王 星，杜春平，夏騰輝，王 高，鄒茂雨

（1.國(guó)家電網(wǎng)湖北省電力有限公司通山縣供電公司，湖北 通山 437600；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院工程綜合訓(xùn)練中心，廣西 桂林 541004；3.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；4.桂林航天工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

無(wú)人機(jī)的價(jià)值在于形成空中平臺(tái)能結(jié)合其他部件擴(kuò)展應(yīng)用，替代人類(lèi)完成空中作業(yè)[1]。無(wú)人機(jī)也越來(lái)越普及，如“大疆”系列的無(wú)人航拍飛行器及其他企業(yè)的飛行器等[2]。無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，但存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)，續(xù)航短[3]；無(wú)人機(jī)飛行的動(dòng)力來(lái)自蓄電池，受限于已有的電池技術(shù)，電池的體積比重相對(duì)比較大，一塊小小的電池比同體積的其他物體重好幾倍。電池不能做得很大，因此，一塊電池能為無(wú)人飛機(jī)提供的電能是有限的，在使用時(shí)需備有多塊電池[4]。有經(jīng)驗(yàn)的操控者也會(huì)忘記對(duì)電池的維護(hù)，導(dǎo)致電池在放置一段時(shí)間后性能下降或者出現(xiàn)不能使用的情況。本文的電池智能維護(hù)系統(tǒng)可以幫助用戶(hù)、高校實(shí)驗(yàn)室及其他機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室智能維護(hù)電池，降低電池報(bào)廢率和保護(hù)工作環(huán)境等。

1 無(wú)人機(jī)電池智能維護(hù)系統(tǒng)整體方案

無(wú)人機(jī)電池的智能維護(hù)系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1 所示。左邊為電池放電區(qū)域和繼電器控制區(qū)域，右邊為電池充電區(qū)、單片機(jī)主控區(qū)、屏幕顯示區(qū)和語(yǔ)音提示區(qū)[5]。電池放電區(qū)包含一個(gè)33 Ω10 W的電阻、散熱片和散熱風(fēng)扇，這個(gè)組成可以讓電池在放電維護(hù)中放電電阻溫度處于一個(gè)正常的范圍。電池充電區(qū)放置了一塊LM2596 模塊和電池充電穩(wěn)壓電路，分別為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的充電電壓和穩(wěn)定電池的單片電壓。單片機(jī)主控區(qū)域放置了一塊STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供控制信號(hào)和處理傳感器獲取的數(shù)據(jù)。屏幕顯示區(qū)放置了一塊0.96 寸的OLED 屏幕，顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和電池的狀況。語(yǔ)音提示區(qū)域放置了一個(gè)喇叭為系統(tǒng)提供語(yǔ)音提示。

圖1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體

無(wú)人機(jī)電池智能維護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。系統(tǒng)整體由電源模塊、主控模塊、顯示模塊、電池電壓測(cè)量模塊、溫度檢測(cè)模塊、提示模塊、放電散熱模塊和外部控制模塊組成[6]。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案整體

電源部分是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，主要由恒壓及恒流源模塊、降壓模塊和穩(wěn)壓模塊構(gòu)成，為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供電源[7]。單片機(jī)主控為一塊STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供控制信號(hào)和處理傳感器獲取的數(shù)據(jù)；顯示模塊采用的是一塊0.96 英寸的OLED 的屏幕，可以顯示系統(tǒng)溫度和電池電壓的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息；測(cè)量模塊采用單片機(jī)內(nèi)置的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓數(shù)據(jù)的測(cè)量；檢測(cè)模塊采用比較常規(guī)的DS18B20 溫度傳感器對(duì)電池溫度、放電溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量；外部控制模塊由繼電器組成，主要對(duì)電池的充電和放電進(jìn)行控制；提示模塊為JQ8400 語(yǔ)音模塊，主要為系統(tǒng)提供系統(tǒng)溫度異常和電池電壓異常報(bào)警音；放電散熱模塊由功率10 W 的放電電阻、散熱風(fēng)扇和40 mm×40 mm 的散熱片組成，通過(guò)散熱片和風(fēng)扇有效地保證了電池放電散熱在一個(gè)正常的溫度范圍[8]。

1.1 電源模塊

電源部分是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，主要由恒壓及恒流源模塊、降壓模塊和穩(wěn)壓模塊構(gòu)成。系統(tǒng)恒壓及恒流源模塊由型號(hào)S-75-24 開(kāi)關(guān)可調(diào)電源模塊構(gòu)成，輸入為交流220 V，輸出為24 V，實(shí)物圖如圖3（a）所示；LM2596 模塊電路，有很寬的電壓輸入范圍和很寬的輸出電壓范圍，帶負(fù)載能力強(qiáng)，具體電路如圖3（b）所示；LM7805 模塊電路的輸出電壓穩(wěn)定為5 V，輸出電流的最大電流為1.5 A，具體電路如圖3（c）所示。

圖3 電源模塊

1.2 顯示模塊

OLED 顯示模塊具有不需要背光源、對(duì)比度高、厚度薄、反應(yīng)速度快、溫度范圍廣、適用范圍廣以及功耗低等特點(diǎn)，OLED12864 顯示模塊具有以上的所有特點(diǎn)，但也有顏色單一、一行只能顯示8 個(gè)漢字或者16 個(gè)英文或數(shù)字的局限性；模塊的有很多重針腳封裝，常見(jiàn)的有6腳、7 腳SPI 總線的封裝和4 腳的通過(guò)I2C 總線的封裝，其中4 腳I2C 總線的模塊1 號(hào)陣腳為公共地端，2 號(hào)引腳為電源端口可以輸入3.3 V 或者5 V 的電壓，3 號(hào)引腳和4 號(hào)引腳為總線引腳，工作溫度范圍為0 ～60 ℃，模塊如圖4（a）所示。

1.3 檢測(cè)模塊

系統(tǒng)檢測(cè)部分主要為溫度傳感器檢測(cè)電池溫度、環(huán)境溫度以及檢測(cè)由放電電阻、風(fēng)扇和散熱片組成的散熱系統(tǒng)的溫度。

DS18B20 測(cè)溫傳感器是應(yīng)用廣泛的傳感器，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、硬件成本低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合改變封裝等等，可以檢測(cè)-55℃～125 ℃的溫度值，精度為0.0625 ℃，模塊比較簡(jiǎn)單，模塊電路圖如圖4（b）所示。

1.4 測(cè)量模塊

測(cè)量外部電池電壓是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的部分之一，常用的測(cè)量外部電壓模擬信號(hào)的傳感器有PCF 8591AD/DA 轉(zhuǎn)換芯片、XPT2046 AD/DA 轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)芯片集成的AD/DA 等。

單片機(jī)自帶的ADC 數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器最大支持輸入的電壓為3.3 V，而實(shí)際要測(cè)量的電池總電壓以及電池單片電壓都超過(guò)單片機(jī)ADC 控制器的能力，因此需要外部分壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓信號(hào)的測(cè)量。外部分壓電路很簡(jiǎn)單，有兩個(gè)電阻組成，兩個(gè)電阻共同對(duì)輸入的電池電壓進(jìn)行分壓，單片機(jī)IO 口接在其中一個(gè)較小的電阻上，具體電路如圖4（c）所示。

1.5 外部控制模塊

系統(tǒng)的外部控制部分主要由繼電器開(kāi)關(guān)模塊和充電管理模塊電路構(gòu)成；主控單片機(jī)通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)控制充電管理模塊電路通電還是斷電也意味著是否對(duì)電池進(jìn)行充電，控制著外部電池放電電路以及散熱風(fēng)扇的開(kāi)啟和關(guān)閉。繼電器的控制電路組成非常簡(jiǎn)單，電路如圖4（d）所示。

1.6 提示模塊

提示部分是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用戶(hù)交互的重要部分；硬件電路采用蜂鳴器模塊電路，其主要為系統(tǒng)提供系統(tǒng)溫度異常和電池電壓異常報(bào)警音；JQ8400 語(yǔ)音提示模塊主要為用戶(hù)提示各個(gè)界面的操作以及功能，增加系統(tǒng)使用的舒適性和增進(jìn)用戶(hù)的使用體驗(yàn)。JQ8400 模塊如圖4（e）所示。

圖4 模塊組成

1.7 放電散熱模塊

放電散熱部分是系統(tǒng)電池智能放電維護(hù)的核心，其結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，主要由功率10 W 的放電電阻、散熱風(fēng)扇和40 mm×40 mm 的散熱片組成，其中功率為10 W 阻值為33 Ω 的電阻在3 s 鋰電池放電的情況下，電阻上的消耗功率在5 W 左右，通過(guò)散熱片和風(fēng)扇有效地保證了電池放電散熱在一個(gè)正常的溫度范圍，模塊簡(jiǎn)圖如圖4（f）所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要包括OLED 顯示設(shè)計(jì)、計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)、電池電壓測(cè)量設(shè)計(jì)、溫度測(cè)量設(shè)計(jì)、語(yǔ)音播報(bào)設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)等等，程序具體運(yùn)行的流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3 測(cè)試與分析

供電模塊、OLED 顯示模塊、外部控制模塊、放電模塊、充電管理模塊和語(yǔ)音提示模塊共同組成了電池智能維護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)的整個(gè)硬件模塊如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物整體

3.1 實(shí)物測(cè)試

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)經(jīng)初始化后進(jìn)入歡迎界面，屏幕會(huì)顯示“歡迎使用無(wú)人機(jī)電池智能維護(hù)系統(tǒng)”，同時(shí)會(huì)有語(yǔ)音提示“歡迎使用無(wú)人機(jī)電池智能維護(hù)系統(tǒng)”，如圖7（a）所示。歡迎界面過(guò)后進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)判斷界面，主控會(huì)對(duì)采集到的電池電壓和電池溫度進(jìn)行判斷，屏幕顯示電池電壓和電池溫度狀態(tài)是否正常，語(yǔ)音模塊會(huì)對(duì)電池狀態(tài)正常和異常進(jìn)行提示，如圖7（b）所示。在電池各項(xiàng)狀態(tài)正常后，系統(tǒng)進(jìn)入各項(xiàng)維護(hù)參數(shù)設(shè)定界面，語(yǔ)音模塊會(huì)提示可以通過(guò)按鍵對(duì)自動(dòng)維護(hù)時(shí)間、放電溫度和放電最低電壓閾值進(jìn)行設(shè)定，屏幕界面如圖7（c）所示。在完成各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)保存設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行保存，之后進(jìn)入電池參數(shù)展示界面，如圖7（d）所示。20 s 后自動(dòng)進(jìn)入電池單片電壓展示界面，如圖7（e）所示。在20 s后進(jìn)入系統(tǒng)各項(xiàng)溫度展示界面，展示環(huán)境溫度、電池溫度和放電溫度，如圖7（f）所示。

最后進(jìn)入功能選擇界面，可以通過(guò)按鍵選擇充電維護(hù)還是放電維護(hù)，同時(shí)語(yǔ)音模塊會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音提示，如果1 min 內(nèi)沒(méi)有操作則自動(dòng)進(jìn)入放電維護(hù)，如圖7（g）所示。如果按鍵一按下則進(jìn)入充電維護(hù)界面，展示電池當(dāng)前電壓、電池充電溫度、環(huán)境溫度和電池每片電壓，如圖7（h）所示。系統(tǒng)進(jìn)入電池充電維護(hù)后，主控通過(guò)外部控制繼電器接通了外部電源和電池，電池便開(kāi)始進(jìn)行充電維護(hù)。待電池電壓達(dá)到滿(mǎn)電電壓后會(huì)經(jīng)過(guò)3 次判斷，如果電池電壓還是接近滿(mǎn)電電壓，語(yǔ)音模塊會(huì)提示電池充電維護(hù)完成，系統(tǒng)進(jìn)入充電維護(hù)完成界面，如圖7（i）所示。如果按鍵二按下則進(jìn)入放電維護(hù)界面，顯示電池當(dāng)前電壓、電池放電溫度、散熱電阻溫度和電池每片電壓，如圖7（j）所示。系統(tǒng)進(jìn)入電池放電維護(hù)后，主控通過(guò)外部控制繼電器接通了放電電阻和電池，電池便開(kāi)始進(jìn)行放電維護(hù)，待電池電壓達(dá)到設(shè)定的維護(hù)電壓并經(jīng)過(guò)3 次判斷后，如果電池電壓還是接近設(shè)定的維護(hù)電壓，語(yǔ)音模塊會(huì)提示電池充電維護(hù)完成，系統(tǒng)進(jìn)入充電維護(hù)完成界面，如圖7（k）所示。

圖7 實(shí)物測(cè)試分布

3.2 測(cè)試與分析

在電池電壓的測(cè)量上，單片機(jī)測(cè)量的電池電壓會(huì)存在一個(gè)浮動(dòng)的電壓值，測(cè)量的電壓值與實(shí)際的電壓值會(huì)存在一個(gè)誤差，偏差在0.03 V 左右，如圖8 所示。

圖8 電池總電壓比較圖

由散點(diǎn)圖可以明顯看出測(cè)量與實(shí)際之間有一個(gè)明顯的波動(dòng)，如圖9 所示。在經(jīng)過(guò)多次電池電壓測(cè)量數(shù)據(jù)和單片機(jī)測(cè)量電壓取平均值后，可以明顯看到實(shí)際測(cè)量的平均值為12.408 5 V，單片機(jī)測(cè)量的平均值為12.392 5 V，兩者之間存在0.016 V 的偏差，由誤差取均值可以看出誤差均值為0.031 V。這個(gè)電壓誤差可能跟電阻阻值測(cè)量所產(chǎn)生的誤差有關(guān)，此電壓誤差可通過(guò)軟件編程進(jìn)一步降低。

圖9 電壓數(shù)據(jù)分析圖

在電池單片電壓的測(cè)量過(guò)程中，有時(shí)會(huì)因中間電池電壓測(cè)量偏小而顯示不準(zhǔn)確，如圖10 所示；中間單片電池電壓偏小是由最后一片電池電壓測(cè)量存在較大誤差造成的，在軟件中適當(dāng)?shù)脑龃髮?duì)第三片電池電壓測(cè)量的次數(shù)可以降低此誤差。

圖10 電池單片電壓測(cè)量

4 結(jié)論

通過(guò)結(jié)構(gòu)、軟件和硬件設(shè)計(jì)完成了無(wú)人機(jī)電池智能維護(hù)系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)，并通過(guò)了相關(guān)指標(biāo)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)電池電壓及電量、系統(tǒng)溫度、電池溫度、放電散熱溫度的測(cè)量以及電池充放電檢測(cè)，通過(guò)按鍵選擇充電維護(hù)還是放電維護(hù)，同時(shí)語(yǔ)音模塊會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的提示，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)智能維護(hù)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，完成了對(duì)無(wú)人機(jī)電池的智能維護(hù)。