基于STM32的充电系统设计

基于STM32的充电系统设计

朱贤武,陶曾杰,彭勇,熊宇

湖南信息学院电子科学与工程学院 湖南长沙 410151

摘要：在一些重要的公共建筑的场合，如电梯、大型通讯网络、银行、医疗系统等，不可以轻易断电，否则可能会造成重大的财产损失以及人员伤亡等问题。这时，后备电源可以暂时提供电能从而起到应急的作用。

基于此背景，制作了一个基于STM32的充电保障电源箱。主要包含两大模块，一个是充电模块，以及锂电池监测模块。基于AD/DC-DC/DC逆变技术，充电模块根据锂电池的充电特性以及最佳充电方法，设置了专用的TP5100充电板来输出合适的充电电压、电流提供给锂电池，并设计了过充、过流、过压等保护功能。锂电池监测模块采用STM32单片机来监控电池电量；采用LCD1602显示屏显示锂电池的充电电压、电量；采用蜂鸣器实现电路报警的作用。经过实测验证，该充电保障电源箱可以实现预期的后备电池管理、监测功能。

关键词：充电装置；STM32；锂电池；电压电量监测

1 引言

本设计是基于传统的应急电源上，设计出一款更加便携式的储能电源的充电研究系统。与市场上的一般应急电源相比，接入了交流输入、直流输入的充电模块、以及显示的电路设计，并设计完善的保护和检测系统，可以通过LCD液晶显示屏看到锂电池的充电电压、电量等情况。可以为需要使用紧急电能的用户提供便利、安全且干净的电能[1]。本文所设计的充电保障电源箱的充电系统，可以作为手机、充电宝、USB接口风扇等小型电子设备提供电能。可以任意满足直流和交流充电的需求，也可以用于发生故障或者供电中断的硬件系统临时充电，为解决故障与问题做出了充足的准备。

2 系统总体设计

系统由一块控制芯片和其他电路组成。主要包括主控模块、输入交流电源、输入直流电源模块、锂电池及充电电路、检测电路、显示模块、报警电路。

给锂电池充电的输入电压有两种方式：1、由电网220V交流电经过降压、整流输出合适的直流为锂电池充电板提供电压。实现AC/DC的功能。2、输入任意5-35V直流电，经过稳压电路输出合适的直流电锂电池充电板提供电压[2]。

充电电路主要是由专门的锂电池充电板TP5100和一个自锁开关组成，TP5100芯片可以将电压、电流恒定在锂电池理想充电电压、电流范围内，达到稳定的充电状态，防止过流、过压。充电过程亮红灯，充满后，亮绿灯，充电自动停止，防止过充，从而保护锂电池。自锁开关主要控制充电电路的关断。主控模块主要由STM32构成，只有在停止充电时，才可以监测到锂电池的电压和电量。当锂电池自身的电量低于阈值电量65%。报警电路发出报警信号[3]。也可以通过按键电路设计可允许最低阈值电量。检测电路，即能对系统自身的锂电池的参数进行在线检测。将电压、容量通过A/D转换成可显示的电压、电量值。控制器可以控制液晶显示屏进行电量、电压的显示。

2.1 输入电源电路的设计

电源电路主要分为两种方式：1、输入220V交流电，经过AC-DC电路，成功将220V交流输入电压转换为5V的直流输入电压，再经过TP5100锂电池专用充电板，稳定充电电压、电流给锂电池充电。2、采用5-35V直流电压，通过稳压电路将电压稳定在5V，在经过TP5100锂电池专用充电板，稳定充电电压、电流给锂电池充电。

2.1.1 交流电源输入电路设计

充电箱的电源模块的第一种供电方式主要是交流电源输入，经过AC-DC，达到市电电压转变为能够给锂电池充电的5V直流电压。具体过程为：220V市电电压首先通过220V,10W转9V,10W的电源变压器，得到9V的交流电压。再经过一个整流桥，将9V交流电转换为单向直流电。再通过滤波电路，对直流电进行滤波，最后经过LM7805稳压电路将直流电压稳定在5V，不会随着市电的波动而有过大的变化。LED1串接一个R1限流电阻作为输出指示灯。

2.1.2 充电电路的设计

充电电路的作用主要是输入电压、电流经过一定的转换，变成适合锂电池充电的稳定，不容易波动的电压、电流，并起到过流、过压、过充的保护作用，保护锂电池不受损伤[4]。因此这里采用一块成熟的锂电池充电保护板。

系统提供了两种充电方式：一是直流电输入5-35V稳压至5V，通过锂电池充电保护板给3.7V锂电池充电。第二种则是通过交流电220v经过充电器降压、整流到5V，再通过锂电池充电保护板给3.7V锂电池充电。

2.1.3 STM32电源电路的设计

STM32电源电路可以通过接充电模块上面的5V的USB接口。也可以通过充电器进行供电，都是输入5V直流电。直流电5V经过STM32内部的电源转换芯片AMS1117得到3.3V用于微控制器等的供电。

2.2 检测模块设计

2.2.1电压检测设计

本设计的电压检测模块使用电阻分压的方式采集锂电池电压。STM32具有3个数模转换的I/O口，所以无需再设置AD采样芯片。单片机内部的供电电压为3.3V，参考电压Vref也是3.3V

[5]。而锂电池的电压范围一般在3-4.2V之间，3.3V作为满量程，可以使用串联两个电阻进行分压。

STM32内部的ADC时12bit，其分压级数4096级。如果STM32采集到的电压为V（小数），采用两个相同大小的电阻进行分压，分压的比值是1/2。设锂电池电压为P，那么电池电压的公式为(1)，单位是V。

                            (1)

2.2.2电量检测设计

本设计的电量检测模块，锂电池的电量可以通过ADC检测电压来监控电池电量。先检测到了电压，再通过计算公式得到电池电量的值。

锂电池的电压范围一般在3-4.2V之间。当电压等于4.15V时电量为99%，电池电压小于等于3V时认为电量为0%。在正常情况下，设锂电池电压为P，锂电池电量为Q。锂电池的电量为公式(2)：

                         (2)

3 主程序设计

监测模块的主控芯片是STM32，主程序包括对监控系统整体电路的设计，以及对电压、电量测量的控制，以及对液晶显示屏、按键电路的控制。实现一整套流程的设计。

4结论

本文设计了一款更加便携式的储能电源的充电系统。与市场上的一般应急电源相比，接入了交流输入、直流输入的充电输入方式、以及显示的电路设计，并设计完善的保护和监测系统，单片机控制显示模块可以看到电池的电压、电量等情况。不仅能够为使用者提供快捷、便利、安全且干净的电能，而且能够监测到充电装置的用电情况。本文所设计的充电保障电源箱的充电系统，可以作为手机、充电宝、风扇等小型电子设备提供能量。可以任意满足直流和交流充电的需求，也可以用于发生故障或者供电中断的硬件系统临时充电。

项目来源：2020年湖南信息学院大学生创新创业项目“基于STM32的电动小车动态无线充电系统设计”；2021年湖南省教学改革研究项目“工程教育专业认证理念下电子信息工程卓越人才培养的探索与实践”（HNJG-2021-1236）；2021年产学合作协同育人项目（202102211172）。

参考文献

[1]尹静文,张贵锋.一款便携式多功能移动电源研究[J].电池工业,2018,22(04):187-190.

[2]吴亦.开关式电源充电管理芯片的设计与实现[D].合肥工业大学,2015.

[3]汪贵雄.电动汽车车载电源[D].华侨大学,2019.

[4]宋庆华.一款线性锂电池充电管理芯片的设计[D].华中科技大学,2015.

[5]田家路.基于STM32的电动汽车锂电池管理系统设计[D].安徽理工大学,2017.