劉劍光，李 慧，張 育，劉宏華

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

0 引 言

現(xiàn)有技術(shù)條件下，在傳統(tǒng)的能量供應(yīng)系統(tǒng)中，電池作為主要的儲能單元廣泛使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的需求，超級電容器[1]因其容量大、壽命長、可提供短時間的高功率脈沖、放電速度快、工作溫度范圍寬、可串并聯(lián)使用等優(yōu)點而備受關(guān)注。STM32F103系列是常用的基于ARM核心的增強(qiáng)型微控制器，芯片集成有USB、定時器、I2C、UART等多種功能，非常適合作為應(yīng)用控制的編程芯片。ADXL345是一種常用的三軸數(shù)字加速度計，分辨率高，測量范圍大，配合陀螺儀ITG3205使用，可以測量運動的動態(tài)加速度和傾斜角度，非常適合移動設(shè)備應(yīng)用。

本文通過電路對超級電容器組進(jìn)行電壓控制，基于STM32F103控制芯片，對加速度計和陀螺儀芯片采集運動設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行處理判斷，通過控制繼電器的開關(guān)實現(xiàn)對超級電容器的充/放電管理。

1 系統(tǒng)組成

能量管理器系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：超級電容器組及其控制電路、數(shù)據(jù)采集、中控模塊和保護(hù)繼電器，如圖1所示。

超級電容器組包括并聯(lián)的兩組超級電容器組，其中一組包括串聯(lián)的6個功率型超級電容器，另一組包括串聯(lián)的6個能量型超級電容器。每個功率型電容器和能量型電容器分別設(shè)置有獨立電壓控制電路。兩組超級電容器組并聯(lián)，與保護(hù)繼電器串聯(lián)后接入用電設(shè)備的充放電電路。在用電設(shè)備工作時提供大部分能量，降低電池等蓄電設(shè)備的電流能量輸出壓力。用電設(shè)備啟動后，它的發(fā)電部分可對超級電容器組快速充電。

數(shù)據(jù)采集模塊采用加速度計ADXL345和陀螺儀ITG3205實時監(jiān)控采集設(shè)備的運動信息，并將運動信息發(fā)送到中控模塊；中控模塊基于STM32F103RE芯片，根據(jù)上述運動信息判斷設(shè)備的運動狀況，控制保護(hù)繼電器的通斷，實現(xiàn)自動供/斷電。其中，保護(hù)繼電器與超級電容器組串聯(lián)。模塊供電既可使用超級電容器，也可使用設(shè)備蓄電池。

圖1 超級電容器能量管理器組成

2 硬件設(shè)計

2.1 超級電容器及電壓控制

超級電容器由兩種電容混合組成，其兩級主要由具有高比表面積的活性炭（AC）電極材料組成。根據(jù)內(nèi)部電極材料的不同，超級電容器分為功率型和能量型兩類。功率型超級電容器工作范圍較寬，內(nèi)阻較小，可以大電流充放電，是瞬間大功率應(yīng)用的優(yōu)選方案；能量型超級電容器在功率型超級電容器的基礎(chǔ)上，電極材料中加入了鋰（Li）材料，自放電和漏電流相比電池小很多，甚至在溫度惡劣的環(huán)境下，能長時間保持較高電量。將二者合并使用，可瞬間放電，同時壓降較小。

兩個超級電容器組各包括六個超級電容器，每個超級電容器配置獨立的電壓控制，主要通過并聯(lián)穩(wěn)壓電路完成。該穩(wěn)壓電路包括可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成芯片、兩個三級管、電壓調(diào)整電阻網(wǎng)以及若干限流電阻[2]。

如圖2所示，其中Q1為可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成芯片，內(nèi)部含有一個2.5 V的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)在調(diào)整端引入輸出負(fù)反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流控制輸出電壓。超級電容器的最大輸出電壓為2.7 V，為安全起見，將該電壓定位2.67 V。六個超級電容器串聯(lián)后，超級電容器組最大輸出電壓為16.0 V。

圖2 超級電容器電壓控制電路

除了基準(zhǔn)電壓源Q1外，并聯(lián)三極管D1，以及在三級管D1集電極端串聯(lián)三極管D2組成達(dá)林頓管進(jìn)行擴(kuò)流，組成大電流的基準(zhǔn)電壓源。這樣電流放大倍數(shù)是D1和D2的放大倍數(shù)乘積。當(dāng)加載在超級電容器上的電壓高于設(shè)定的基準(zhǔn)電壓時，一部分電壓經(jīng)R4～R7大功率電阻卸放，大部分經(jīng)三極管D1、D2卸放。并聯(lián)后的超級電容器組的正極串入一個熔斷絲，在負(fù)載設(shè)備有短路等故障產(chǎn)生時，及時切斷電路保護(hù)超級電容器組安全，再串入一個大電流保護(hù)繼電器，繼電器的開啟由中控模塊統(tǒng)一控制。超級電容器組采集超級電容器監(jiān)控電壓，輸出至發(fā)光二極管，以指示工作狀態(tài)。

2.2 中控及數(shù)據(jù)采集

中控電路采用基于ARM核心的STM32F103RE芯片，通過I2C總線連接數(shù)據(jù)采集芯片，根據(jù)采集的加速度和角速度信息，經(jīng)過判斷控制兩個MOS管的通斷，進(jìn)而控制保護(hù)繼電器的開關(guān)，如圖3所示。

STM32F103RE芯片使用GPIO端口連接ADXL345和ITG3205。遵循I2C總線協(xié)議規(guī)定，使用兩電阻把總線電平拉高至3.3 V。芯片使用GPIO端口PB12和PC5分別連接MOS管Q1和Q2的G極。MOS管BSS138N的S極接地，D極一路通過連接電阻接至8 V電壓，另一路連接繼電器。ARM芯片不間斷重復(fù)讀取加速度計采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合陀螺儀采集的信息進(jìn)行調(diào)整，判斷設(shè)備的狀態(tài)。通過設(shè)置PB12和PC5管腳的0/1電平，控制MOS管BSS138N的開關(guān)，從而控制繼電器關(guān)斷。

ADXL345采集設(shè)備X、Y和Z軸的線性動作加速度數(shù)據(jù)[3]和ITG3205采集設(shè)備偏轉(zhuǎn)、傾斜時的角速度數(shù)據(jù)，通過總線發(fā)送給ARM芯片，作為判斷設(shè)備狀態(tài)的依據(jù)，如圖4所示。

圖3 中控模塊及外圍電路

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊電路

模塊供電采用兩種方式，一是使用超級電容器供電，電壓為15 V，緩慢掉電時不影響控制模塊性能；二是使用設(shè)備蓄電池供電，電壓約為12 V。ARM芯片、加速度計和陀螺儀芯片工作電壓為3.3 V，因此電路中采用了集成穩(wěn)壓器。

2.3 集成穩(wěn)壓器

集成穩(wěn)壓器與超級電容器組、中控模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊連接。集成穩(wěn)壓器包括78M08穩(wěn)壓器、78M05穩(wěn)壓器和LM1117-3.3芯片。通過78M08穩(wěn)壓器保證前端電壓在10～15 V變動時，穩(wěn)定輸出8 V電壓；通過78M05穩(wěn)壓器和LM1117-3.3芯片配合使用，78M05穩(wěn)壓器穩(wěn)定輸出5 V電壓，LM1117-3.3芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，供ARM芯片、加速度計和陀螺儀使用。

3 軟件設(shè)計

軟件部分主要是對STM32F103RE的程序控制，采用C語言設(shè)計，具體模塊包括配置ARM芯片、配置加速度計、陀螺儀、采集數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換、輸出顯示和電平控制。首先，程序?qū)﹄娐分行枰褂玫馁Y源進(jìn)行初始化，對時鐘和定時器配置用于延時控制，GPIO配置用于管腳輸出電平控制和I2C總線模擬，USART配置用以控制芯片和計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，ADXL345和ITG3205初始化定義器件內(nèi)部地址和總線地址。其次，設(shè)定延時，采用固定時間間隔的方式讀取加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)，再對采集到的三軸X、Y、Z原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理（取余運算、角度換算等）。最后，通過串口把處理后數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)顯示，同時按照預(yù)設(shè)的閾值控制GPIO輸出0/1電平，控制MOS管通斷，進(jìn)而控制保護(hù)繼電器開關(guān)[4]。

由于STM32的片內(nèi)外設(shè)I2C模塊直接使用存在問題，因此程序中使用GPIO模擬了I2C總線的數(shù)據(jù)和時鐘，保證了控制芯片和采集芯片的良好通信。

4 結(jié) 論

本文通過基于STM32F103RE芯片的電壓控制電路，對超級電容器組進(jìn)行能量輸出控制，實現(xiàn)了超級電容器組為運動設(shè)備供電或通過設(shè)備為其充電的操作?？刂齐娐分械臄?shù)據(jù)采集模塊使用三軸數(shù)字加速度計ADXL345和三軸MEMS陀螺儀ITG3205，采集用電設(shè)備的信息，并將信息發(fā)送到中控模塊；中控模塊根據(jù)信息判斷用電設(shè)備的狀態(tài)，控制保護(hù)繼電器的通斷，實現(xiàn)了電容器組的精確實時控制。本文的超級電容器能量管理器可以在提供瞬間大電流放電的同時，保證相對高的電量和相對較小的壓降，已在運動設(shè)備上進(jìn)行了測試驗證。