張秋艷 高平安 李天鵬 賈宗偉

摘? 要：為了降低電動汽車車載電池的運行安全隱患，對車載電池工作時溫度、電壓、電流等信息的實時監(jiān)測是必要的。該設(shè)計以STC89C52為主控制器，通過DS18B20溫度傳感器、LM358運算放大器、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等實現(xiàn)電池的溫度及電流/電壓信息的檢測，將檢測到的信息參數(shù)由NRF24L01無線模塊完成車載電池信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。測試結(jié)果表明：該監(jiān)測器操作簡單，實用性強，對電動汽車電池有很強的安全保障。

關(guān)鍵詞：車載電池;DS18B20;電流檢測;遠(yuǎn)程監(jiān)測

中圖分類號：TP277 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0037-03

Remote Monitoring System of Electric Vehicle Battery State Information

ZHANG Qiuyan1， GAO Pingan2， LI Tianpeng1， JIA Zongwei1

（1.School of Energy Engineering， Yulin University， Yulin? 719053， China; 2.Yulin Meteorological Bureau， Yulin? 719099， China）

Abstract： In order to reduce the hidden danger of electric vehicle battery operation， the real-time monitoring of temperature， voltage， current and other information during the operation of the battery is necessary. In this design， STC89C52 is taken as the main controller， DS18B20 temperature sensor， LM358 operational amplifier， ADC0832 analog-to-digital conversion module are designed to achieve the detection of battery temperature and current/voltage information， in view of the detected information parameters， the nRF24L01 wireless module completes the remote monitoring function of on-board battery information.? The test results show that the monitor is easy to operate and has strong practicability， and has a strong safety guarantee for electric vehicle battery operation.

Keywords： vehicle battery; DS18B20; current detection; remote monitoring

0? 引? 言

隨著汽車尾氣的污染越來越嚴(yán)重，清潔能源電動汽車的發(fā)展油然而生，其高環(huán)保、低噪聲等優(yōu)點越來越突出，使得電動汽車動力源電池的安全使用逐漸成了人們研究的熱點[1，2]。就鋰電池而言，電動汽車涉及高壓系統(tǒng)，充放電過程中的特性受外界干擾較大，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)，可能發(fā)生危害極大的絕緣故障和器件的故障，所以要及時診斷出問題所在并且排除故障。車載電池狀態(tài)信息監(jiān)測和車輛上的導(dǎo)航系統(tǒng)、路徑的正確與精確的規(guī)劃、航空飛行及物流運輸方面的技術(shù)都是通過GPS和GSM結(jié)合而應(yīng)用，故針對電池工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是很有意義的[3，4]。本設(shè)計以STC89C52為主控制器，對車載電池的工作電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，并結(jié)合NRF24L01模塊實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。

1? 總體方案設(shè)計

以STC89C52單片機為主控制芯片，結(jié)合溫度傳感器、電壓檢測電路、電流檢測電路，對單節(jié)18650鋰電池的表面溫度、電壓等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢測，利用電壓與容量的關(guān)系估算出電量的百分比，即Q=（U當(dāng)前-U欠壓）∕（U滿電-U欠壓）×100%。通過無線通信模塊將檢測的數(shù)據(jù)及估算出的電量傳輸?shù)絾纹瑱C上，最后顯示在LCD顯示模塊上，最終實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

具體有：

（1）最小系統(tǒng)：主要包括有電源、時鐘、復(fù)位、狀態(tài)指示電路。

（2）溫度檢測模塊。采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它是一線式數(shù)字溫度傳感器，不需要任何外圍原件就可使用，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，精度高等特點，溫度測量范圍：-55℃～+125℃，滿足本設(shè)計需求[5]。

（3）電壓檢測模塊：主要是把采集的電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳給無線通信模塊。

（4）電流檢測模塊：通過檢測和計算放電時電流大小，然后傳遞給單片機。

（5）無線發(fā)送/接收模塊：主要把檢測的數(shù)據(jù)從電池端發(fā)送到單片機端。

（6）顯示模塊：選用LCD1602顯示屏，是一種字符型顯示器。其采用標(biāo)準(zhǔn)16腳接口，可通過電阻大小調(diào)節(jié)顯示屏的背光亮度。并且有微功耗、體積小、價格便宜、原理簡單等優(yōu)點[6]，將車載電池工作狀態(tài)時溫度、電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示。

2? 主要硬件電路設(shè)計

2.1? 電源電路

電源電路為整個系統(tǒng)提供+5 V的穩(wěn)定電壓，確保系統(tǒng)能夠正常的工作。由電源接口和1 000 μf的電解電容、自鎖開關(guān)組成。電解電容穩(wěn)定電壓，當(dāng)自鎖開關(guān)在第一次按下按鈕時，開關(guān)通電，再次按下開關(guān)，開關(guān)斷開，同時開關(guān)按鈕彈出來。插上+5 V電壓電源后，按下開關(guān)，系統(tǒng)通電。

2.2? 溫度檢測電路

本設(shè)計檢測電池表面實時溫度值。由于DS18B20傳感器的VCC端口類似單線的I2C端口，需要外接一個4.7 kΩ的限流電阻，保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性。DQ為數(shù)據(jù)的讀寫端，連接的DS端是單片機的P1.0，工作電壓+5 V。上電后，首先完成溫度的轉(zhuǎn)化，再通過DQ讀寫端把轉(zhuǎn)化完成后的實際溫度傳遞給單片機。

2.3? 電流檢測電路

2.3.1? 放電電路

放電電路上有一個P主導(dǎo)的MOS管，MOS連接單片機的P2.7端口，當(dāng)單片機輸出高電平時，MOS管是截止的，低電平時，有一個-5 V的壓降，此時MOS管相當(dāng)一個開關(guān)被打開，按鍵S2連接MOS端，按下S2按鍵輸入低電平，電池與加熱器端導(dǎo)通，加熱器開始工作，同時LED4也會接收到電壓發(fā)亮。其電路設(shè)計如圖2所示。

2.3.2? 電流檢測

電流檢測模塊主要功能是檢測車載電池的電流值。此模塊利用LM358運放器，構(gòu)成同比例運算放大電路，根據(jù)同相比例計算公式算出放大倍數(shù)為10倍，負(fù)載為放電電路的加熱器，CURR+連正極，CURR-連負(fù)極，CH1連接ADC0832的模擬輸入通道1，然后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過公式（1）計算出電流：

U=IR×10? ? ? ? ?（1）

其電路設(shè)計圖如圖3所示。

2.4? 電壓檢測電路

電壓檢測模塊主要功能是檢測鋰電池的電壓值。其選用的芯片是串口ADC0832轉(zhuǎn)換芯片，需外接電源地和穩(wěn)定的+5 V電壓。該芯片CS08片選端連接單片機的P1.1端口、CLK08時鐘端連接P1.2、DI08寫入端連接P1.3、DO08讀出端連接P1.4端口。通電后，先對模擬信號進(jìn)行采樣，保持信號進(jìn)行比較，從而轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳送到單片機。

2.5? 無線收/發(fā)電路設(shè)計

本設(shè)計的無線收/發(fā)模塊主要功能是通過SPI通信把接收電壓檢測模塊及溫度傳感器采集到的電壓、溫度的數(shù)據(jù)，發(fā)送到單片機端。因為24L01模塊[7]電壓支撐有限（1.9～3.6 V，電源電壓5 V），所以串聯(lián)了3個二極管進(jìn)行降壓，一個二極管壓降大概為0.6 V，3個為1.8 V，所以到達(dá)24L01模塊時的電壓約為3.2 V，即能夠滿足其使用，其中R4是下拉電阻，為了保持電壓穩(wěn)定。因為相對于單片機來說NRF24L01為從機，所以MOSI為輸入端，MISO作為輸出端，IRQ為中斷，CSN是從器件的使能信號，SLK為時鐘端，CE可以通過設(shè)置為發(fā)送模式或接受模式，在電源通電后，把信號從發(fā)送端傳給單片機進(jìn)行處理，再到顯示模塊上進(jìn)行接收，無線收/發(fā)模塊電路圖如圖4所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包含的功能主要有：溫度檢測、電壓檢測、電流檢測及顯示等功能。當(dāng)檢測電路采集到電池相關(guān)的各組數(shù)據(jù)后，通過無線發(fā)送傳輸?shù)街骺刂破鞯臒o線接收端，主控制把處理好的數(shù)據(jù)輸出到顯示模塊顯示，顯示出車載電池的實時溫度、電流、電壓及剩余電量的值。軟件設(shè)計通過主調(diào)用子程序的方式來完成的，主要包括初始化子程序、溫度檢測、電壓檢測、電流檢測、顯示等子程序軟件設(shè)計。其主要流程如圖5所示。

具體補充為：

（1）系統(tǒng)初始化，包括顯示屏初始化、顯示屏頁面信息初始化、溫度值初始化，電壓值初始化，nrf24l01模塊初始化，同樣也包括對I/O口的初始化。從而實現(xiàn)對電池溫度、電流、電壓的監(jiān)測。

（2）電壓檢測，主控制讀取ADC0832模塊，獲取車載鋰電池模擬電壓。

（3）電流檢測，使用同相比例運放電路對放電電流進(jìn)行檢測，判斷是否按下加熱按鍵，若有鍵按下，則通過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到電壓，通過計算得出實際電流，否則，工作電流為0。

（4）溫度檢測，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20直接獲得鋰電池溫度參數(shù)，由主控制器讀取數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)，獲取溫度信息。

（5）顯示模塊，LCD1602顯示器進(jìn)入工作顯示頁面，靜態(tài)顯示“電壓”“電流”“溫度”“剩余電量”等字符，同時對電壓、電流、溫度、剩余電量的百分比等數(shù)值進(jìn)行相關(guān)的動態(tài)顯示，同時，通過無線通信傳輸?shù)斤@示屏上進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的顯示，從而實現(xiàn)車載電池信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

4? 系統(tǒng)測試

根據(jù)以上硬件設(shè)計和軟件設(shè)計搭建測試平臺，并進(jìn)行硬件調(diào)試，包含有：上電前檢查、通電檢查、電流檢測、電壓檢測、溫度檢測、顯示調(diào)試等模塊，當(dāng)所有模塊調(diào)試正確后，進(jìn)入車載電池信息的監(jiān)測系統(tǒng)的測試。其中，顯示截面中，U代表鋰電池電壓，單位為伏V，I代表電流，單位為毫安mA、T代表溫度，單位為攝氏度℃，QD代表電量。當(dāng)車載電池不工作處于關(guān)斷狀態(tài)時，工作面顯示分別為：“U：0.00 V”;“I：000 mA”;“T：+31.5℃”，“QD：0%”。當(dāng)通電初始化完成后，長按加熱按鍵S2，車載電池進(jìn)入工作狀態(tài)，第一行顯示電壓值U：4.13 V;電流值I：196 ma;第二行顯示溫度值T：+26.8℃;電量百分比QD：96%;同時，LED2、LED3開始閃爍，LED4長亮，表示電池工作正常。結(jié)果如圖6所示。

5? 結(jié)? 論

本設(shè)計以51單片機為主芯片，在放電電路中檢測鋰電池工作電流，通過ADC0832與DS18B20采集電壓及溫度，無線收/發(fā)模塊為24L01模塊，通過SPI通信傳輸數(shù)據(jù)，在LCD1602上顯示，結(jié)合程序設(shè)計與外圍輔助電路實現(xiàn)對車載電池信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，監(jiān)測方便、成本低、經(jīng)濟(jì)性好，對電動汽車車載鋰電池的發(fā)展和應(yīng)用具有良好的借鑒作用。

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作者簡介：張秋艷（1988—），女，漢族，陜西榆林人，講師，碩士，研究方向：測控技術(shù)與儀器。