新能源电车电池组健康检测系统设计与实现

摘要目前随着我国经济的快速发展与进步在我国经济发展的过程当中开始出现了能源紧缺问题，因此针对这种现状，我国开始大力发展新能源技术利用新能源电动车能够实现节能减排的目的新能源电动车系统在进行工作的过程当中，需要对电动车进行电能充电，由于目前国内没有统一的标准，因此各个新能源厂家都有着自己的充电协议以及自己的充电接口，质量也是参差不齐，在进行充电的过程当中，如果遇到质量较差的充电器，有可能会导致充电发热，进而会引发火灾问题，为了能够解决在充电过程当中所遇到的安全性问题，因此需要设计一款基于电动车的电池检测系统，通过对该系统的设计，使其能够满足使用需求，该系统可以根据采集到的电池温度，并且能够根据温度自动关闭充电系统，当温度较高的时候将会进行断开充电回路，以保证电池使用的安全性，同时能够检测故障并且能够保证充电的安全性。关键字：电池温度；单片机；电车安全；ABSTRACTAtpresent,withtherapiddevelopmentandprogressofChina'seconomy,therehasbeenanenergyshortageproblemintheprocessofeconomicdevelopment.Therefore,inresponsetothissituation,Chinahasbeguntovigorouslydevelopnewenergytechnologiesandusenewenergyelectricvehiclestoachievethegoalofenergyconservationandemissionreduction.Thenewenergyelectricvehiclesystemneedstochargeelectricvehiclesduringtheprocessofwork,asthereiscurrentlynounifiedstandardinChina,Therefore,eachnewenergymanufacturerhasitsownchargingprotocolandcharginginterface,andthequalityisalsouneven.Duringthechargingprocess,ifalow-qualitychargerisencountered,itmaycauseheatingduringcharging,whichcanleadtofireproblems.Inordertosolvethesafetyissuesencounteredduringthechargingprocess,itisnecessarytodesignachargingpiledetectionsystembasedonelectricvehicles,thesystemcanautomaticallyshutdownthechargingsystembasedonthecollectedtemperatureofthechargingstation.Whenthetemperatureishigh,thechargingcircuitwillbedisconnectedtoensurethesafetyofthechargingstationanddetectfaults.Atthesametime,thesystemalsorealizesthefunctionofwirelessnetworking.Keywords:batterytemperature;microcontroller;electricsafety;目录第一章绪论 第一章绪论1.1设计目的及意义随着汽车尾气排放对空气质量的不断恶化，全球科学家正努力开发出更加环保的新能源汽车。这些新能源汽车采用电动技术，可以通过动力电池提供能源，实现零污染、零排放，成为当今传统汽车的完美替代品[1]。除了减少污染物的排放，电动汽车的安全性、稳定性和控制性都远超过传统燃油汽车[2][3]，大多数电动汽车都配备了先进的动态控制系统，使得它们更具有可靠的操纵性和更高的可靠性；随着技术的进步，电动汽车的能源结构变得越来越丰富，它们不仅能够从太阳能、风能、抽水蓄能等多种能源中获取动力，而且还能够实现极大的能源效率[4]；此外，它们还拥有零排放、零污染的特点，使它们成为一种能源清洁型汽车。如果采用太阳能、水力发电等清洁能源作为动力电池，那么它们的污染物排放量将会大大降低。由于这个原因，电动汽车的发展对于保护我们的环境具有重要意义[5]。尽管全球范围内正在努力推动电动汽车的发展，但由于目前动力电池技术尚未完全成熟，以及充电设施尚未完善，加上充电时间较长，这些因素导致了纯电动汽车的实际行驶里程无法满足要求[6]，从而阻碍了它的广泛应用。一个重大挑战是如何推广电动汽车，这种汽车的一次充电可能会耗费更多的时间，而且它的零部件研发成本很高[8]，性能和效率都很差。此外，电动汽车的动力电池技术尚未完全成熟[1]，也有许多潜在的问题。近年来，电动汽车的快速发展，经过大量的实验、测试和仿真分析，我们已经建立了一个完整的电池等效电路模型，从而为电池的广泛使用提供了有力的支持。然而，由于外界环境条件的变化，电池的电性能也会随之改变[8]，从而导致电池的老化，从而降低它们的使用寿命。由于电池组的结构复杂，其内部的单体电池的老化情况存在差异，这将影响其正常运行。为了保证其正常运转，必须精确评估其单体电池的健康状况[9]，并且实时监控其各种性能指标和状况，以便更好地保障其正常运行。本次系统在进行设计的过程当中，主要针对于电车充电系统进行相应的电能管理，在进行管理的过程当中，主要分为两部分，分别为安全管理以及操作管理，安全管理方面主要是能够利用温度传感器系统进行采集充电桩的温度，利用温度分析充电桩的状态，当充电桩发生异常时，其温度将会快速的升高，因此在该种情况下，为了能够保证充电的安全性，则需要系统能够降温，在温度继续升高时快速的断开充电回路。同时使用蜂鸣器报警装置对故障信息进行报警，以提醒相关工作人员进行处置。在操作模式下该系统则是能够通过按键以及手机操作的方式进行发送相应的控制指令使系统能够实现自动报警的功能，该系统在进行研究的过程当中具有较高的研究意义，并且能够广泛应用于社会当中的小区当中，得到大范围的推广。1.2国内外发展情况1.2.1国外研究现状电池管理技术在新能源汽车中扮演着至关重要的角色，它可以帮助我们降低成本并充分发挥电池的潜力。尽管目前这项技术尚未完全成熟，但全球电动汽车制造商都在努力推进这项技术的发展[10]。美国早期的Sub-I们对于电池管理系统的硬件、结构及其对应的电池状态估算做出了重要贡献，他们把这个系统划分成两个部分：一个是ECU，它负责收集、处理和控制信号；另一个则是EQU，它负责维护电池的平衡[11]，从而提高系统的可靠性和使用寿命。随着技术的发展，基于微电路的电池管理系统已经成为一种极具效率的解决方案，它不仅可以提供更高的采样频率和更精确的采样精度，而且还可以大大降低设计和制造的复杂性。O2Micro公司的OZ8930、OZ8940铅酸电池管理芯片、凌力尔特的LTC6802/LTC6803和德州仪器（TI））公司的bq，均为我们的高性价比产品，可以满足客户的各种电池管理需求，同时也为用户提供更加可靠、可靠的电池管理解决方案。GregoryL.是一位来自科罗拉多大学的杰出学者。Plett和nasserh.等美国科学家利用卡尔曼滤波器和无迹卡尔曼滤波器[12-13]，以及模糊算法、神经网络算法和其他智能算法，对电池NasserH.进行了准确的评估，并且可以精确地确定电池模型的参数，从而为电池行业带来了重大的突破。Kutkut[14,15]，来实现电池的成组后均衡控制，并且提出相应的策略来实现这一目标[16]。日本汽车制造商丰田汽车公司已经研制了用于混合动力汽车的先进电池管理技术[17]，而韩国Ajou大学和InstituteforAdvancedEngineering研究院的研究人员则利用实时监测技术，研究电池SOC如何受到环境变量，如老化、温度变化以及自放电的影响，以提高汽车的可靠性和安全性。使得其SOC估算的准确性达到3%以上，从而极大地改善了汽车的性能和可靠性。BOSCH公司的CAN总线通信协议在汽车领域得到了普遍的采用，但德国的A.Jossen和V.Spath却开发出一种新的自动化技术，它能够更准确地预测SOC和SOH，从而大大减少由于长时间使用所产生的累积误差。从而极大地提升了估计的准确性[18]。由于动力电池管理系统（BMS）的技术非常复杂，涉及到电子、通信、电力和控制等多个领域，因此在目前的研究中，国外主要从以下几个方面对BMS进行研究：一是在电池管理系统的硬件设计上，如电池充放电电路、电流采集电路等；二是在电池管理系统的软件设计上，如电池电压采集电路、安全保护电路等；三是在电池管理系统的仿真上，如电池充放电仿真、动力电池组充放电仿真等。1.2.2国内发展情况005随着技术的不断进步，北京理工大学、湖南神舟科技股份有限公司、北京有色金属研究总院等一批重要研究机构，凭借其出色的技术实力，为中国的电动汽车产业的可持续发展提供了有力的技术支撑，大大促进了电池管理系统的研究与开发。近年来，科学界和汽车行业的企业们积极探索电池管理技术[19]，北京交通大学、清华大学、中科院电工所等科研机构和企业纷纷投入大量资源，开发出各式各样的电池管理系统，以满足消费者的日益增长的电池需求。深圳派斯司德科技有限公司、哈尔滨冠拓电源、安徽力高新能源以及惠州亿能电子有限公司的努力，使得它们在电动汽车行业取得了巨大的成就，为客户提供了卓越的电池产品与服务。随着技术的飞速发展，我们的电池管理系统不仅拥有先进的热管理、充放电控制、安全保障和通信功能[20]，而且其主要技术指标也达到了国际最高水准。然而，目前我们仍然存在着较大的差距，尤其是在集成度、采样精度和制造工艺方面。锂离子电池已成为当今最受欢迎的电源之一，它拥有极高的能量密度、持久的使用寿命以及极低的自放电率。随着技术的不断进步，锂离子电池以其出色的特性，已被公认为是新能源汽车的最佳驱动力，并被普遍应用于多个行业。当前，中国正大力发展新能源汽车，其中以锂离子电池最受欢迎，它们可以被划分为两大类：一类是普通的锂离子电池；另一类是镍氢电池。镍氢电池具有高能量密度和安全性，并且可以持续循环使用，但是由于其制造成本较高，因此不太适合大规模应用。尽管锂离子电池拥有出色的能量密度和可靠的循环寿命，但它们的价格也不菲，而且在使用过程中还存在着可能引起爆炸的风险。电动汽车正在成为新能源领域的一个热门话题。电动汽车的应用，使得动力电池能够提供更多的能量来源，同时也为汽车的安全性能提供了有力的保障。因此，研究新能源汽车动力系统的核心是动力电池及其管理系统。锂离子动力电池是电动汽车的动力电源系统核心，而电池管理系统（BMS）则是锂离子动力电池组安全运行的关键技术之一。目前，BMS技术是国内外研究最多、应用最广、发展最快的领域之一。1.3本文研究内容本次论文在进行设计的过程当中，针对于电动充电问题进行了相应的设计管理，由于电动在进行充电时，可能会遇到不同的现状例如由于电车容量的不同而导致充电电压的不同以及电视容量的不同导致充电时间的不同，在进行充电时还有很多的因素将会影响充电的安全性，当出现异常的时候，例如电磁电流过大有可能会导致线路发生高温现象，则在高温下很容易引发事故现象，同时在进行检测的过程当中还需要进行检测温度利用温度来进行判断，火灾是否发生当温度升高时该系统能够自动断开外部的充电回路，并且能够实现自动闭合的功能，在手动模式下，该系统能够通过按键的方式进行开关，系统当中的，控制装置同时也能够利用按键的形式，进行充电的开启以及关闭可以实现对充电安全温度阈值的设定，具有较高的灵活性，在系统设计时还实现了远程物联网通信功能，将所设计的功能，单元与物联网模块进行连接，怎样实现无线通信的功能，在使用无线通信网络模块的时候，只要能够降下微机系统与上位机之间建立起通信连接，以便信息的上发以及下达,对于电动车控制系统的使用来说，既有较为重要的研究意义，不仅能够在一定程度上保护充电的安全性，同时也能够极大的促进电车行业的快速发展。第二章系统的总体设计2.1系统功能概述本次设计是一个高效、可靠、安全的解决方案，其主要应用在电动车电池充电的过程中，保证充电过程的监测和控制。这个系统非常实用，并且可以在各个领域得到广泛的应用。它的设计可能会对社会的发展和生活造成巨大的影响。该系统的成功研究和推广将实现高质量标准。为满足技术指标要求，需要完成以下几项：首先，该系统需要具备高效的充电功能。通过充电电流和电压的稳定控制，确保电池充电的速度和效率，同时避免过充或欠充现象的发生。其次，系统需要具备监测和控制功能。可以实时监测电池的状态和充电过程，并及时调整控制参数，以确保充电过程的安全、稳定和高效。第三，系统需要保证安全性。采用多层安全保护机制，包括过压保护、过流保护和短路保护等，确保电池充电过程中不会发生危险和事故。第四，系统还需要具备易用性和可靠性。通过简单的操作和参数调整，我们能够确保系统的稳定性和可靠性，从而使其能够长期运行并得到广泛的应用。该基于单片机的电动车充电电能系统具有重要的实用价值和广泛的应用前景。在技术指标的要求下，系统通过高效充电、监测和控制、安全保护以及易用性和可靠性等多方面的优化，最终实现高质量标准。通过需求分析，我们将深入探讨基于蓝牙的电车检测系统的设计和实施，包括硬件、软件、实施和测试，并着重介绍各个功能模块的设计思路和实施方法，同时也将对关键技术和部分源代码进行详尽的阐述。这个系统的核心目标是实现以下几项重要任务：1.通过采用电压互感器，系统可以实时监测充电系统的电压，从而判断充电系统是否处于正常状态，一旦发现异常，该装置将自动断开充电回路，以确保电力供应的安全性和可靠性。2.这个充电系统具有监测温度和湿度的功能，如果发现这些数据超出了预先设定的范围，它会发出自动报警。3.能够通过电流互感器监测充电过程中的电流状况，当系统的电流过小时能够自动断电，起到智能充电的功能。4.采用火焰检测传感器检测是否出现火灾，当系统检测到火灾时自动断电处理。5.使用液晶显示器完成数据显示功能，将采集的电压电流，温度显示到液晶显示器中，同时能够输入参数信息，设定不同的报警。2.2系统的结构电车充电继电器220V交流电电车充电继电器220V交流电上位机设计报警系统充电温度模块控制器电压曲线上位机设计报警系统充电温度模块控制器电压曲线电压采集电压采集蓝牙通信蓝牙通信电流曲线电流采集电流曲线电流采集液晶显示屏火焰液晶显示屏火焰图2.1系统模块分布图系统结构框图如图2.1所示，本系统主要由电源模块、采集模块、通讯模块、显示模块、上位机等组成。电源模块：主要用于为整个电池组提供稳定的电压和电流，它是整个系统的核心。该模块由一台直流稳压电源和一台直流电源组成，由它对整个电池组进行供电。采集模块负责将电池组的电压和电流信号转换成电信号，并通过连接线将其传递给上位机，从而实现对整个电池组的监控。通讯模块：该模块负责将采集到的信号进行传递，本系统采用蓝牙通信进行数据传输。显示模块负责将采集到的电信号和数据以图形或动画的形式显示出来。在显示过程中，可以通过屏设置参数、修改参数，也可以将参数存储为文本文件以便随时查询。上位机：上位机负责接收来自系统的命令，并将命令通过数据线发送给各个采集节点。主要完成对整个系统的监控、数据存储、查询等功能。总之，电池组健康检测系统的任务是对整个电池组进行监测和管理，从而有效地保证电池组的正常运行，确保电池在使用过程中的安全性。同时，系统可以根据不同的客户需求提供多种功能选项，如电压电流采集、数据存储、告警提示等。2.2.1数据采集系统根据不同的需求选择了不同的采集方式，如：1.电压检测：由于电池组内部各单体电池之间的电压不平衡，因此需通过电压检测来判断电池内部单体电池的健康状态。2.温度检测：由于电池组在工作过程中会产生热量，因此需要对电池组进行温度检测，以便及时了解整个电池组的温度情况。3.剩余电量检测：由于电池组内各单体电池之间存在着不平衡问题，因此还需要对电池组进行剩余电量检测，以便及时了解电池组的剩余电量。在不同的监测场景下，采集方式也不相同。比如在对多节电池进行监测时，为了保证对整个电池系统的监控效果，就需要将多节电池进行组合成组后再进行监测。因此本系统采用了“串行通信”的方式。2.2.2数据存储该系统将采集来自多个采集节点的电压和电流信息实时传输至中央存储器。通过滤波处理后，各采集节点的数据以蓝牙方式传输至上位机，并通过USEART接口实现数据的传输。上位机可以将数据存储在多种不同的存储方式中，包括文本、图形等，以满足用户的多样化需求。在上位机中，可对各个采集节点采集到的数据进行存储，同时也可以通过蓝牙模块将各个采集节点采集到的数据上传至上位机。这样不仅能够节约存储空间，还能实现数据共享，从而达到数据共享的目的。在本系统中，各个采集节点需要实时接收上位机下发的命令并将其以文本形式保存在本地。这样既能保证采集到的数据是准确的，也能保证上位机能够实时监控到各个采集节点的工作情况。在上位机上，可以选择不同的存储方式对各个采集节点采集到的数据进行存储。同时也可以对数据进行查询，查看每个采集节点和上位机之间的连接情况、电池剩余电量情况、各参数报警状态等。通过统计分析，我们可以将数据转化为图表和文本，从而更好地理解和掌握信息。2.3系统的组成电池健康检测系统主要由三部分组成，分别为测控单元、数据采集单元和数据分析单元。测控单元采用工业级芯片，可以实时监控电池组的电压、电流、温度等参数。数据采集单元采用多路同步采集，可以实现多个单体电池电压和电流的同步采集，并且具有抗电磁干扰和抗干扰能力强等优点。数据分析单元采用先进的数据分析方法，可以实现对电池组的状态信息进行全面的监测和分析，并对电池进行有效地管理。1.作为系统的关键组成部分，测控单元可以实时监测电池组的电压、电流、温度等状态，而且可以通过USART接口将这些信息传输到数据采集模块，从而实现对电池组的远程管理。2.这个模块旨在监测电池的电压、电流和温度，以确保它能够稳定地工作。通过实时采集单体电池的电压和电流信息，可以及时了解到电池健康状况的变化情况。3.数据分析单元能够对电池组健康状况进行全面监测和分析。此外，我们可以通过研究电池的电压、电流和温度等特性来有效地控制和管理整个电池组。2.3.1测控单元测控单元是电池健康检测系统的核心部分，它负责采集电池的电压、电流、温度等参数，并将其转换成标准信号输出。测控单元还能将采集到的参数通过USART接口上传至数据采集模块，然后通过数据分析单元对电池组进行管理。测控单元主要由下位机和上位机两部分组成。下位机包括传感器、电压互感器、温度传感器、继电器驱动模块和蓝牙通信模块。其中，蓝牙通信模块为无线通信模块，它的作用是将采集到的数据通过无线传输到上位机中。上位机由上位机软件labview组成。上位机的核心功能是为用户提供便捷的操作体验，并且支持对电池的管理。该用户管理模块旨在帮助用户管理其个人信息，包括授予权限、登录账号以及更新电池健康状态。2.3.2数据采集单元该系统使用4个转换器，可以同步测量每个单个电池的电压和电流。采样频率为30kHz，采样精度为±0.1%F.S。同时，将采集到的数据通过USART接口传输至数据分析单元。使用8位ADC技术，我们的数据采集单元能够同时监控多个单体电池的电压和电流，并且能够同时测量8个电压通道和8个电流通道，其采样频率高达30kHz。采用DHT11作为温度传感器，可以获得更高的精度和稳定性，从而更准确地测量出环境温度。DHT11是一款先进的数字温度传感器，它具有出色的精度和抗干扰能力，并且具有极大的线性范围，可以满足各种应用场景。2.4系统模块介绍2.4.1控制器图2.2STM32实物图这套系统采用的是STM32F103C8T6芯片,这个单片机处理器在使用的过程中处理速度大大提高,在设计芯片的过程中主要是ARM内部结构。单片机处理器在使用过程中,运算能力非常强。外置设计时,这款单片机处理器总共保留了40个外置引脚。供电过程中采用5伏伏两种供电方式。单片机支持嵌入式开发,可使用多线程开发装置,对外部具有外引脚供电方式的单片机系统进行相应的程序设计。在采用这种供电方式时,输入的电量波动小是需要保证的。第一,单片机可以稳定工作。同时,单片机还支持低功耗模式,在单片机进入低功耗模式时,单片机可以在外部输出停止的同时大大降低系统的功耗,但电动机内部的寄存器会工作,当外部产生触发条件时,会使单片机迅速进入工作状态。这种芯片提供了更多的工作方式和更多的硬件资源,比如可以在芯片内部使用AD采集通道和DA输出控制的单片机,以多窗口的形式对外沟通。2.4.2温湿度模块图2.3温湿度传感器DHT11由于温度的测量是新能源电车健康检测系统的重要内容，因此，需要对电池组的温度进行实时监测，以便及时发现电池组工作不正常情况。如图2.3,在设计过程中，采集温度采用DHT11温湿度感应器。这款温湿度传感器在使用的过程中传感器中有两个功能,一个是温度的采集,可以根据温度的变化实时采集温度值;另一个是可以进行湿度的采集,也可以通过外界的湿度变化进行采集,这两个采集单元在应用的时候,可以对环境中的温度和湿度进行实时的转换,这两个采集单元可以根据温度的变化实时采集并且能够在完成转换后利用待遇来应对。以数位数量型输出,主要采用单位数位总线技术进行输出时与单片机之间的输出。这种技术在进行通讯时,可以使通讯的数据连接大大降低,同时也可以使通讯传输速度更快的系统稳定性得到提高，在进行检测的时候，该模块其检测范围也比较广。为了实现电池单体的温度测量，需要对4~20mA电流进行放大处理。ADI公司的DHT11温度传感器接口电路采用了双级放大技术，以提供更高的精度和更准确的测量结果。通过低通滤波电路，在第一级放大电路中，将4~20mA电流信号进行精确的滤波处理，以获得更高的信号质量，最终将其输入ADI公司的DAC8583芯片中。在DAC8583芯片中，使用了1个RST触发器和1个高增益放大器（HGA）来实现放大处理功能。其中，低通滤波器可以抑制由电池电压波动造成的高频干扰信号；而高增益放大器则可以提高DHT11温度传感器测量精度。在硬件电路设计过程中，采用了电流反馈控制电路来控制放大电路的增益。这种方法能够有效避免由于电池电压波动造成的测量结果误差。在数据采集过程中，通过DAC8583芯片来实现对温度数据的采集。2.4.3AD采样模块“Analog-to-DigitalConverter”,ADC的缩写。通过使用数字信号，单片机可以有效地将复杂的模拟信号转化为易于处理和分析的数据。在单片机中，ADC模块通常有多个输入通道。每个通道可以输入不同的模拟信号。ADC模块能够从输入信号中提取出有用的信息，并将其转换为高精度的数字信号。经过转换的数据将被存储于单片机的内部，以便于进行进一步的计算和处理。ADC模块的精度可以通过它所能捕捉的最低电压波动来衡量。通常，分辨率越高，转换器就越精确。因此，较高的分辨率对于需要高精度测量的应用程序非常有用。ADC模块的精度是指转换器的实际精度。精度受到诸如运放和参考电压之类的电路元件质量的影响。因此，精度是确保ADC模块输出准确且重复性好的关键属性之一。2.4.4液晶显示器模块图2.4液晶显示器OLED1.OLED简介OLED显示屏是一种高清晰度、低功耗、高对比度的显示屏。它由有机发光二极管组成，能够在非常低的电压下工作，因此非常适合为嵌入式设备提供显示功能。OLED显示屏通常有几个接口，包括串行通信、并行通信、SPI和I2C等。在使用单片机时，通常使用SPI或I2C接口来连接OLED显示屏。2.OLED的优点(1)成本低：相比传统的LCD屏幕，OLED屏幕的价格逐渐降低，而且OLED屏幕生产工艺相对简单，可以大规模集成，大大降低了生产成本。(2)OLED屏幕的可视角度极其优秀，它的视野极其开阔，即使是在侧面，也能够清晰地捕捉到周围环境的细微差别。(3)色彩还原度高：OLED屏幕可以呈现出非常自然的色彩，色彩还原度非常高。(4)OLED省电节能：OLED屏幕采用自发光，不同于LCD屏幕的背光方式，可以节省能源消耗，更加节能。(5)OLED屏幕因其轻巧、清晰的色彩而备受欢迎，它已经被广泛应用于各种领域，比如建筑物的外观、台阶、展台、桥梁、酒店、KTV的装饰照明、广告招牌的制作等等。(6)可塑性强：OLED屏幕具有很强的可塑性，可以适用于各种应用场景，既能做成小小的屏幕，也能制作无缝拼接的巨幅屏。2.4.5蓝牙通信模块图2.5蓝牙模块蓝牙模块是一种将外围硬件电路和芯片集成到一个PCBA板上，通过相关IO串口和MCU控制设备，进行数据信息传输、蓝牙通信和组网功能，达到短距离无线通讯目的，实现电子产品所需的内置程序蓝牙功能的设备。其工作原理如下：1.发送端：单片机将需要发送的数据通过UART接口发送至蓝牙通信模块，蓝牙通信模块将接收到的数据编码成蓝牙协议格式，并通过天线进行无线传输。2.接收端：蓝牙通信模块接收到发送端发送的蓝牙协议格式的数据，并对其进行解码，将解码后的数据通过UART接口发送至单片机进行后续的处理。换句话说，单片机和蓝牙设备之间的连接可以通过UART协议实现。单片机将需要发送的数据通过UART接口发送至蓝牙通信模块，蓝牙通信模块将接收到的数据编码成蓝牙协议格式，并通过天线进行无线传输。在接收端，蓝牙通信模块会对所传输的数据进行编码，并使用UART协议将其传输给单片机，以便进一步的分析和处理。第三章系统的硬件设计3.1系统电池管理总体框架温度正常温度异常>1？故障产生？液晶显示断开电路报警充电温湿度数据采集数据初始化设置温度正常温度异常>1？故障产生？液晶显示断开电路报警充电温湿度数据采集数据初始化设置开始图3.1电池管理模块电池管理系统主要包括电池组检测、均衡控制、充放电控制、SOC估计和参数显示等功能。其中，电池组检测模块通过ADuC838芯片对电池组进行监控；均衡控制模块主要用于对电池组进行均衡充电和放电控制；充放电控制模块主要用于对电池单体进行充放电操作；参数显示模块主要用于显示电池组的电压、电流、温度等参数。此外，为了实现系统软件的模块化设计，在每个功能模块上还开发了相应的子程序。在主程序中，首先通过初始化模块建立串口，再由串口将采集到的电池组电压、电流等信号传送给ADuC838,在此基础上通过通信协议将数据传送给上位机。然后，系统主程序对ADuC838的内部资源进行初始化，并对各个模块的功能进行初始化操作。接着，系统主程序按照相关控制策略进行均衡充电和放电控制操作。最后，系统主程序完成电池管理系统的各种功能模块的初始化操作，并通过OLED显示出电池组的各种参数信息。此外，为了方便管理系统的维护，系统还提供了监控模块，可以对各个模块的运行状态进行实时监测。3.2温度湿度采集开始开始初始化初始化温度存在？温度存在？读取温度操作否读取温度操作存储操作命令存储操作命令ROM操作命令ROM操作命令返回返回图3.2温度读取子程序设计DHT11模块包括一个湿度传感器部分和一个温度传感器部分，它们共享一个单一的信号线进行通讯。在开始工作之前，主控单元向DHT11模块发送一个启动信号，然后模块将响应一个确认信号。接下来，主控单元向DHT11模块发送读取指令，并等待模块的响应。模块会以40位数据的形式将湿度和温度值发送回主控单元。根据图3.2所示的温度采集步骤，首先需要对GPIO（即系统）进行初始化，然后将DHT11设备复位，并向系统发射一个开始信号。接着，需要检测温度，并使用ROM命令来收集相关的数据。采集后进行存储，最后采用循环读入字节数据，并将最新读取的数据放在最低位。温湿度检测代码展示：u8DHT11_Check(void)检测DHT11的存在，u8DHT11_Read_Bit(void)进行读取数据；u8DHT11_Check(void) { u8retry=0; DHT11_IO_IN();//SETINPUT while(DHT11_DQ_IN&&retry<100) { retry++; delay_us(1); }; if(retry>=100)return1; elseretry=0;while(!DHT11_DQ_IN&&retry<100) { retry++; delay_us(1); }; if(retry>=100)return1; return0;}u8DHT11_Read_Bit(void) { u8retry=0; while(DHT11_DQ_IN&&retry<100) { retry++; delay_us(1); } retry=0; while(!DHT11_DQ_IN&&retry<100) { retry++; delay_us(1); } delay_us(40);//等待40us if(DHT11_DQ_IN)return1; elsereturn0; }3.3JSY-MK-1031单相宽量程计量模块本系统在进行电压电流采集的过程当中，主要是使用到了JSY-MK-1031型单相宽量程计量模块，这种模块在进行使用的过程当中能够实现交流采集功能以及直流采集功能，能够对电路当中的电能进行实时测量，这款系统具有采集和数据传输的功能，可以实时采集单相交流电的电压、电流功率、功率因数频率以及电量信息，并且可以通过参数寄存器读取，同时也可以采集直流电的电压、电流、功率和电量。为了实现区域的完全隔离，本系统采用串口通信，与单片机之间进行连接。这款系统具有小巧的体积这款接口既简洁又实用，它能够准确地测量电容量，并且拥有极大的灵活性，能够被轻松地安装在任何需要进行测量和操作的电子设备上，其性能与成本都非常优秀。表3.1测量电参数寄存器和通讯数据序号定义寄存器地址读写数据类型与计算说明1电压0048H读无符号数，值=DATA/100，单位V2电流0049H004AH读无符号数，值=DATA/1000，单位A3有功功率004BH004读无符号数，值=DATA/100，单位W3.4串口通信模块串口通信电路主要包括PC机和单片机两部分，其中，PC机通过串口与单片机通信。串口通信电路采用了LPC2210作为主控制器，其内部包含了通用串行接口（USART）、8位A/D转换器以及看门狗定时器等功能。其中，USART是一种与CPU并行通信的串行接口，在工业控制中应用广泛。PC机与单片机通信的硬件部分采用的是单片机。在该部分中，LPC2210内部包含了串口通信模块、A/D转换器、看门狗定时器等功能模块。其中，串口通信模块通过GPIO口连接到单片机的串行接口，用于接收单片机发来的数据和发送单片机收到的数据。串口通信模块代码展示：在串口中使用了中断进行接收数据，函数为USART1_IRQHandler(void)；voidUSART1_IRQHandler(void) { if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)!=RESET) { Res=USART_ReceiveData(USART1); if((USART_RX_STA&0x8000)==0) { if(USART_RX_STA&0x4000) { if(Res!='s')USART_RX_STA=0; elseUSART_RX_STA|=0x8000; } else { if(Res=='j')USART_RX_STA|=0x4000; else { USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res; USART_RX_STA++; if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0; } } } }3.5继电器控制单元图3.3三极管根据图3.3，当采用单片机芯片作为驱动源时，由于其功率有限，无法实现对继电器的有效控制，因此，必须采用三极管作为开关电路，以实现对继电器线圈的有效控制，同时，还可以采用二极管作为续流元件，以避免因线圈的闭合而导致的电流损失。3.6液晶显示3.6.1OLED显示器液晶数据更新显示内容设置显示位置设置液晶初始化开始液晶数据更新显示内容设置显示位置设置液晶初始化开始忙写检测写检测允许图3.4液晶显示流程图本次设计中使用了OLED显示屏，也就是发光二极管。使用OLED显示屏主要对采集的温湿度数据以及电压电流数据的显示，进而更好的进行观察数据的实时变化。使用OLED显示屏，需要了解到OLED的数据传输的方向，以及要点亮屏幕。以下将从两方面进行介绍：1.OLED的传输，需要使用GPIO进行模拟SPI协议对SSD1306总线进行通信，主控制芯片和OLED的传输是单项进行的，所以只可以令主控制芯片向OLED发送数据，而不能反向发送，所以先根据SPI的时序图实现数据的发送。2.数据的显示，想要数据在OLED上显示出来需要知道SSD1306内部有个SRAM称为GDDRAM，在RAM中进行写入数据，就会显示出来，在页寻址中，每当对RAM进行读写操作后，地址的指针就会加1，一直到地址的指向到结束的地址后，才会重新进行指向地址，如下代码：voidOLED_WR_BP(u8x,u8y){ OLED_WR_Byte(0xb0+y,OLED_CMD); OLED_WR_Byte(((x&0xf0)>>4)|0x10,OLED_CMD); OLED_WR_Byte((x&0x0f)|0x01,OLED_CMD);}3.6.2OLED与单片机连接电路设计需要在液晶显示器和单片机之间建立线路连接，这样单片机系统才能控制液晶显示器显示相应的功能。设计电路时，首先要参考有机发光二极管硬件显示器的引脚结构，根据引脚结构与单片机连接。第一个和第二个引脚是电源输入引脚，输入电压为5v，第三个引脚是SPI引脚。同时单片机的片选是逐位的，使能引脚需要由单片机的引脚控制，液晶的数据输出引脚也需要相应控制。3.7通信模块开始3.7.1通信模块总体设计开始蓝牙接入初始化蓝牙接入初始化通信设备初始化通信设备初始化搜索蓝牙设备搜索蓝牙设备是否建立连接是否建立连接Y读取当前温度读取当前电压电流数据读取当前温度读取当前电压电流数据接收数据并开始更新指令令接收数据并开始更新指令令接收数据并开始更新指令令接收数据并开始更新指令令图3.5蓝牙通信框架图本次设计使用了一种新型的蓝牙模块（HC-05），它具备两种不同的功能：一种是命令响应，即仅当接收到指令时，它才会发出指令，并且可以实现数据的传输。在进行设置命令模式时，需上电之前，令KEY接高电平，上电，灯2s一次闪烁，则进入命令模式。通过使用自动连接模式，系统能够实现三种不同的功能：主、从、回环。其中，主模式能够实现对蓝牙模块的快速搜索和连接，同时还能够实现快速、准确地传输和交换信息。3.7.2通信设置在本次设计中，在蓝牙的命令模式中蓝牙模块和socket相仿，都需要有一方进行发送数据，一方进行就收，所以蓝牙模块总分为两方面，一端是蓝牙客户端，进行需要进行创建连接，而另一端是蓝牙服务端，需要进行实时监听数据，再进行读写数据，根据数据指令进行操作。接收部分，系统采用的是轮询的方式进行接收蓝牙数据，以C语言形式进行展示为：VoidReceDate(void){ While(Date){ ReceiveDate;}}发送部分，通过串口USRT将串行数据发送到蓝牙后，再由蓝牙模块发送上位机，C语言形式展示为：VoidSendDate(void){ if(Value<10){ SendByte();} else{ sendTWOByte();}}如果发送的数据是一位就发送出去，如果是两位则要先发高位再发低位。系统的软件设计4.1检测端主程序设计在开发主程序之前，我们必须首先确保这个系统已经被初步调试过。这个过程涉及到对所使用到的各个模块部分进行初始化，并在此之后开始进行数据的采集。为了实现温度信息的采集，我们选择了温度传感器作为数据源。采集到的外部温度信息将会被显示在液晶显示器上，并且同时也会被用于异常情况的判断与处理。当系统检测到异常情况时，它会自动进行断电处理，以确保设备和用户的安全。同时，还会发出相关报警，以便及时提醒用户。除此之外，我们还通过蓝牙的形式将采集到的数据信息上传至手机终端。这样，就能够实时地采集和处理数据，从而满足用户对于实时监测的需求。这个系统是一个高效、可靠的方案，旨在为用户提供最佳的使用体验。通过对各个模块进行初始化，我们能够确保每个组件都能够无缝协同工作。同时，通过蓝牙上传数据，我们还能够让用户随时掌握设备的状况，从而能够更好地管理和维护设备。上位机的功能图如下所示。上位机上位机电压实时数据电流实时数据蓝牙通信协议电压实时数据电流实时数据蓝牙通信协议图4.1上位机功能图4.2显示软件流程图一旦设备被连接，它就能够通过蓝牙模块与上位机交互，实时显示电压和电流的变化情况。如果超出了预先设定的阈值，系统就会自动触发报警功能，采取必要的应对措施，包括断电和打开风扇。如下图展示：系统初始化系统初始化Y是否接入电压?是否接入电压?电流>1A?Y电流>1A?开启风扇开启风扇温度>50？是否有输出?Y温度>50？是否有输出?N时间超过5s湿度>70?上传上位机报警系统YNY湿度>70?上传上位机报警系统Y图4.2完整流程图4.3labview平台设计labview设计平台提供了两种概念：图形和图像。通过图表，我们可以实时地展示数据在特定坐标系中的变化情况，从而更好地了解物理量的变化。为了更好地展示数据的变化，我们使用曲线来表示，使图像更具有形象性。如下图显示：图4.3labview显示图第五章系统的测试与调试4.1测试在系统设计完毕后，我们需要对它进行全面的检查。这些检查将涵盖电压、电流、温度等多种模块。电压采集模块将收集电池单元的电压信息，并通过上位机软件显示出来。电流采集模块则将收集电池组的电流信息，并将这些信息与电池单元和电池之间的电流信息进行比较。最终，我们将使用上位机软件来确定这些信息的准确性。进而通过SPI通信协议对电池数据进行保存，最后通过串口协议与上位机通信，通过上位机软件进行数据的显示。电流采集模块是通过对电池内阻的测量来间接地测量电池的电流。系统中各个功能模块之间均有通信协议，方便对其进行编程。系统主要是实现对电池状态信息、放电/充电状态信息、安全管理等功能。系统可以实时监测电池状态，并将数据传送给上位机软件系统工作时，在通过在电池的两个端部安装一个高精度的电压传感器，可以实时监控其内部的电压变化情况。，同时在每个单体上安装一个电流传感器，用于检测单体的电流。同时对电池的温度进行实时监测。在电池管理系统中，还可以通过与上位机进行通讯来控制整个系统的工作状态，上位机软件可以监测电池状态，同时通过对每个模块的监测来判断电池是否出现故障。电压采集模块主要是对电池的电压进行采集在实际的测试中，首先在系统工作时对各个模块进行相应的功能测试，同时对整个系统的实际工作进行记录。具体的测试步骤如下：首先将电池单体从电池组中取出，进行电压采集；然后通过串口协议将电压数据传输给上位机软件；最后上位机软件通过串口协议对电池单体的电压数据进行存储，同时通过串口协议将数据传输给上位机。温度采集模块是在每个单体的两端分别设置一个温度传感器，通过测量电池单体温度，将其与设定温度进行对比。温度采集模块主要是对电池单体的温度数据进行采集，采用数字温度传感器（DHT11）。上位机软件可以实时监测每一节电池的状态，如果检测到某一节电池出现异常，会及时发出报警信息。同时也可以通过上位机软件设置相应的安全保护措施。如果检测到某一节电池出现故障，会自动停止工作。其软件调试界面如下：图5.1电压电流曲线图图5.2电压电流曲线图图5.3设计实物图4.2调试总结通过本系统的测试，发现本系统可以有效的实时监控电池组的健康状态，可以准确判断电池是否存在不安全因素，如果电池组不健康，则可以及时的提醒用户，并且在检测到电池状态异常时，会及时的报警，并及时更换电池。除了本系统可以实现多种测试工作，如充电、放电、充电电流、放电电流等，还可以根据不同环境温度对电池进行充放电测试，从而更好地满足用户的需求。测试结果表明，本系统能有效的监测电池组的健康状况，并及时发出警报。同时，还可以检测环境温度，从而控制电池充放电的电流、电压等参数，使电池组在合适的温度下工作。系统采用模块化设计，易于扩展和维护；在各模块之间使用隔离措施，从而提高了系统的可靠性；同时在各模块之间设计了状态反馈电路，方便用户了解电池组的状态。由于本系统只是一个小规模的应用，因此功能上仍有很大的提升空间。例如：当发生故障时，系统可以及时报警和更换电池；当检测到故障时，系统可以提供相应的报警功能，并及时提醒用户进行更换电池。第六章总结本次系统设计已经完成，本次设计完成了对电流电压的实时监控以及实时采集，同时添加了对温湿度的采集，能够对温湿度值进行设置阈值，防止外界或者内部由于温湿的原因影响对电流电压的影响，同时添加了报警系统，进行提醒，在上位机上，电流、电压值将会以曲线的形式进行展示，增加了信息的可视化，令数据更加立体，同时可以实时监控电流、电压数据。但在本次系统设计的过程当中也存在着一定的条件限制，例如在设计的时候使用无线通信距离较近，希望在后来的设计中，可以通过其他的通信方式能够进行解决，从而可以令系统更加完善。参考文献[1]张嵩,丁广乾,胡铁军,高洪雨.磷酸铁锂电池性能与应用研究[J].山东电力技术,2018(3):65-68[2]D.Feder,M.Hlavac.Analysisandinterpretationofconductancemeasurementsusedstate-of-healthofvalveregulatedleadacidbatteries