。初始電壓和截止電壓均為已知參數。將電池剩余電量RPR與系統設定的電量閾值進行比較，當RPR大于閾值時，電池無需回收；反之，則需要回收。最后，STM32生成并輸出回收信息。電量檢測流程如圖6所示。

圖6 電量檢測流程

3.2 藍牙通信軟件設計

本系統采用基于SPP協議（Serial Port Profile, SPP）的藍牙裝置，能與具備藍牙功能的智能終端創建串口連接并進行數據傳輸。具體步驟：打開已安裝在智能手機中的安卓APP—藍牙串口，點擊“連接設備”，選擇配對“JDY-3-SPP”，APP通過調用手機藍牙主動連接藍牙模塊建立無線通信。設備顯示“已連接到JDY-3-SPP”后，電池的回收信息將通過藍牙實時傳輸至智能手機端。若用戶需要更改電池電量回收的閾值，可在發送區輸入數值，點擊“Send”將數值發送至STM32微控制器，即完成閾值的更改。藍牙連接手機界面如圖7所示。

圖7 藍牙連接手機界面

4 系統測試

4.1 實驗參數選取

經過對不同型號電池的初始電壓和截止電壓的比較，發現初始電壓大于1.6 V、截止電壓大于0.9 V的電池較為普遍，因此設定公式（2）中為1.6 V，為0.9 V。在實際應用中，電池RPR的閾值可根據實際情況設置，本次測量設定RPR閾值為40%，根據公式（2）轉換后，得到電池的最大回收電壓為1.18 V。系統實物如圖8所示。

圖8 干電池回收系統實物

4.2 實驗結果分析

為驗證本文系統的穩定性，選用3種不同型號電池，使用干電池回收系統多次測量7個電池的電壓（）和剩余電量百分比（RPR），分別求取平均值（, RPR），并計算電壓方差（），實驗數據見表1所列。

由表1可知，回收系統測量得到的電池電壓值精確到10，且各電池電壓的方差（）均在8.87×10以內，說明本回收系統測量電池電壓時波動較小，穩定性好。同時，為了檢測回收系統測量的準確性，利用萬用表分別測量7個電池兩端的電壓，并與表1中回收系統測量的電壓平均值進行比較，實驗結果見表2所列。對比回收系統與萬用表的測量值，發現回收系統測量電壓（）和萬用表測量電壓（）相對誤差在1.1%以內，如圖9所示。實驗結果表明，本系統檢測電池電壓準確性較高。

表1 不同品牌型號電池測量數據

表2 回收系統與萬用表電池電壓數據對比

圖9 回收系統與萬用表對比折線圖

5 結 語

本文設計了一種基于STM32的干電池回收系統。電池接入系統后，通過電量檢測模塊對電池輸入電壓進行A/D轉換及電量計算，檢測到電池剩余電量小于設定閾值時，則STM32控制繼電器啟動電機，進行電池回收，電池的電壓、剩余電量百分比及回收信息將通過串口顯示于顯示屏，或通過藍牙透傳至用戶智能終端。對本系統進行測量實驗，結果表明，本電池回收系統具有測量數據準確、運行穩定等特點，可用于集中回收和循環利用廢舊電池、電池檢測回收售賣一體機等，具有一定的應用價值。