基于STM8L系列单片机的电量显示系统设计_杨镇遥

2． Shanghai Instrument Ｒesearch Institute，Shanghai 200082，China）
Abstract：With the continuous depletion of the fossil energy，more and more people will shift their attention to the
（4） 灯亮起显示当前剩余电量，3 s 后单片机断 电，灯灭，系统关闭。
（5） 当处于充电工作 模 式 下 时，不 用 考 虑 低 功 耗，所以在充电器接上的时候系统就开始工作。
（6） 系统工作后 3 只绿色 LED 灯实时显示剩余 电量，直到充电器取下才关闭系统，灯灭。
（7） 无论两种工作状态的任何一种情况下，当检测 到温度超过 45 ℃，则红色 LED1 灯亮起，警告温度过高。 4． 2 电量显示不同状态表
tire system is in a low power state． This circuit with the power display system has been successfully used in a 36 V lithi-
um battery charger．
Key words：MCU； power display； battery； low power state
当电池组接上充电器进行充电时：单片机 10 脚置 高，并使 D3 二极管导通，因此电源可以为单片机持续 供电，单片机持续工作不会自动停止（ 此时不必考虑 低功耗问题） ，3 只绿色 LED 灯常亮实时显示当前电 量值。红色 LED 则在温度超过 45 ℃ 时会亮起。
4 系统软件的实现
4． 1 电量显示程序功能描述 （1） 本电量检测系统分为两种工作方式：a． 正常
0 引言
随着蓄电池技术与 MCU 技术的大力发展，智能电 池控制领域越来越多的应用于各种用电场所，包括电 动汽车、电动工具以及各种大电流工作场所等。而基 于蓄电池，特别是锂离子电池具有能量密度大、使用安 全、无记忆效应、绿色环保的出众特性，为了使其更好 地工作，人们对其工作时各项数据的监测也提出了更 高的要求。
YANG Zhen-yao1 ，HU Yue-li1 ，YANG Wen-rong1 ，TENG Hua-qiang2
（1． School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China；
目前，电量检测方法主要有两种： 第一种是传统蓄电池 SOC 预测方法，通过监测电 池工作时的可测量数据来对应相对剩余电量，可分为： 电量积累法、电阻测量法、电压测量法、检测溶液密度 法、恢复效应法。 这种方法方便简洁，只需要测量相应的变化量就 可以得到对应的剩余电量。 第二种是现代 SOC 预测方法，这种方法虽然比传
统方法复杂，但是，利用新的算法可以使准确性提升， 适用于对剩余电量检测准确度要求高的地方。
本文介绍一种利用 STM8L151F2 芯片，通过 ADC 检测电压并通过 LED 显示对应的剩余电量，并包含温 度报警以及低功耗功能。
1 电量测量方法
如今电池电量检测技术已经在大型工具、电动车 以及笔记本电脑等设备中有所应用，但是测量方法还 是比较简单，缺乏精确度。
收稿日期： 2014 － 05 作者简介： 杨镇遥（1989—） ，男，硕士研究生，研究方向为锂电池充电系统的设计。
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100 mA 放电） 的放电曲线，对放电时间进行分割，从而 得到几个电量显示的时间点，并通过 LED 灯的形式表 现出来。
基于这一电量检测方法，设计出这款电量显示系 统，并根据其功能与特点来设计相应的硬件以及软件。 主要实现的功能如下：
通过借鉴智能手机等便携式产品的电量检测方 法，使用当今比较主流的简单测量电池电压的方法实 现了电量的实时检测，估计电池的剩余电量。
这种电压估测电量的方法通常如下：一块电池在 放电的时候，电池的电压会随着电池电量的流失逐渐 地下降，这样就可以得到一个比较简单而有效的对应 关系，就是电压对应容量。通过电池正常使用（ 比如
图 1 电量检测架构图
如图中所示，有两种工作模式。其中未接通充电 电源模式下采用低功耗的方法，在未接充电器并需要 检测电量的时候，通过按键按下后控制单片机工作检 测当前电量并使 3 只绿色 LED 灯显示当前电量剩余， 之后自动 关 闭 LED 的 显 示 并 且 令 单 片 机 停 止 工 作 （LED 亮起时间在 3 ～ 4 s 左右） ，从而达到低功耗的目 的。而在接通充电电源后，不用按键直接进入电量显 示状态，使 3 只绿色 LED 灯实时显示电池电量，在此 状态下，不用考虑低功耗，电量显示持续进行，直到充 电结束，充电器取下后结束显示。此外，还有 1 只红色 LED 灯，在温度超过 45 ℃ 时会亮起，提示高温警告。
整个系统无论在架构还是功能实现方面，都体现 出十分强的灵活性、便捷性和可靠性。
3 系统硬件设计
3． 1 单片机供电电路 单片 机 的 供 电 电 路 是 由 NPN 型 功 率 晶 体 管
图 2 3． 3 V 供电电路
3． 2 ADC 采样电路 STM8 系列单片机是自带 ADC 通道的，因此在设
计时，将 15 管脚的 ADC1 通道 13 设定为电量采样端 （ 采样电池电压） ，将 11 管脚的 ADC1 通道 17 设定为 温度采样端（ 采样热敏电阻上的电压）。其中电量采 样端由于电源电压过高，要通过两个电阻组成分压电 路，采样的是电池电压的 1 /13 。而温度采样端使用的 是热敏电阻 103AT － 2B，由温度变化引起阻值变化从 而可以采样到电压变化来判断是否过温，本系统中设 置超过 45 ℃ 即为过温报警的临界值。 3． 3 显示电路
不同的电量显示状态如表 1 所示。
表 1 电量显示状态表
34． 6 V 以下 34． 6 ～ 36． 7 V 36． 7 ～ 39． 2 V 39． 2 V 以上
电量过低状态，LED2 灯闪烁 电量较低状态，LED2 灯常亮 电量不满状态，LED2 与 LED3 灯常亮 电量满状态，LED2、LED3 与 LED4 灯常亮
温度超过 45 ℃
高温警告状态，LED1（ 红色） 亮起，但是没有任何措 施，只显示状态
图 4 低功耗电路
当电池组没有接上充电器时：此时得到 3． 3 V 电 压供电的单片机开始正常工作，3 只绿色 LED 亮起，显 示当前剩余电量，同时检测温度是否过高，并通过单片 机 POWEＲ—CTＲL 脚和二极管 D2 的连接持续导通电 源为单片机供电直至停止工作。单片机一但被按键开 关触发接通电源，POWEＲ—CTＲL 脚即输出一个持续 3 s 的高电平使 D2 导通电源持续供电，到达设定的时 间后，单片机自动取消 POWEＲ—CTＲL 脚的高电平输 出，所以单片机可以维持供电 3 s。
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图 3 显示电路
一套低功耗装置，在不进行充电时通过按键开关来触发 电量显示系统的工作，并于一定时间后自动关闭该系统 节约电能（本系统设置的按键后工作时间为 3 s）。
单片机低功耗与正常工作时的硬件电路设计如图 4 所示。
工作模式；b． 充电工作模式。 （2） 当处于正常工作模式下时，出于低功耗的考
becoming an essential function． This paper presents a design of lithium battery power detection and display system based
on STM8L series MCU，which samples and monitors the remaining battery power and temperature data by ADC． The en-
虑，在触动开关前系统处于关闭状态。 （3） 当按下按键后系统开始工作，3 只绿色 LED
显示当前剩余电量，按照亮起灯数表示剩余电量的多 少。电压大于 39． 21 V 时 LED2，LED3，LED4 灯亮，电 压在 39． 21 ～ 36． 70 V 之间时 LED2，LED3 灯亮，电压 在 36． 70 ～ 34． 65 V 时 LED2 灯亮，电压小于 34． 65 V 时 LED2 灯闪烁。
BCX55 － 16 与稳压二极管 TS431 和周围电路产生提 供的。供电电路产生一个 3． 3 V 的稳定电压在单片机 需要工作时给单片机供电，同时也是 ADC 采样的基准 电压。供电电路如图 2 所示。
2 系统构架与方案
本电量检测系统是基于 STM8L151F2 这款单片机 实现功能的，具体架构图如图 1 所示。
本系统在同一电量显示装置下设计了两种触发电 量显示的方法。
当电池组接在充电器上进行充电时，不用考虑电量 显示系统的耗电，电量显示的 LED 持续亮起实时显示 当前的电池组剩余电量。而当电池组不在充电模式时， 如果还令电量显示系统持续工作的话，不但没有必要， 而且还会一定程度上浪费电池的电能，因此有必要设计
显示电路由 4 只 LED 灯组成，其中有 1 只红色 LED1 负责温度报警；3 只绿色 LED2，LED3，LED4 负 责电量显示。LED1 灯通过上拉电阻连接至单片机 20 脚，LED2，LED3，LED4 灯则分别通过上拉电阻连接至 单片机的 13 脚，16 脚，17 脚。连接图如图 3 所示。 3． 4 低功耗电路的设计
（1） 通过单片机 ADC 通道对电池组电压进行采 样，对应控制几个绿色 LED 灯的亮灭表示剩余电量；
（2） 通过单片机的另一路 ADC 通道对电池组外 热敏电阻变化电压的检测，控制红色 LED 灯亮灭表示 温度报警；
（3） 为了节约电池电能，在硬件上设计了低功耗 电路，即工作中，电量只有在按键后才显示 3 s，超过 3 s，电量显示电路断电（ 当电池充电时电量持续显示，低 功耗电路失效） 。
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基于 STM8L 系列单片机的电量显示系统设计
杨镇遥1 ，胡越黎1 ，杨文荣1 ，滕华强2 （1． 上海大学 机电工程与自动化学院 ，上海 200072；2． 上海仪器仪表研究所，上海 200082）
摘要： 随着化石能源的不断消耗，人们越来越多地将视线转移到清洁能源上面来，而以锂电池为代表的蓄电池则越来越广泛
关键词： 单片机；电量显示；蓄电池；低功耗
中图分类号： TP274
文献标志码： A
文章编号： 1006 － 2394（2014）09 － 0005 － 04
The Design of a Power Display System Based on STM8L Family of Microcontroller
clean energy． As the representative，the lithium battery is more and more widely used in electric tools，automobile and
other fields． Therefore，in the trial process of lithium battery，the detection and display of the remaining battery power is
4． 3 单片机管脚功能配置 4． 3． 1 AD 采样信号
（1） 电压检测引脚 PB5 / SPI_SCK / ADC1_IN13 当单 片 机 正 常 工 作 时，电 池 电 压 通 过 电 阻 分 压 （ 分压比为 1 /13，即 0． 0769） 到单片机的 15 脚，检测 15 脚输入的电压，根据测试电压： 检测到电压在 2． 665 V 以下时，LED2 灯闪； 检测到电压在 2． 665 ～ 2． 823 V 时，LED2 灯常亮； 检测到电压在 2． 823 ～ 3． 016 V 时，LED2，LED3 灯常亮； 检测 到 电 压 在 3． 016 V 以 上 时，LED2，LED3， LED4 灯常亮。 （2） 电池温度检测 PB1 / TIM3_CH1 / ADC1_IN17 当电池接入，单片机工作时，11 脚的电阻 Ｒ25 与 热敏电阻 103AT － 2B 分压后得到的电压值用于电池 高温报警的检测。 4． 3． 2 I /O 控制信号 （1） PB3 / TIM2_ETＲ / ADC1_IN15 绿色发光二极管控制信号，“1”点亮，“0”熄灭。
地应用到电动工具、汽车等领域中。因此，在锂电池的试用过程中其剩余电量的检测与显示成为了一项必不可少的功能。给出了
一种基于 STM8L 系列单片机的锂电池电量检测与显示系统的设计方案，通过 ADC 采样监测电池剩余电量与温度数据，整个系统工
பைடு நூலகம்
作于低功耗状态。采用该电路的电量显示系统已经成功应用于一款 36 V 的锂电池充电器中。