鐘志賢，劉 珺，包愛民，姜 維，繆 蕊

（昆明冶金高等?？茖W校網(wǎng)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(huán)保等優(yōu)點，故其作為控制系統(tǒng)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(huán)境溫度等因素會對鋰電池的性能產(chǎn)生影響，甚至會造成漏液、變形、內(nèi)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(jié)/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(lián)使用。就一般控制系統(tǒng)來說，常用的電源電壓為12 V、5 V 和3.3 V，需要3～4節(jié)/片鋰電池串聯(lián)起來使用。單節(jié)/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(lián)而成的，用戶可以根據(jù)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(tǒng)中使用到的航模3S 聚合物鋰電池保護問題，設計實現(xiàn)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(shù)控制系統(tǒng)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(zhuǎn)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(qū)動電路等。報警器的系統(tǒng)結構示意圖如圖2 所示。

圖2 報警器系統(tǒng)結構示意圖

2 硬件系統(tǒng)

2.1 單片機的選擇及最小系統(tǒng)

報警器硬件系統(tǒng)主控芯片采用STC 生產(chǎn)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(yōu)點，是新一代的8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)單片機的8051，但是速度是傳統(tǒng)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(jù)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，F(xiàn)lash 程序存儲器字節(jié)為4kB，256 字節(jié)的SRAM，兩個定時器T0、T1，8 路8 位AD 轉(zhuǎn)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(tǒng)時鐘源可選擇采用外部高精度晶體/時鐘或內(nèi)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(tǒng)時鐘精度要求不高，為減小硬件體積選擇使用內(nèi)部R/C 振蕩器時鐘。當使用內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)絡標號VCC 所示，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片HT7533 將電壓轉(zhuǎn)為3.3 V 供單片機使用，網(wǎng)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(xiàn)在要測量的是一個3S 電池，單片鋰電池的額定電壓已經(jīng)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(wǎng)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(fā)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?？梢酝ㄟ^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(tài)。當電池電壓出現(xiàn)異常時，可配合蜂鳴器進行聲光報警。LED 燈組及蜂鳴器驅(qū)動電路如圖6 中LS1、D1～D6 所示，R1～R6為發(fā)光二極管的限流電阻。驅(qū)動蜂鳴器的管腳（網(wǎng)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(qū)動電路

3 軟件系統(tǒng)

3.1 STC單片機開發(fā)/編程工具

STC 單片機的開發(fā)環(huán)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(diào)試等于一體[14]。

初次安裝軟件中可能沒有STC 的數(shù)據(jù)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(fā)，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(zhuǎn)換控制寄存器

sfr ADC_RES=0XBD；//AD 轉(zhuǎn)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(yōu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換線，同時需要安裝相關驅(qū)動程序。硬件連接示意如下：

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

2）STC 單片機RXD(P3.1)—RS232 轉(zhuǎn)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(tǒng)可編程特性，內(nèi)部具有ISP 系統(tǒng)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(nèi)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(fā)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(nèi)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(zhuǎn)換口在P1 口（P1.7-P1.0），為8 路8 位高速A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，不需要進行A/D 轉(zhuǎn)換的口可以繼續(xù)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(zhuǎn)換使用。

A/D 轉(zhuǎn)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(wǎng)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(jù)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(jù)實際測試及使用經(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(xù)硬件系統(tǒng)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(tǒng)相關的軟硬件只需簡單升級即可。