高精度ADC，OLED实时显示：STM32打造专业级锂电池电压监测

锂电池作为一种高效的可充电能源，广泛应用于各种便携式电子设备和电动交通工具中。准确监测锂电池电压对于确保电池安全运行、延长电池寿命至关重要。本文将介绍一种基于STM32微控制器的锂电池电压监测系统设计方案，并提供详细的电路图、代码示例和调试步骤，帮助读者快速掌握锂电池电压监测技术。

1. 系统概述

本系统以STM32F103C8T6微控制器为核心，采用分压电路将锂电池电压调整至ADC可测量范围，通过STM32内置的ADC模块采集电压信号，并进行数字滤波处理，最后将测量结果显示在OLED屏幕上。

系统功能：

• 实时监测锂电池电压
• 电池电压过压、欠压报警
• 电池电量百分比显示
• OLED屏幕显示

  系统框图:

  

  2. 硬件设计

  2.1 电路原理图

  以下是系统电路原理图：

  

  2.2 元器件选择

  元器件	描述
  STM32F103C8T6	微控制器
  锂电池	3.7V 锂离子电池
  OLED显示屏	0.96寸 I2C OLED显示屏
  电阻R1, R2	分压电阻，阻值根据电池电压和ADC量程选择
  LED	报警指示灯

  2.3 电路工作原理

  • 分压电路: 由电阻R1和R2组成，将锂电池电压分压后送至STM32的ADC输入引脚PA0。
  • ADC采集: STM32内置的ADC模块将模拟电压信号转换为数字信号。
  • 电压转换: 通过ADC采集到的数字信号，根据分压比例计算出实际电池电压。
  • OLED显示: 将测量得到的电池电压、电量百分比等信息显示在OLED屏幕上。
  • 报警功能: 当电池电压过高或过低时，点亮LED指示灯进行报警。

    3. 软件设计

    3.1 ADC初始化

    void ADC_Init(void)
    {
      ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
      GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
      // 使能ADC1和GPIOA时钟
      RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
      // 配置PA0为模拟输入模式
      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
      GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
      // 配置ADC参数
      ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
      ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
      ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
      ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
      ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
      ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
      ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
      // 校准ADC
      ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
      ADC_ResetCalibration(ADC1);
      while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
      ADC_StartCalibration(ADC1);
      while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
      // 使能ADC1
      ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
    }

    3.2 电压采集与转换

    float Get_Battery_Voltage(void)
    {
      uint16_t ADC_Value;
      // 读取ADC转换结果
      ADC_Value = ADC_GetConversionValue(ADC1);
      // 将ADC值转换为电压值
      // 注意：这里需要根据实际分压比例进行计算
      float Voltage = ADC_Value * (3.3 / 4096) * (R1 + R2) / R2;
      return Voltage;
    }

    3.3 OLED显示

    void OLED_Display(float voltage)
    {
      char str[20];
      // 清屏
      OLED_Clear();
      // 显示电压值
      sprintf(str, "Voltage: %.2fV", voltage);
      OLED_ShowString(0, 0, str, 1);
      // 显示电量百分比
      // 注意：这里需要根据电池电压和放电曲线计算电量百分比
      uint8_t percent = (voltage - 3.0) / (4.2 - 3.0) * 100;
      if (percent > 100) percent = 100;
      sprintf(str, "SOC: %d%%", percent);
      OLED_ShowString(0, 16, str, 1);
      // 刷新屏幕
      OLED_Refresh_Gram();
    }
    

    3.4 报警功能

    void Alarm_Check(float voltage)
    {
      if (voltage > 4.2)
      {
        // 电压过高，点亮LED报警
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);
      }
      else if (voltage  
    3.5 主函数
     
    int main(void)
    {
      // 初始化时钟、GPIO、ADC、OLED等外设
      System_Init();
      while (1)
      {
        // 获取电池电压
        float batteryVoltage = Get_Battery_Voltage();
        // OLED显示电压值和电量百分比
        OLED_Display(batteryVoltage);
        // 电压报警检测
        Alarm_Check(batteryVoltage);
        // 延时一段时间
        Delay_ms(100);
      }
    }
     
    4. 调试步骤
     
    按照电路图连接好硬件电路。
    将代码编译后下载到STM32开发板中。
    连接锂电池，观察OLED屏幕是否显示电池电压和电量百分比。
    模拟电池电压过压和欠压情况，观察LED报警功能是否正常。
    5. 总结
     
    本文介绍了一种基于STM32的锂电池电压监测系统设计方案，该方案电路简单、成本低、易于实现。通过对锂电池电压进行实时监测，可以有效防止电池过充过放，延长电池使用寿命，提高电池安全性。
     
    相关知识点链接
     
    1. STM32F103C8T6 数据手册:
     
    

    • 官方链接: https://www.st.com.cn/zh/microcontrollers-microprocessors/stm32f103/documentation.html
    • 重点关注章节:
      • Chapter 10: Analog-to-digital converter (ADC): 介绍 ADC 模块的特性、工作原理、寄存器配置等。
      • Chapter 9: General-purpose and alternate function I/Os (GPIO): 介绍如何配置 GPIO 引脚用于 ADC 输入。

      2. STM32 HAL 库 ADC API 参考手册:

      • 获取方式:
        1. 下载并安装 STM32CubeMX 软件包: https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubemx.html
        2. 在安装目录中找到 HAL 库文档: \STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_F1_Vx.x.x\Drivers\STM32F1xx_HAL_Driver\Docs\STM32F1xx_HAL_Driver.chm (Vx.x.x 代表版本号)
      • 重点关注函数:
        • HAL_ADC_Init(): 初始化 ADC 模块。
        • HAL_ADC_ConfigChannel(): 配置 ADC 通道。
        • HAL_ADC_Start(): 启动 ADC 转换。
        • HAL_ADC_PollForConversion(): 轮询方式等待转换完成。
        • HAL_ADC_GetValue(): 获取转换后的数字值。

        3. OLED 显示屏资料:

        • 请根据您使用的 OLED 模块型号，搜索其数据手册和相关资料。 例如:
          • SSD1306: 搜索 "SSD1306 datasheet"
          • SH1106: 搜索 "SH1106 datasheet"
        • 重点关注内容:
          • 通信接口: I2C 或 SPI，了解通信协议和时序。
          • 显示分辨率和驱动方式: 了解如何控制像素点亮和显示内容。
          • 命令集: 了解如何控制 OLED 的亮度、对比度、显示模式等。

          4. 锂电池充电和放电曲线:

          • Battery University: https://batteryuniversity.com/ (英文)
          • 重点关注内容:
            • 了解锂电池的电压特性，例如充电截止电压、放电截止电压等。
            • 了解锂电池的放电曲线，以及如何根据电压估算剩余电量。

            5. 分压电路原理:

            • 维基百科: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_divider (英文)
            • 重点关注内容:
              • 了解分压电路的基本原理，以及如何计算分压后的电压值。
              • 了解如何选择合适的电阻值，将电池电压分压到 ADC 可测量的范围内。