摘 要

当今，为满足智能终端的轻量化便捷化的需求，高储能的锂离子电池正在被广泛的应用于各种终端中。由于锂离子电池性质活泼，为了避免其不正当使用，使用过程中的运行状态需要被准确而及时的判断出来。针对这种需求，本文基于STM32 ARM处理器设计出了一个能实时测量电压，并且在电压值处于异常的时候进行报警的系统，在连接了PC之后，可以用Labview上位机产生图线并进行保存。本设计的硬件部分包括：锂电池测量模块，锂电池充放电模块，LCD显示模块，蜂鸣器报警模块，上位机通讯模块和系统控制模块等。软件部分包括：实时监测子程序，LCD显示子程序，蜂鸣器报警子程序，上位机虚拟仪器程序等。用户可以通过LCD和蜂鸣器得知电池电压状态，并能通过一些控制程序和硬件对电池进行操作，以达到对电池健康度的检测和人为控制。

关键词：锂离子电池；单片机；检测系统；

Abstract

Today, in order to make smart terminals more lightweight and convenient, lithium-ion batteries with high energy density are being widely used in various terminals. Due to the reactive properties of lithium-ion battery, the improper use of them may cause damage to the devices, so we need to know it`s operation state accurately and real-timely. To meet this demand, I designed a real-time measuring system based on STM-32 ARM processor which can measure voltage of the running battery module. The system will also sound the buzzer and push an alert message to screen when misuse occurs . If you connect the hardware to PC, we can save files including voltage information and graphs. The hardware parts including: lithium-ion battery voltage measuring module, lithium-ion battery charging and discharging module, LCD display module, buzzer alarm module, PC communication module and Labview module. Software includes real-time monitoring subroutine, LCD display subroutine, buzzer alarm subroutine, charging and discharging management routines and Labview subroutine. The user can know the state of the battery through the LCD and buzzer, and then operates on the battery through the control module and hardware, making the battery module running in its way.

Key words: Lithium-ion battery; Single-Chip Microcomputer; Measuring System；

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2选题的现实意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1国外研究现状 2

1.3.2国内研究现状 3

1.4主要研究内容 3

1.5本文结构 4

第2章 测控系统的总体设计 5

2.1测控系统设计 5

2.1.1设计精度要求 5

2.1.2 方案比较 5

2.1.3 系统设计方案 5

2.2测控系统整体结构 6

2.2.1测控系统整体构成 6

2.2.2测控系统工作原理 6

2.3 锂电池工作特点及测量 7

2.3.1锂电池工作特点 7

2.3.2测控系统的其他细节设计 8

第3章 测控系统硬件设计 9

3.1 系统总电路及PCB设计 9

3.1.1 系统电路原理图设计 9

3.1.2 系统PCB图设计及硬件排布 9

3.2 STM32片内ADC电压采集模块 12

3.2.1 STM32F103片内ADC的基本功能 12

3.2.2 片内ADC转换原理 12

3.2.3 ADC通道选择及硬件连接 13

3.2.4 ADC寄存器设置与数据读写 14

3.2.5 ADC数据采集的注意事项 14

3.3单片机模块 14

3.3.1 STM32F103单片机概述 15

3.3.2 STM32F103芯片的主要参数及性能 15

3.3.3 STM32F103芯片的外形图以及尺寸 15

3.3.4 STM32 I/O口简介 16

3.3.5 STM32F103使用的引脚功能 17

3.3.6 STM32F103串口简介 18

3.4 LCD1602显示电路 18

3.4.1 LCD1602主要技术参数 19

3.4.2 LCD1602接口说明 19

3.4.3 RAM地址映射图 20

3.4.4 LCD1602与单片机连接电路图 20

3.5 其他各功能电路 21

3.5.1 CH340G 通信模块 21

3.5.2 6N137光电隔离电路 21

3.5.3 MAX1811锂电池充电模块 22

3.5.4 蜂鸣器报警电路 23

第4章 系统软件设计 23

4.1 系统软件设计平台 24

4.2 程序流程图 25

4.3 部分子程序流程图 25

4.2.1 串口通信流程图 26

4.2.2报警程序流程图 26

4.2.3 ADC测量流程图 27

第5章 系统调试 27

5.1 系统硬件调试 28

5.2 系统软件调试 29

5.3 系统分析 32

5.3 成本估算 33

第6章 总结和展望 33

参考文献 34

致 谢 35

第1章 绪论

1.1研究背景

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。早在1912年，锂金属电池就由Gilbert N.Lewis提出并研究，发展到20世纪70年代的锂离子电池，再到今天，可充电的锂离子二次电池已经成为便捷式移动产品最常见的高容量电池，在生产生活中随处可见。

对比子电池高容量小体积的巨大优势，锂电池在安全性上具有一定的劣势，锂电池的运输和使用都有一定的风险^[1]。在投入市场以来，已报道多起涉及与锂电池运输和使用有关的事故，比如2013年曾发生两起因锂电池温度过高而引发的飞行事故。第一起发生在一架停靠伦敦的波音787客机上，而另一起锂电池过热燃烧事故导致日本全日空的飞机被迫紧急着陆。而在国内也曾有手机锂电池着火爆炸导致房屋被烧人被炸伤等危机人身和公共安全案例。

那么关于锂电池在不当使用中容易出现危险的主要原因有如下几点：

锂电池所使用的负极活性材料是炭材料，正极活性物质是含锂的化合物，其充放电的过程是锂离子的嵌入和脱嵌的过程^[2]。在过充电时，负极锂金属的不均匀沉积或锂离子嵌入炭材料的不均匀，都可能在负极表面产生树枝状的锂支晶，支晶过多会有可能导致电池的正负极相连短路而大量放热，进而起火或爆炸。而在过放电时，正极可能会发生钴的熔析，而负极会发生集电体的熔析，都会因发热而导致电极、电解质、隔离板发生熔融而内部短路引燃电解质^[3]。另外，受到外部冲击、充电电压过高等也会使电池的结构和寿命受到影响以至于存在安全隐患。所以对锂电池的参数进行实时测量显得尤为重要，通过对锂电池的实时电压等状况的分析，可以判断锂电池的健康性，防止锂电池因为使用不当而发生危险。

随着计算机技术和传感器技术的飞速发展，计算机和传感器的价格不断降低而可靠性和实用性不断增强，以单片机为核心的锂电池时时参数测量系统变得实用而简便^[4]。本文将从锂电池的基本参数测量原理开始，以单片机为核心，计算机为上位机，设计出可以通过先进的传感器完成实时测量的电路系统，采集信息将传输到上位机进行数字处理和分析，并对电池健康度进行诊断并提醒。

1.2选题的现实意义

单片机是单片微型计算机（Single-Chip-Microcomputer）的简称，它是一种将中央处理器、存储器、定时/计数器和各种输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机^[5]。单片机在经过这么多年的发展已经比较成熟，其优点在于自供应能力强不需要外接硬件，成本低，体积小，可以用于各式仪器仪表内部^[6]。但自身存储量较小，输入输出接口也比较简单，不能支持过于复杂的仪器运转。然而随着单片机的不断发展，单片机的应用正在变得更为广泛。也就是说，在本次的设计中，单片机可以作为主控芯片使用，并且在低能耗小体积的优势下，能极大的缩小检测系统的体积和功耗^[7]。对STM32系列的单片机的学习，实际上也是走向主流单片机使用的一个大门，相比于STC51系列的单片机，STM32显然更为强大，更加优秀的架构和片内系统使其具有更广阔的应用价值，具有实用性。