田 侃，張 斌，蔡明揚

基于STM32F103RBT6的電池檢測儀設(shè)計

田 侃，張 斌，蔡明揚

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文設(shè)計了一種基于STM32F103RBT6芯片的電壓及溫度檢測設(shè)備，詳細描述了檢測儀的設(shè)計思路，包含系統(tǒng)硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計。該檢測儀可以廣泛用于多場景下電池電壓及溫度檢測，同時包含友好的人機交互界面。

STM32F103RBT6 電壓檢測 溫度檢測

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)用也越來越多，一次鋰原電池組的電壓檢測[3～5]場景也屢見不鮮。特殊工況下的鋰原電池組存儲時間較長，為檢驗電池組長期存儲后的電性能，電壓檢測設(shè)備的設(shè)計尤為重要，同時常用電池檢測芯片電壓檢測范圍為0～5 V，該電壓檢測范圍無法滿足多個高電壓（≤50 V）的電壓檢測，同時溫度檢測也存在需要多點檢測問題，本文基于STM32F103RBT6設(shè)計一種寬電壓（≤50 V）范圍的電壓檢測設(shè)備，該設(shè)備可同時檢測最多10路電壓和基于DS18B20傳感器[6][7]的10路溫度，電壓檢測精度達到±50 mv。具備電壓報警和溫度報警功能，報警參數(shù)可設(shè)置。同時可通過顯示屏檢測電池電壓和溫度。

1 硬件電路設(shè)計

本檢測儀主要用于電池電壓以及溫度檢測。檢測儀對外輸出維修檢測接口如表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16位定時器，兩個ADC和9個通信接口的芯片。

方案設(shè)計示意圖如圖1所示：

圖1 方案設(shè)計示意圖

1.1 電池電壓采集功能

通過模擬電路設(shè)計，采用10組GS8552精密運算放大器組成ADC采集電路，采用兩路電壓跟隨電路，前級采用分壓電路將電池電壓縮小20倍，然后通過后級緩沖器用于提供高輸入阻抗和低輸出阻抗來緩沖信號。GS8552為高精度雙通道運放，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，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)對電壓信號的采集和轉(zhuǎn)換功能。

表1 維修檢測接口

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

圖3 溫度傳感器接線示意圖

1.3 電源設(shè)計

電源輸入采用220VAC供電，接口采用國標品字型電源插座，帶3A單相2節(jié)交流濾波器，帶AC220V3A保險絲；采用環(huán)形電源金屬按鈕開關(guān)來控制電源輸入，220 V電源通過開關(guān)電源輸出12 V直流，開關(guān)電源為金升陽的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，輸出短路過流過壓保護，EMC及安全規(guī)格滿足國際IEC/EN61000-4、CISPR32/EN55032、IEC/UL/EN62368、IEC/EN60335、GB4943、IEC/EN61558 的標準，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)，軟啟動防浪涌電流內(nèi)置高精度基準源，過流保護，符合Rohs標準。DCDC回路將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，5 V電壓通過LDO轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，給單片機以及外圍電路供電，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

檢測儀通過485通訊與上位機進行通訊，通訊回路原理圖如圖6所示。

圖6 485對外通訊

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10 Mbps，工作電壓范圍1.8 V-3.6 V，ESD高達20 kV，片內(nèi)集成瞬態(tài)保護功能保護器件不受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電纜運行上的多點應(yīng)用。485信號通過濾波電路到通訊電纜接口，通訊電纜接口并接SM712實現(xiàn)端口靜電保護設(shè)計，實現(xiàn)長距離通訊和減少干擾。

1.5 顯示及聲光報警功能

聲光報警采用22 mm金屬蜂鳴器帶燈指示器，通過一路控制即可實現(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IP65，防護等級IK09，絕緣電阻≥1 000 MΩ，抗電強度1 000 VAC min，蜂鳴響度60-70 DB，基本滿足現(xiàn)有要求。

顯示屏采用7寸串口屏，型號為DMG80480T070_A5WTR，該屏工作電源12 V，額定功率小于5 W，通過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，運行DGUS II系統(tǒng)，工業(yè)級產(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

軟件設(shè)計流程如圖8所示

圖8 軟件設(shè)計流程圖

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

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

上位機通訊主動發(fā)送查詢指令，主控單元接收到查詢指令后返回電池信息。

2.1 電壓采集軟件設(shè)計

電壓模擬信號通過ADC口輸入到單片機，單片機循環(huán)轉(zhuǎn)換ADC值，通過公式計算出實際的電池電壓并進行補償，通過10組電壓計算出壓差和最低電壓值，用于判斷壓差報警和欠壓報警。設(shè)計決策圖如圖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，與顯示屏通訊主控單元作為主機，主動發(fā)送顯示數(shù)據(jù)；與上位機通訊，主控單元作為從機，接收到上位機的查詢指令后反饋相應(yīng)的電池信息。線路示意圖如圖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485接口與外部設(shè)備進行485通訊。

圖10 485通訊示意圖

3 結(jié)語

本文基于ARM芯片STM32F103RBT6，設(shè)計了一個寬電壓范圍及溫度檢測儀，通過功能測試，檢測儀可用于10個通道以內(nèi)電壓測量，以及基于DS18B20溫度傳感器的10路以內(nèi)溫度檢測。根據(jù)實際需求，可以拓展檢測更多電壓及溫度以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

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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