纪涵婷，吴伟东，李 权，黄作耀，朱晓君

（1.江西理工大学 软件工程学院，江西 南昌 330013；2.江西理工大学 能源与机械工程学院，江西 南昌 330013）

0 引 言

在我国，干电池生产和消费的数量逐年增加，但废旧电池的回收利用率却很低。“十四五”规划明确提出要加强大宗固体废弃物综合利用，规范发展再制造产业。由此可见，实现集中回收和循环利用废旧电池具有重要的战略应用价值。

从我国目前的废旧电池回收状况来看：用户囤积了大量废旧电池无处安置或随意遗弃；废旧电池处理厂拥有良好的回收处理技术，但废电池供应量不足。现有技术中，废旧干电池回收系统尚不成熟，也未得到推广，废旧电池大多采用回收箱或垃圾箱收集，形式单一，且较为“低能”。为了解决以上问题，本文设计了基于STM32的干电池自动回收系统，通过以STM32为核心的电池电量检测模块测量电池的剩余电量，并将其与设定的阈值比较，判断电池是否需要回收，若检测到电池电量小于阈值，则电机工作回收电池。电池电量和回收信息通过串口显示于显示屏，或通过蓝牙传输至用户智能终端。实验结果表明，所设计系统测量电池电量准确稳定，可用于区分新、旧、废三类干电池，并应用于电池检测回收售卖一体机等，提高废旧电池回收率。

1 系统总体设计

干电池自动回收系统主要包括检测电池电量、实时发送与显示数据、自动回收等功能，其整体结构如图1所示，包含电池电量检测模块、信息显示模块与自动回收模块等。STM32F103控制器是干电池自动回收系统的控制主体，用于测量干电池剩余电量、控制数据传输和启动电机。将电池插入电池槽内，待系统初始化完成后，STM32F103开始检测是否有输入电压，即是否有电池插入。若未检测到电池插入，则控制显示屏显示提示语，提醒用户接入电池；若检测到有电池插入，则对输入电压进行放大、滤波、A/D转换、计算等处理，然后将计算的电池剩余电量与设定的阈值比较，小于阈值则电池需要回收，此时，STM32会将电量与回收信息实时传输至显示屏和用户智能终端显示，同时控制继电器启动电机，进行电池回收动作。

图1 系统结构框架

2 系统硬件设计

2.1 电量检测模块

电量检测模块的主处理器为意法半导体出品的STM32F103C8T6芯片。这款芯片使用基于ARM-V7最新、具有先进架构的Cortex-M3 内核，可实现单周期的乘除法运算。STM32F103芯片工作电压为3.3 V，功耗低，其丰富的接口便于显示屏LCD1603、蓝牙、继电器等接入。STM32内 部 集成定时器、CAN、ADC、SPI、IC、USB、UART等多种外设功能，其中，ADC在电池电量测量中用于对输入的模拟电压采样、量化、编码，将模拟电压量转换为数字量进行电量计算。图2为STM32F103芯片及干电池分压电路。在输入电压A/D转换前，需要先对输入电压进行放大处理，然后用2个串联的10 kΩ电阻对其进行分压，防止电压过度增高，以保护电路。干电池分压电路通过PA0接口与STM32F103连接。STM32F103内部写入已编译的干电池自动回收系统程序，当系统启动后，将按照系统程序执行电量检测计算、数据传输、驱动继电器等事件。

图2 STM32F103芯片及干电池分压电路

2.2 信息显示模块

信息显示模块由LCD显示屏、蓝牙和用户智能终端组成，用于显示电池的当前电压、电量以及是否需要回收等信息，便于用户查看。

（1）LCD显示屏选用字符型LCD1602，其作为显示器件输出信息，具有体积小、功耗低、显示容量大、无需外加驱动电路等优点。此外，LCD1602显示容量为16×2个字符，用于显示电池回收信息。

（2）自动回收系统采用JDY-30 SPP蓝牙模块进行无线网络通信，蓝牙模块是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合。JDY-30透传模块基于蓝牙3.0协议标准，工作频段为2.4 GHz，具有信号强、性能稳定等特性，数据传输速度快，支持串口连续向智能终端发送数据，100%不丢包。用户通过串口和蓝牙芯片通信，当蓝牙模块与智能终端连接成功后，进入数据透传模式，实时传送电池信息。图3为JDY-30 SPP蓝牙模块电路，其中，RXD为串口输入，TXD为串口输出。

图3 JDY-30 SPP蓝牙模块电路

2.3 自动回收模块

自动回收模块需通过STM32驱动继电器，再由继电器控制电机开关实现回收功能。在本系统中，电机为SRD-05VDC-SL-C继电器的直流负载，一般情况下，负载接在继电器上需要外部供电，接线较为麻烦。基于此，设计了DC电源-负载转接控制板，继电器和电机分别接在转接控制板两端，继电器通过转接控制板可以控制电机的开关，避免电机外部接线的麻烦。图4为DC电源-负载转接控制板原理，其中，DC接口为电源的直流插座。为给控制板供电，可以使用USB电源线，使其一端插在直流插座上，另外一端插在5 V或12 V直流电源上，如电脑USB、充电宝、手机充电器等；LED为红色LED灯，作为系统是否上电的指示灯，1 kΩ电阻用于限流保护LED灯，防止电流过大烧坏LED灯。SW为自锁开关，开关按下后，红灯亮，此时系统电源5 V直流输出。开关再次按下后，红灯灭，此时系统电源无5 V电压输出。继电器输出有3个端子，即常开点、公共端和常闭点，J1端子可以外接在继电器的常开点和公共端或常闭点和公共端，当转接控制板上电时，即可通过继电器控制电机的开关，J2为电机接口。

图4 DC电源-负载转接控制板原理

图5为继电器电路原理。打开转接控制板开关，当STM32检测到接入电池的剩余电量小于设定的电池容量最小阈值时，LED亮黄灯，表示电池正在回收，此时STM32通过三极管驱动继电器，继电器再通过转接控制板启动电机，以实现电池的回收。

图5 继电器电路原理

3 系统软件设计

3.1 电量检测软件设计

电池电量检测的物理量是电池剩余容量或剩余容量与总容量的百分比。电池总容量的测量主要采用电池恒阻和恒流放电法，近似为电池的放电电流与放电时间的乘积，放电时长接近1 200 h，且属于破坏性实验。因此，直接测量电池总容量和剩余容量的方法显然不可取。研究表明，不同的恒流放电电池的剩余电量与总电量之比和剩余电压与总电压差之比的关系曲线相同，而且不同型号的电池也相同。电池的总电量和总电压为电池固有参数，只需要测量电池的剩余电压便可求得电池的剩余电量和剩余电量百分比。

输入电压放大后，通过ADC将模拟电压量（）转换为数字量（），STM32内部的ADC为12位，则0～2之间的每一个数值都对应着0～3.3 V之间的电压值。由于电池电压在分压电路中被电阻分压，因此电池的实际电压为测得电压的2倍。为了使数据更加准确，对电池输入电压进行多次测量求平均值，数字电压量可表示为：

式中，为每次测量的输入电压模拟量，取1～10。得到输入电压的数字量后，便可求得电池的剩余电量百分比（Remaining Power Ratio, RPR）：

式中：为电池剩余电量；为总电量；为剩余电压；为总电压。由于电池无法供电时的电压并不为0，此时的电池电压为截止电压，因此为测量电压U与截止电压之差，为初始电压与截止电压之差。初始电压和截止电压均为已知参数。将电池剩余电量RPR与系统设定的电量阈值进行比较，当RPR大于阈值时，电池无需回收；反之，则需要回收。最后，STM32生成并输出回收信息。电量检测流程如图6所示。

图6 电量检测流程

3.2 蓝牙通信软件设计

本系统采用基于SPP协议（Serial Port Profile, SPP）的蓝牙装置，能与具备蓝牙功能的智能终端创建串口连接并进行数据传输。具体步骤：打开已安装在智能手机中的安卓APP—蓝牙串口，点击“连接设备”，选择配对“JDY-3-SPP”，APP通过调用手机蓝牙主动连接蓝牙模块建立无线通信。设备显示“已连接到JDY-3-SPP”后，电池的回收信息将通过蓝牙实时传输至智能手机端。若用户需要更改电池电量回收的阈值，可在发送区输入数值，点击“Send”将数值发送至STM32微控制器，即完成阈值的更改。蓝牙连接手机界面如图7所示。

图7 蓝牙连接手机界面

4 系统测试

4.1 实验参数选取

经过对不同型号电池的初始电压和截止电压的比较，发现初始电压大于1.6 V、截止电压大于0.9 V的电池较为普遍，因此设定公式（2）中为1.6 V，为0.9 V。在实际应用中，电池RPR的阈值可根据实际情况设置，本次测量设定RPR阈值为40%，根据公式（2）转换后，得到电池的最大回收电压为1.18 V。系统实物如图8所示。

图8 干电池回收系统实物

4.2 实验结果分析

为验证本文系统的稳定性，选用3种不同型号电池，使用干电池回收系统多次测量7个电池的电压（）和剩余电量百分比（RPR），分别求取平均值（, RPR），并计算电压方差（），实验数据见表1所列。

由表1可知，回收系统测量得到的电池电压值精确到10，且各电池电压的方差（）均在8.87×10以内，说明本回收系统测量电池电压时波动较小，稳定性好。同时，为了检测回收系统测量的准确性，利用万用表分别测量7个电池两端的电压，并与表1中回收系统测量的电压平均值进行比较，实验结果见表2所列。对比回收系统与万用表的测量值，发现回收系统测量电压（）和万用表测量电压（）相对误差在1.1%以内，如图9所示。实验结果表明，本系统检测电池电压准确性较高。

表1 不同品牌型号电池测量数据

表2 回收系统与万用表电池电压数据对比

图9 回收系统与万用表对比折线图

5 结 语

本文设计了一种基于STM32的干电池回收系统。电池接入系统后，通过电量检测模块对电池输入电压进行A/D转换及电量计算，检测到电池剩余电量小于设定阈值时，则STM32控制继电器启动电机，进行电池回收，电池的电压、剩余电量百分比及回收信息将通过串口显示于显示屏，或通过蓝牙透传至用户智能终端。对本系统进行测量实验，结果表明，本电池回收系统具有测量数据准确、运行稳定等特点，可用于集中回收和循环利用废旧电池、电池检测回收售卖一体机等，具有一定的应用价值。