基于STM32F103RBT6的电池检测仪设计

2023-11-22蔡明扬

船电技术 2023年11期

关键词：检测仪温度传感器通讯

田侃，张斌，蔡明扬

田侃，张斌，蔡明扬

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文设计了一种基于STM32F103RBT6芯片的电压及温度检测设备，详细描述了检测仪的设计思路，包含系统硬件设计以及软件设计。该检测仪可以广泛用于多场景下电池电压及温度检测，同时包含友好的人机交互界面。

STM32F103RBT6 电压检测温度检测

0 引言

随着新能源技术的快速发展，锂离子电池[1～2]的应用也越来越多，一次锂原电池组的电压检测[3～5]场景也屡见不鲜。特殊工况下的锂原电池组存储时间较长，为检验电池组长期存储后的电性能，电压检测设备的设计尤为重要，同时常用电池检测芯片电压检测范围为0～5 V，该电压检测范围无法满足多个高电压（≤50 V）的电压检测，同时温度检测也存在需要多点检测问题，本文基于STM32F103RBT6设计一种宽电压（≤50 V）范围的电压检测设备，该设备可同时检测最多10路电压和基于DS18B20传感器[6][7]的10路温度，电压检测精度达到±50 mv。具备电压报警和温度报警功能，报警参数可设置。同时可通过显示屏检测电池电压和温度。

1 硬件电路设计

本检测仪主要用于电池电压以及温度检测。检测仪对外输出维修检测接口如表1所示。

主控芯片采用STM32F103RBT6是一款基于ARM的32位微处理器，内部集成了USB外设，是一款基于ARM的32位MCU的闪存，USB，CAN，7个16位定时器，两个ADC和9个通信接口的芯片。

方案设计示意图如图1所示：

图1 方案设计示意图

1.1 电池电压采集功能

通过模拟电路设计，采用10组GS8552精密运算放大器组成ADC采集电路，采用两路电压跟随电路，前级采用分压电路将电池电压缩小20倍，然后通过后级缓冲器用于提供高输入阻抗和低输出阻抗来缓冲信号。GS8552为高精度双通道运放，1.5 MHz增益带宽积, 轨到轨输入输出，高精度1 μV(5 μV，Max，25°C) , 低温漂0.05 μV/℃ (Max.)采集功能采样电路如图2所示。放大器回路的输出接入MCU的ADC输入口，通过软件设计实现对电压信号的采集和转换功能。

表1 维修检测接口

图2 电压采集电路示意图

1.2 温度采集功能

温度传感器使用单总线温度测量芯片DS18B20，该传感器具有高精度的温度测量功能，具有±0.5℃的温度采集误差，测量温度范围为-55℃到+125℃，可根据用于需要通过配置寄存器设定ADC转换精度和测温速度。芯片内置2个字节用于保存用户自定义信息，掉电不丢失，可以用于保存地址信息。检测仪只需要一组3.3 V供电和一个普通IO口来实现与温度传感器通讯，最多可与数百个温度传感器组成总线网络，节约布线资源，硬件配置如图6所示。

图3 温度传感器接线示意图

1.3 电源设计

电源输入采用220VAC供电，接口采用国标品字型电源插座，带3A单相2节交流滤波器，带AC220V3A保险丝；采用环形电源金属按钮开关来控制电源输入，220 V电源通过开关电源输出12 V直流，开关电源为金升阳的LM35-20B12，该电源输入电压85-264VAC，输出电压12V3A，工作温度范围-30℃ to +70℃，具有低纹波噪声，输出短路过流过压保护，EMC及安全规格满足国际IEC/EN61000-4、CISPR32/EN55032、IEC/UL/EN62368、IEC/EN60335、GB4943、IEC/EN61558 的标准，产品安全可靠，输出的直流DC12V给显示屏和主控单元供电。

图4 电源供电示意图

主控单元电源电路原理图如图5所示，DC12V通过防反二极管以及LC滤波器输入到DCDC控制回路，控制芯片采用矽力杰的SY8120B1ABC，该芯片功能类型降压型输入18 V带使能控制2 A，同步降压DCDC，高瞬态响应，软启动防浪涌电流内置高精度基准源，过流保护，符合Rohs标准。DCDC回路将12 V电压转换为5 V电压，5 V电压通过LDO转换为3.3 V电压，给单片机以及外围电路供电，LDC采用CJT1117B-3.3，该芯片可输出电流1A，具有75DB@（120 HZ）的电源纹波抑制比，使3.3 V供电具有极小的纹波电压。

图5 主控单元电源电路原理图

1.4 通讯功能

检测仪通过485通讯与上位机进行通讯，通讯回路原理图如图6所示。

图6 485对外通讯

通讯采用485收发器，芯片采用杭州瑞盟公司的MS3485，该芯片数据速率高达10 Mbps，工作电压范围1.8 V-3.6 V，ESD高达20 kV，片内集成瞬态保护功能保护器件不受IEC61000静电放电(ESD)和瞬态放电(EFT)的影响。器件具有宽的共模电压范围，这使得此期间适合于长电缆运行上的多点应用。485信号通过滤波电路到通讯电缆接口，通讯电缆接口并接SM712实现端口静电保护设计，实现长距离通讯和减少干扰。

1.5 显示及声光报警功能

声光报警采用22 mm金属蜂鸣器带灯指示器，通过一路控制即可实现灯光和蜂鸣功能，指示器外部材质为不锈钢，外壳为PC材质，防水等级IP65，防护等级IK09，绝缘电阻≥1 000 MΩ，抗电强度1 000 VAC min，蜂鸣响度60-70 DB，基本满足现有要求。

显示屏采用7寸串口屏，型号为DMG80480T070_A5WTR，该屏工作电源12 V，额定功率小于5 W，通过485通讯与主控单元通讯，屏幕基于迪文科技自主研发的T5L1芯片，运行DGUS II系统，工业级产品，800×480 分辨率，16.7 M色TN屏，带三防工艺和外壳，基本满足现有功能需求。

显示屏显示10组电池总压，10组电池温度以及温度传感器相应的位置，并可显示欠压、压差、高温、低温报警提示，屏幕效果图如图7所示。

图7 显示效果图

2 软件设计

软件设计流程如图8所示

图8 软件设计流程图

主控单元上电后，读取内部保存的FLASH参数（包括报警触发条件），初始化时钟、定时器、IO口、485通讯接口以及ADC采集功能。

初始化完成后，通过定时器循环启动ADC采集、判断报警条件、发送显示数据以及与采集温度传感器温度值。

上位机通讯主动发送查询指令，主控单元接收到查询指令后返回电池信息。

2.1 电压采集软件设计

电压模拟信号通过ADC口输入到单片机，单片机循环转换ADC值，通过公式计算出实际的电池电压并进行补偿，通过10组电压计算出压差和最低电压值，用于判断压差报警和欠压报警。设计决策图如图9所示。

图9 电压采集决策图

2.2 485通讯功能

检测仪有两组485通讯接口，一组用于与显示，一组用于连接上位机，与显示屏通讯主控单元作为主机，主动发送显示数据；与上位机通讯，主控单元作为从机，接收到上位机的查询指令后反馈相应的电池信息。线路示意图如图10所示，CSIC内部采用UART异步串口连接485收发芯片，然后通过485接口与外部设备进行485通讯。