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基于霍尔效应传感器的锂离子电池测量系统（示意图+代码）

来源：电路城

2021-12-15

类别：电源管理

拍明

原标题：基于霍尔效应传感器的锂离子电池测量系统（示意图+代码）

基于霍尔效应传感器的锂离子电池测量系统设计

1. 引言

随着便携式电子设备的广泛应用，锂离子电池的使用越来越普遍，尤其是在智能手机、电动工具、电动汽车等领域。准确测量锂离子电池的电流、电压、温度和剩余电量是确保电池性能和延长电池寿命的重要手段。本设计基于霍尔效应传感器，采用先进的微控制器（MCU）进行数据采集和处理，以实现对锂离子电池的电流和电量的准确测量。

2. 霍尔效应传感器原理

霍尔效应传感器是基于霍尔效应工作的。霍尔效应是指在一个导体或半导体中，当电流垂直于磁场流动时，会在与电流和磁场垂直的方向上产生电势差。通过霍尔效应传感器，可以非接触式地测量电流的强度，这对于电池监测系统来说非常有用，因为它能精确地测量电池充放电时的电流变化。

在锂离子电池管理系统中，霍尔效应传感器主要用于实时测量电流，帮助计算电池的充放电情况。

3. 系统硬件设计

3.1 主要硬件组件

霍尔效应传感器：在本设计中，我们选择了 ACS712 霍尔效应电流传感器。该传感器可用于测量直流电流，具有高精度和较宽的测量范围（±5A、±20A、±30A）。其输出电压与测量的电流成线性关系，便于通过ADC进行数字化处理。
主控芯片（Microcontroller, MCU）：在本设计中，选择了 STM32F103RCT6 作为主控芯片。STM32F103RCT6 是一款高性能的32位ARM Cortex-M3内核微控制器，具有丰富的外设支持和较高的处理速度。它能够高效地读取霍尔传感器的模拟输出信号，并通过内置的ADC模块进行数字化转换。
电池管理芯片：为了监测电池的电压和温度，设计中使用了 BQ25703A 电池管理芯片。BQ25703A支持多种电池保护和充电功能，能够精确测量电池的电压和温度。
LCD显示模块：为了直观地显示电池的电压、电流、剩余电量等数据，采用了一款 128x64 LCD显示屏。
电流传感器和电池接口：连接电池的电流传感器和接口电路用于传递电池的实际电流数据。

3.2 系统框架

系统的整体框架设计如下：

电池与电流传感器之间通过霍尔效应传感器（如ACS712）连接。电流传感器输出模拟信号，STM32微控制器通过其ADC引脚读取该信号。
STM32通过其串口或I2C与电池管理芯片（如BQ25703A）通信，读取电池电压、温度等数据。
数据通过MCU进行处理，最终在LCD屏幕上显示出来，便于用户实时查看电池状态。

4. 主控芯片型号和设计中的作用

4.1 STM32F103RCT6 微控制器

STM32F103RCT6 是一款基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位微控制器，工作频率高达 72 MHz，内置64KB闪存和20KB SRAM，具有多个 I/O 引脚、USART、SPI、I2C、ADC 和定时器等功能。其在本设计中的主要作用包括：

数据采集：STM32F103RCT6通过其内置的12位 ADC模块对霍尔效应传感器的模拟信号进行采样。ADC的采样精度和速度使得电流测量更加精准。
数据处理：MCU会根据传感器输出的电流信号，结合电池的电压数据，计算电池的剩余电量和放电速率，进而估算电池的健康状态。
通讯控制：通过USART、SPI或I2C通信接口，STM32可以与电池管理芯片、LCD显示屏等其他外设进行数据交换。
电池监测：通过与电池管理芯片（如BQ25703A）的通信，STM32F103RCT6可实时监控电池的电压、温度等参数，保障电池工作在安全的范围内。

4.2 BQ25703A 电池管理芯片

BQ25703A 是一款高度集成的电池管理芯片，专为锂离子电池设计。它能够提供精确的电池电压和温度监测，并具有电池充电管理功能。在本系统中，BQ25703A主要用于：

电池电压监测：该芯片能够实时测量电池的电压，并将数据通过I2C传输到STM32微控制器。
电池温度监测：芯片内置温度传感器，用于监控电池的工作温度，防止过热。
电池保护：当电池出现过充、过放、短路等异常情况时，BQ25703A能够提供保护机制。

5. 电流测量与数据处理

5.1 电流测量

ACS712 霍尔效应电流传感器通过测量通过电池的电流，输出与电流成正比的模拟电压信号。STM32的ADC模块将此模拟信号转换为数字信号，并根据已知的传感器转换系数计算出电流值。

例如，对于 ACS712 的 ±5A 模型，其输出电压范围为 -5A 到 +5A，中心零电流点为 2.5V。通过以下公式可以计算电流：

$I = frac{(V_{out} - 2.5)}{0.185}$ I=0.185(Vout−2.5)

其中， $V_{out}$ Vout 为ACS712的输出电压，0.185为该传感器的灵敏度（单位为V/A）。

5.2 数据处理与显示

当电流值被转换为数字信号后，STM32会根据时间计算电池的剩余电量。为此，可以采用简单的积分方法，通过测量当前电流的平均值来推算电池的剩余容量。

剩余电量计算公式：

$SOC = SOC_0 - frac{I_{ ext{avg}} imes Delta t}{C_{ ext{battery}}}$ SOC=SOC0−CbatteryIavg×Δt

其中， $SOC_0$ SOC0为初始电量， $I_{ ext{avg}}$ Iavg为平均电流， $Delta t$ Δt为采样时间间隔， $C_{ ext{battery}}$ Cbattery为电池容量。

这些数据将被传输到LCD显示模块，实时显示电池的电压、电流和剩余电量等信息。

6. 软件设计

6.1 主要功能模块

初始化模块：初始化MCU的各个硬件外设，包括ADC、I2C、LCD显示屏等。
数据采集模块：通过ADC模块采集霍尔传感器的电流数据，定期读取电池电压和温度。
数据处理模块：根据电流、电压和温度数据计算电池的剩余电量（SOC）和充电状态。
显示模块：将电池状态、当前电流和电压等信息实时显示在LCD屏上。

6.2 示例代码

#include "stm32f10x.h"
#include "lcd.h"
#include "i2c.h"
#include "adc.h"

float current; // 电流值
float voltage; // 电压值
float soc; // 电池剩余电量
int adc_value; // ADC采样值

// 初始化函数
void Init_System(void) {
    // 初始化ADC、LCD、I2C等
    ADC_Init();
    LCD_Init();
    I2C_Init();
}

// 电流测量
float Measure_Current(void) {
    adc_value = ADC_Read();
    current = (adc_value - 2048) * 5.0 / 4096 / 0.185; // 假设使用ACS712传感器
    return current;
}

// 电池电压测量
float Measure_Voltage(void) {
    // 读取电池电压
    return Get_Battery_Voltage(); // 假设函数从电池管理芯片读取电压
}
// 剩余电量计算
void Calculate_SOC(void) {
    static float previous_soc = 100.0f; // 初始SOC为100%
    static float previous_time = 0.0f;  // 用于计算时间差

    // 获取当前时间
    float current_time = Get_System_Time();
    float delta_t = current_time - previous_time; // 计算时间差

    // 获取电池电流和电压
    current = Measure_Current();
    voltage = Measure_Voltage();

    // 假设电池容量为2500mAh，根据电流和时间估算剩余电量
    float battery_capacity = 2500.0f; // 电池容量 (mAh)
    float average_current = current * delta_t; // 平均电流 (mAh)
    
    // 使用简化公式计算SOC：SOC = SOC_0 - (I_avg * Δt / 电池容量)
    soc = previous_soc - (average_current / battery_capacity) * 100;

    // 更新前一个时间点
    previous_time = current_time;

    // 限制SOC值的范围
    if (soc > 100.0f) {
        soc = 100.0f;
    } else if (soc < 0.0f) {
        soc = 0.0f;
    }

    previous_soc = soc;
}

// 更新LCD显示
void Update_LCD_Display(void) {
    // 显示电流、电压和剩余电量
    LCD_Clear();
    LCD_Printf("Current: %.2f A", current);
    LCD_Printf("Voltage: %.2f V", voltage);
    LCD_Printf("SOC: %.2f%%", soc);
}

// 主程序
int main(void) {
    // 初始化系统
    Init_System();

    // 主循环
    while (1) {
        // 计算剩余电量
        Calculate_SOC();

        // 更新LCD显示
        Update_LCD_Display();

        // 延时100ms，避免过于频繁的更新
        Delay(100);
    }
}