田 侃，張 斌，蔡明揚(yáng)

基于STM32F103RBT6的電池檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

田 侃，張 斌，蔡明揚(yáng)

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103RBT6芯片的電壓及溫度檢測(cè)設(shè)備，詳細(xì)描述了檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)思路，包含系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)。該檢測(cè)儀可以廣泛用于多場(chǎng)景下電池電壓及溫度檢測(cè)，同時(shí)包含友好的人機(jī)交互界面。

STM32F103RBT6 電壓檢測(cè) 溫度檢測(cè)

0 引言

隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，鋰離子電池[1～2]的應(yīng)用也越來(lái)越多，一次鋰原電池組的電壓檢測(cè)[3～5]場(chǎng)景也屢見(jiàn)不鮮。特殊工況下的鋰原電池組存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)，為檢驗(yàn)電池組長(zhǎng)期存儲(chǔ)后的電性能，電壓檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)尤為重要，同時(shí)常用電池檢測(cè)芯片電壓檢測(cè)范圍為0～5 V，該電壓檢測(cè)范圍無(wú)法滿(mǎn)足多個(gè)高電壓（≤50 V）的電壓檢測(cè)，同時(shí)溫度檢測(cè)也存在需要多點(diǎn)檢測(cè)問(wèn)題，本文基于STM32F103RBT6設(shè)計(jì)一種寬電壓（≤50 V）范圍的電壓檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備可同時(shí)檢測(cè)最多10路電壓和基于DS18B20傳感器[6][7]的10路溫度，電壓檢測(cè)精度達(dá)到±50 mv。具備電壓報(bào)警和溫度報(bào)警功能，報(bào)警參數(shù)可設(shè)置。同時(shí)可通過(guò)顯示屏檢測(cè)電池電壓和溫度。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本檢測(cè)儀主要用于電池電壓以及溫度檢測(cè)。檢測(cè)儀對(duì)外輸出維修檢測(cè)接口如表1所示。

主控芯片采用STM32F103RBT6是一款基于ARM的32位微處理器，內(nèi)部集成了USB外設(shè)，是一款基于ARM的32位MCU的閃存，USB，CAN，7個(gè)16位定時(shí)器，兩個(gè)ADC和9個(gè)通信接口的芯片。

方案設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示：

圖1 方案設(shè)計(jì)示意圖

1.1 電池電壓采集功能

通過(guò)模擬電路設(shè)計(jì)，采用10組GS8552精密運(yùn)算放大器組成ADC采集電路，采用兩路電壓跟隨電路，前級(jí)采用分壓電路將電池電壓縮小20倍，然后通過(guò)后級(jí)緩沖器用于提供高輸入阻抗和低輸出阻抗來(lái)緩沖信號(hào)。GS8552為高精度雙通道運(yùn)放，1.5 MHz增益帶寬積, 軌到軌輸入輸出，高精度1 μV(5 μV，Max，25°C) , 低溫漂0.05 μV/℃ (Max.)采集功能采樣電路如圖2所示。放大器回路的輸出接入MCU的ADC輸入口，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換功能。

表1 維修檢測(cè)接口

圖2 電壓采集電路示意圖

1.2 溫度采集功能

溫度傳感器使用單總線(xiàn)溫度測(cè)量芯片DS18B20，該傳感器具有高精度的溫度測(cè)量功能，具有±0.5℃的溫度采集誤差，測(cè)量溫度范圍為-55℃到+125℃，可根據(jù)用于需要通過(guò)配置寄存器設(shè)定ADC轉(zhuǎn)換精度和測(cè)溫速度。芯片內(nèi)置2個(gè)字節(jié)用于保存用戶(hù)自定義信息，掉電不丟失，可以用于保存地址信息。檢測(cè)儀只需要一組3.3 V供電和一個(gè)普通IO口來(lái)實(shí)現(xiàn)與溫度傳感器通訊，最多可與數(shù)百個(gè)溫度傳感器組成總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約布線(xiàn)資源，硬件配置如圖6所示。

圖3 溫度傳感器接線(xiàn)示意圖

1.3 電源設(shè)計(jì)

電源輸入采用220VAC供電，接口采用國(guó)標(biāo)品字型電源插座，帶3A單相2節(jié)交流濾波器，帶AC220V3A保險(xiǎn)絲；采用環(huán)形電源金屬按鈕開(kāi)關(guān)來(lái)控制電源輸入，220 V電源通過(guò)開(kāi)關(guān)電源輸出12 V直流，開(kāi)關(guān)電源為金升陽(yáng)的LM35-20B12，該電源輸入電壓85-264VAC，輸出電壓12V3A，工作溫度范圍-30℃ to +70℃，具有低紋波噪聲，輸出短路過(guò)流過(guò)壓保護(hù)，EMC及安全規(guī)格滿(mǎn)足國(guó)際IEC/EN61000-4、CISPR32/EN55032、IEC/UL/EN62368、IEC/EN60335、GB4943、IEC/EN61558 的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品安全可靠，輸出的直流DC12V給顯示屏和主控單元供電。

圖4 電源供電示意圖

主控單元電源電路原理圖如圖5所示，DC12V通過(guò)防反二極管以及LC濾波器輸入到DCDC控制 回路，控制芯片采用矽力杰的SY8120B1ABC，該芯片功能類(lèi)型降壓型輸入18 V帶使能控制2 A，同步降壓DCDC，高瞬態(tài)響應(yīng)，軟啟動(dòng)防浪涌電流內(nèi)置高精度基準(zhǔn)源，過(guò)流保護(hù)，符合Rohs標(biāo)準(zhǔn)。DCDC回路將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，5 V電壓通過(guò)LDO轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，給單片機(jī)以及外圍電路供電，LDC采用CJT1117B-3.3，該芯片可輸出電流1A，具有75DB@（120 HZ）的電源紋波抑制比，使3.3 V供電具有極小的紋波電壓。

圖5 主控單元電源電路原理圖

1.4 通訊功能

檢測(cè)儀通過(guò)485通訊與上位機(jī)進(jìn)行通訊，通訊回路原理圖如圖6所示。

圖6 485對(duì)外通訊

通訊采用485收發(fā)器，芯片采用杭州瑞盟公司的MS3485，該芯片數(shù)據(jù)速率高達(dá)10 Mbps，工作電壓范圍1.8 V-3.6 V，ESD高達(dá)20 kV，片內(nèi)集成瞬態(tài)保護(hù)功能保護(hù)器件不受IEC61000靜電放電(ESD)和瞬態(tài)放電(EFT)的影響。器件具有寬的共模電壓范圍，這使得此期間適合于長(zhǎng)電纜運(yùn)行上的多點(diǎn)應(yīng)用。485信號(hào)通過(guò)濾波電路到通訊電纜接口，通訊電纜接口并接SM712實(shí)現(xiàn)端口靜電保護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通訊和減少干擾。

1.5 顯示及聲光報(bào)警功能

聲光報(bào)警采用22 mm金屬蜂鳴器帶燈指示器，通過(guò)一路控制即可實(shí)現(xiàn)燈光和蜂鳴功能，指示器外部材質(zhì)為不銹鋼，外殼為PC材質(zhì)，防水等級(jí)IP65，防護(hù)等級(jí)IK09，絕緣電阻≥1 000 MΩ，抗電強(qiáng)度1 000 VAC min，蜂鳴響度60-70 DB，基本滿(mǎn)足現(xiàn)有要求。

顯示屏采用7寸串口屏，型號(hào)為DMG80480T070_A5WTR，該屏工作電源12 V，額定功率小于5 W，通過(guò)485通訊與主控單元通訊，屏幕基于迪文科技自主研發(fā)的T5L1芯片，運(yùn)行DGUS II系統(tǒng)，工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，800×480 分辨率，16.7 M色TN屏，帶三防工藝和外殼，基本滿(mǎn)足現(xiàn)有功能需求。

顯示屏顯示10組電池總壓，10組電池溫度以及溫度傳感器相應(yīng)的位置，并可顯示欠壓、壓差、高溫、低溫報(bào)警提示，屏幕效果圖如圖7所示。

圖7 顯示效果圖

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示

圖8 軟件設(shè)計(jì)流程圖

主控單元上電后，讀取內(nèi)部保存的FLASH參數(shù)（包括報(bào)警觸發(fā)條件），初始化時(shí)鐘、定時(shí)器、IO口、485通訊接口以及ADC采集功能。

初始化完成后，通過(guò)定時(shí)器循環(huán)啟動(dòng)ADC采集、判斷報(bào)警條件、發(fā)送顯示數(shù)據(jù)以及與采集溫度傳感器溫度值。

上位機(jī)通訊主動(dòng)發(fā)送查詢(xún)指令，主控單元接收到查詢(xún)指令后返回電池信息。

2.1 電壓采集軟件設(shè)計(jì)

電壓模擬信號(hào)通過(guò)ADC口輸入到單片機(jī)，單片機(jī)循環(huán)轉(zhuǎn)換ADC值，通過(guò)公式計(jì)算出實(shí)際的電池電壓并進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)10組電壓計(jì)算出壓差和最低電壓值，用于判斷壓差報(bào)警和欠壓報(bào)警。設(shè)計(jì)決策圖如圖9所示。

圖9 電壓采集決策圖

2.2 485通訊功能

檢測(cè)儀有兩組485通訊接口，一組用于與顯示，一組用于連接上位機(jī)，與顯示屏通訊主控單元作為主機(jī)，主動(dòng)發(fā)送顯示數(shù)據(jù)；與上位機(jī)通訊，主控單元作為從機(jī)，接收到上位機(jī)的查詢(xún)指令后反饋相應(yīng)的電池信息。線(xiàn)路示意圖如圖10所示，CSIC內(nèi)部采用UART異步串口連接485收發(fā)芯片，然后通過(guò)485接口與外部設(shè)備進(jìn)行485通訊。

圖10 485通訊示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于ARM芯片STM32F103RBT6，設(shè)計(jì)了一個(gè)寬電壓范圍及溫度檢測(cè)儀，通過(guò)功能測(cè)試，檢測(cè)儀可用于10個(gè)通道以?xún)?nèi)電壓測(cè)量，以及基于DS18B20溫度傳感器的10路以?xún)?nèi)溫度檢測(cè)。根據(jù)實(shí)際需求，可以拓展檢測(cè)更多電壓及溫度以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

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Design of battery detector based on STM32F103RBT6

Tian Kan, Zhang Bin, Cai Mingyang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

1003-4862（2023）11-0043-04

2022-10-08

田侃（1993-），男，工程師，研究方向：電池管理系統(tǒng)。E-mail：kantian0827@163.com