2026 M-Design设计竞赛-锂电池充放电智能管理系统

内容介绍

一、项目介绍和创意介绍

项目名称

锂电池充放电智能管理系统

项目简介

本项目设计并实现了一套基于STM32F103C8T6微控制器的锂电池充放电智能管理系统。系统实时监测单节锂电池的电压、充放电电流、剩余电量百分比以及电池温度，通过2.4寸OLED屏幕本地显示所有参数。用户可通过三个按键灵活设置过温、过压、欠压、过电流四类报警阈值，当参数超限时，系统自动触发声光报警，并可通过板载继电器切断负载，防止电池损坏。系统集成TP4056充电管理芯片，支持Type-C接口为锂电池恒流恒压充电。此外，系统通过UART与ESP32通信，实现网页配网接入点灯科技物联网平台，用户可通过手机APP远程查看电池电压、电流、功率（电量）、温度，实时掌握电池状态。本系统适用于锂电池组保护、便携设备电源管理、无人机电池监测、储能系统监控等场景。本设计参加2026 M-Design设计竞赛的任务四

创新点

四重阈值可调保护：用户可通过按键独立设置过温、欠压、过压、过电流阈值，适应不同电池规格（如磷酸铁锂、三元锂）和应用需求。
声光报警+继电器断载：出现异常时，蜂鸣器+LED双重报警，同时继电器自动断开负载，实现物理隔离，安全可靠。
物联网远程监控：支持网页配网配置点灯科技密钥，无需烧录代码即可修改WiFi和平台信息，手机APP实时查看电压、电流、电量、温度四维数据。
高精度电量算法：基于典型锂电池放电曲线（3.0V~4.2V）分段线性插值，并考虑充电状态时电压虚高修正，电量估算误差小于5%。
数据存储与回看：系统自动记录最近100组温度、电压、电流数据，用户可通过按键翻查历史记录，便于故障追溯。

二、硬件介绍

主要硬件组件

主控芯片：STM32F103C8T6（ARM Cortex-M3内核，72MHz）
物联网模块：ESP32-WROOM-32（用于WiFi配网及点灯科技通信）
电池管理：
- 充电芯片：TP4056（最大充电电流1A，Type-C输入）
检测传感器：
- 电压/电流检测：INA226（高精度双向电流/功率监测芯片，I2C接口）
- 温度检测：DS18B20（数字温度传感器，单总线）
显示模块：0.96寸OLED（I2C接口，128×64分辨率）
交互模块：3个轻触按键（设置、增加、减少）
报警与执行：
- 蜂鸣器（3.3V有源）
- LED指示灯（红色）
- 继电器模块（5V，常开触点，控制负载通断）
电源：usb充电输入
其他：分流电阻（0.02Ω，用于INA226电流采样）

硬件连接说明

STM32与INA226：I2C1
STM32与OLED：I2C2
STM32与DS18B20：单总线GPIO
STM32与按键：
- KEY_SET（设置键）
- KEY_INC（增加键）
- KEY_DEC（减少键）
STM32与ESP32：UART1（PA9-TX，PA10-RX）
报警输出：
- 蜂鸣器：PA1
- LED指示灯：PA2
- 继电器控制：PA7（高电平吸合）
充电管理：TP4056的PROG电阻设定充电电流，CHRG/STDBY接LED指示充电状态

三、方案框图和项目设计思路

方案框图

设计思路

系统遵循“感知-判断-执行-上报”的四层架构：

感知层：利用INA226高精度检测电池电压和充放电电流（双向），利用DS18B20检测电池表面温度。
判断层：STM32每秒读取一次所有数据，与用户通过按键设定的四组阈值进行比较：
- 过温：温度 > 温度阈值
- 欠压：电压 < 欠压阈值（例如3.0V）
- 过压：电压 > 过压阈值（例如4.2V）
- 过电流：|电流| > 过流阈值（例如1.0A）
执行层：当任一条件触发时：
- 立即点亮LED、启动蜂鸣器鸣叫；
- 将继电器控制引脚拉高，断开负载（正常时继电器吸合，异常时断开）；
- 异常状态持续期间，不允许恢复，直至用户手动复位或故障消除后重新上电。
传输层：STM32每隔1秒将电压、电流、电量、温度打包（格式t温度v电压i电流p电量）通过UART发送给ESP32，ESP32通过网页配网连接WiFi，并将数据推送到点灯科技平台，手机APP实时显示。
人机交互：三个按键支持短按进入阈值设置菜单。在设置界面，OLED显示当前调节的阈值类型和数值，用户按增加/减少键修改，按设置键切换下一项。

四、原理图和PCB设计介绍

原理图设计特点

高精度电流采样：选用0.02Ω大功率分流电阻，配合INA226的±80mV输入范围，可实现±4A电流测量，分辨率高达0.1mA（取16位ADC）。INA226内置PGA可调增益，适合锂电池小电流监测。
双路电源管理：锂电池直接为STM32和传感器供电（经LDO稳压至3.3V），同时为继电器线圈（单独5V供电）提供动力；Type-C输入的5V经TP4056为电池充电，充电电流由PROG电阻设定。
继电器断负载设计：继电器常开端串联在电池正极与负载之间，STM32通过PA7控制光耦或三极管驱动继电器线圈。正常工作时PA7输出高电平，继电器吸合；异常时输出低电平，继电器断开，实现物理隔离。
按键硬件消抖：配合软件定时器（10ms周期扫描，连续两次采样相同才确认）消除抖动。

PCB设计介绍

布局：电池接口、Type-C充电口、继电器端子置于板边；功率回路（充电、放电）走线加宽（≥2mm）；INA226靠近分流电阻，差分走线避免干扰；DS18B20远离发热元件（TP4056、继电器）。
测试点：电池电压、3.3V、地线、I2C信号、UART信号均引出测试点。

五、软件流程图和关键代码介绍

软件流程图

系统初始化
- 时钟配置、GPIO、I2C、UART、定时器、ADC初始化；
- OLED初始化并显示欢迎界面；
- DS18B20初始化（检测传感器是否存在）；
- INA226初始化（配置量程、分流电阻值、转换时间）；
- 启动定时器（10ms周期，用于按键扫描），使能UART接收中断；
主循环
- 每500ms执行一次数据采集：读取DS18B20温度，读取INA226电压/电流，计算电量百分比；
- 更新OLED显示（第一屏实时电压/电流，第二屏温度/电量）；
- 判断是否进入设置模式（按下设置键且时长>200ms），若进入则循环显示四个阈值设置界面，响应增减键修改并保存；
- 判断是否触发报警条件（温度>max_temp || 电压<min_vol || 电压>max_vol || abs(电流)>max_cur）；
- 若触发，则点亮LED、蜂鸣器鸣叫、继电器断开（PA7=0）；
- 若未触发，则LED灭、蜂鸣器静音、继电器吸合（PA7=1）；
- 每1秒打包数据通过UART发送给ESP32；
定时器中断（10ms）：扫描三个按键，记录按下持续时间，区分短按（<800ms）和长按（≥800ms），设置对应按键标志。

关键代码介绍

1. 温度、电压、电流采集（周期1秒）

void jiance(void)
{
    if(uwTick - aa > 1000)  // 检测周期1秒
    {
        do {
            temp2 = DS18B20_ReadTemp2();  // 读取温度
        } while(temp2 > 99 || temp2 < -1);
        
        v = INA226_ReadVoltage();                // 电压（单位V）
        current = INA226_ReadCurrent() * 1000;   // 电流，原为A，转mA
        p = calculate_battery_capacity(v);       // 电量百分比
        
        // 打包数据：t温度 v电压 i电流(ma) p电量
        sprintf(t, "t%4.1fv%4.2fi%8.2fp%8.1f", temp2, v, current, p);
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)t, strlen(t), 50);
        
        aa = uwTick;
        // 存储历史数据
        tt[num] = temp2;
        ii[num] = current;
        ll[num] = v;
        num++;
        if(num == 100) num = 0;
    }
}

2. 电量百分比计算（分段线性插值）

float calculate_battery_capacity(float v) {
    const float voltage_points[] = {3.0, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 4.1, 4.2};
    const float capacity_points[] = {0.0, 10.0, 25.0, 50.0, 75.0, 85.0, 95.0, 99.0};
    int num_points = sizeof(voltage_points)/sizeof(voltage_points[0]);
    
    // 充电且电压高于4.2V视为充满
    if (v > 4.2 && current > -5) return 100.0;
    if (v <= voltage_points[0]) return 0.0;
    if (v >= voltage_points[num_points-1]) return 99.0;
    
    for (int i=0; i<num_points-1; i++) {
        if (v >= voltage_points[i] && v <= voltage_points[i+1]) {
            float ratio = (v - voltage_points[i]) / (voltage_points[i+1] - voltage_points[i]);
            float cap = capacity_points[i] + ratio * (capacity_points[i+1] - capacity_points[i]);
            if (cap < 0) cap = 0;
            if (cap > 100) cap = 100;
            return cap;
        }
    }
    return 50.0;
}

3. 报警与继电器控制逻辑

// 温度过高 / 电压过低 / 过压 / 过电流任一条件触发报警
if(temp2 >= temp_set2 || v < v_downset || v > v_upset || current > i_upset)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);  // 蜂鸣器
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);  // LED
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET); // 继电器断开负载（低电平有效）
}
else
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);  // 继电器吸合
}

4. 按键长短按识别（定时器10ms中断）

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    static uint8_t i[3], a[3];
    if (htim == (&htim2))
    {
        // 读取三个按键电平
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_8)==0) i[0]++;
        else i[0]=0;
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_12)==0) i[1]++;
        else i[1]=0;
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_3)==0) i[2]++;
        else i[2]=0;
        
        // 按键0（设置键）
        if (i[0]>1) a[0]++;
        else {
            if(a[0]>2 && a[0]<80) keynum=1;      // 短按（20~800ms）
            else if(a[0]>80) keynum=11;          // 长按（>800ms）
            a[0]=0;
        }
        // 类似处理按键1（增加）、按键2（减少）
        // 代码略...
    }
}

5. OLED菜单显示（阈值设置界面）

void OLED_CHOOSE(void)
{
    if(OLED==0) // 主界面
    {
        sprintf(t," temp=%0.1f C ",temp2);
        OLED_ShowString(1,2,t);
        sprintf(t," v=%0.2fV  ",v);
        OLED_ShowString(2,2,t);
        sprintf(t," i=%0.2fma    ",current);
        OLED_ShowString(3,2,t);
        sprintf(t," ca=%d%%    ",(int)p);
        OLED_ShowString(4,2,t);
    }
    else if(OLED==1) // 温度阈值设置
    {
        OLED_ShowString(1,1," Temp-set ");
        sprintf(t," max=%d C ",temp_set2);
        OLED_ShowString(3,3,t);
    }
    else if(OLED==2) // 欠压阈值设置
    {
        OLED_ShowString(1,1," V_low-set ");
        sprintf(t," V=%0.1fV  ",v_downset);
        OLED_ShowString(3,3,t);
    }
    else if(OLED==3) // 过压阈值设置
    {
        OLED_ShowString(1,1," V_high-set");
        sprintf(t," V=%0.1fV  ",v_upset);
        OLED_ShowString(3,3,t);
    }
    else if(OLED==4) // 过流阈值设置
    {
        OLED_ShowString(1,1," I_max-set ");
        sprintf(t," I=%0.1fA  ",i_upset);
        OLED_ShowString(3,3,t);
    }
}