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摘 要：在对无人机电池管理的调查基础上，对无人机电池电量采集技术进行了研究。提出了一种通过实时监测无人机各个电池芯电压，判断无人机电池的使用状况、无人机电池的放电平衡状态及无人机电池的剩余电量的监控系统设计。在故障发生前，进行实时报警，从而避免由于电池性能问题，造成无人机损坏，对无人机电池管理技术具有重要的实际应用意义。
关键词：STM32单片机;无人机电池;液晶触摸屏
中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0067-03
Design of UAV Battery Capacity Monitoring System Based on
Single-Chip Microcomputer
WANG Nan，SUN Yujun，WU Zengwei
（Cangzhou Technical College，Cangzhou 061001，China）
Abstract：Based on the investigation of UAV battery management，research on UAV battery capacity collection technology. A monitoring system design for judging the usage status of the UAV battery，the discharge balance state of the UAV battery and the remaining power of the UAV battery by real-time monitoring of the voltage of each battery cells of the UAV is proposed. Before the failure occurs，a real-time alarm is carried out to avoid damage to the UAV due to battery performance problems，which has important practical application significance for the UVA battery management technology.
Keywords：STM32 single-chip microcomputer;UAV battery;LCD touch screen
0 引 言
随着无人机技术的普及，无人机产业将由现有的单一测绘航测，转型为应用于交通、物流、矿产、电力、水利、农业、娱乐等多个领域[1]的产业，可以说无人机服务已经进入人们的日常生活。但是在无人机电池的管理上，一直存在着比较大的安全隐患[2]。由于目前无人机电池电量采集技术的相对落后，一旦因为电池电量不足而引起无人机坠毁，将会造成不可估量的损害。因此，及时有效地监测无人机电池的剩余电量，并在故障发生之前，进行实时报警并自救显得尤为重要。
1 系统整体功能设计及各子模块功能说明
本设计是一款基于STM32单片机的无人机电池性能实时线上监测系统。采用AD采集模块进行无人机电池监测，且连接简单，拆卸方便，在不破坏原有无人机电池结构的基础上，提高无人机飞行的安全性。该设计采用在线测量方式，在无人机飞行过程中实时监测无人机电池状态，能及时准确地掌握无人机电池的性能，快速有效地根据无人机电池状态控制无人机的飞行状态。同时无人机电池工作状况可以实时上报云端，相当于飞行器“黑盒子”数据实时备份到云端，从而进行无人机电池的线上监视，观察无人机电池电量，并及时报知各芯电压状态，保证无人机正常飞行;该装置也可以对其他多芯锂电池的各芯电压状态进行监测，及时报告无人机电池组的状态，确保设备正常运行。
因此，本装置可以应用于缺少电池监视的无人机系统，以保证无人机的安全，具有很好地发展前景和实际应用意义。
1.1 系统整体功能设计
为了在线有效地对无人机电池电量进行实时线上监测，系统功能需要由多个子模块协作完成。通过对本系统的整体功能进行分析可以得出，无人机电池性能监测系统主要由STM32主控模块、无人机飞行器、电池采样模块、液晶显示模块及无人机控制模块等共同组成。系统整体原理图如图1所示。
1.2 各子模块功能说明
1.2.1 STM32主控模块
STM32主控模块采用STM32F407VET6单片机芯片，运算速度快、集成度高、扩展性强，负责对采集模块的数据进行处理，根据各电池芯电量状态，实时采取相应的控制;本装置无人机电池采用3芯供电，总电压标准值11.1 V，满冲状态12.6 V，设置保护门限电压为3.6 V，当无人机电池有一芯电压低于3.6 V时，保护装置就会启动，提示无人机尽快降落，避免坠机风险。
1.2.2 液晶显示模块
液晶显示模塊是实现人机交互的重要方式，可以彩色显示各种信息、清晰度高、功耗低，是常用的显示设备。另外，此电阻式触摸屏性能优良、价格低廉，可以作为良好的人机交互界面。本系统采用了自行设计的电阻触摸屏，利用2.8寸彩色TFTLCD液晶触摸屏作为系统的人机交互设备，可用于显示工作状态及各电池芯电压状态以及是否亏电情况，且便于调试工作，也可以在无人机飞行时去掉该模块，来减轻无人机自身重量。
1.2.3 电池采样模块
电池采样模块用于采集无人机电池各芯的电压信息，该模块采用大电阻分压电路，电路简单可靠、功耗低、成本低。 1.2.4 無人机控制模块
无人机控制模块采用声音、光电信号，用于提示无人机电池电压不足或者单芯出现故障等情况。本系统通过ESP8266进行云端连接，实现数据上传云端，方便远程监控工作状态;控制指令可以通过云端下达，实现远程控制。
2 系统程序设计
系统在进入工作模式之后，首先程序进行初始化，分别设置中断优先级与系统时钟，然后设置串口1与串口3的波特率、数据位、停止位、奇偶校验、收发等硬件信息，串口1用来进行调试信息，串口3发送无人机电池测试数据;LED初始化，LED用来指示程序运行状态;LCD初始化，LCD是界面显示电芯测试信息，为了显示汉字设置W25Q存放汉字库;W25Q初始化，完成汉字库读写测试;按键初始化，ADC初始化，ADC输入端连接电芯采样电路，采集电芯电压变化信息;机智云初始化，监测装置通过ESP8266连接机智云，设置机智云对无人机电芯监测装置的采集数据点，数据传输方式、数值类型、读写控制等，获取该设备的Product Key和Product Secret秘钥。
初始化工作准备就绪后，本装置连接到机智云，可以实时上传监测数据，如果硬件存在问题，则输出错误信息，等待故障排除与复位。正常飞行时为了减轻重量可以不接LCD屏，LCD屏用于程序调试方便信息显示，液晶屏输出电池信息。采样电路获取电池电压，该模拟量输入到ADC电路，转换成数字信息，可以上传到机智云，方便查询与记录，用户可以通过电脑端分析电芯数据，也可以通过手机APP实时获取电芯状态。将测得的数据与设定值进行对比，如果电压低于设定值，就报警，提示用户电池处于亏电状态，及时降落无人机;如果电芯电压正常就进入循环状态，继续监测。
系统的主程序流程图如图2所示。
系统主程序重要代码为：
adcx1=Get_Adc_Average（ADC_Channel_3，20）; LCD_ShowxNum（134，130，adcx1，4，16，0）;
if（adcx1<4096/3.3*3.8/6.17）
LCD_ShowString（30，70，200，16，16，"voltage1 is bad "）;
else
LCD_ShowString（30，70，200，16，16，"voltage1 is good"）;
temp1=（float）adcx1*（3.3/4096）*6.17;
adcx1e=temp1;
LCD_ShowxNum（142，150，adcx1e，1，16，0）;
temp1-=adcx1e;
temp1*=1000; LCD_ShowxNum（158，150，temp1，3，16，0X80）;
delay_ms（250）;
adcx2=Get_Adc_Average（ADC_Channel_4，20）; LCD_ShowxNum（142，170，adcx2，4，16，0）;
if（adcx2<4096/3.3*7.6/6.17）
LCD_ShowString（30，90，200，16，16，"voltage2 is bad "）;
else
LCD_ShowString（30，90，200，16，16，"voltage2 is good"）;
temp2=（float）adcx2*（3.3/4096）*6.2;
adcx2e=temp2; LCD_ShowxNum（142，190，adcx2e，1，16，0）;
temp2-=adcx2e;
temp2*=1000; LCD_ShowxNum（158，190，temp2，3，16，0X80）;
delay_ms（250）;
adcx3=Get_Adc_Average（ADC_Channel_5，20）; LCD_ShowxNum（142，210，adcx3，4，16，0）;
if（adcx3<4096/3.3*11.4/6.17）
LCD_ShowString（30，110，200，16，16，"voltage3 is bad "）;
else
LCD_ShowString（30，110，200，16，16，"voltage3 is good"）;
temp3=（float）adcx3*（3.3/4096）*6.11;
adcx3e=temp3; LCD_ShowxNum（134，230，adcx3e，2，16，0）;
temp3-=adcx3e;
temp3*=1000; LCD_ShowxNum（158，230，temp3，3，16，0X80）; delay_ms（250）;
3 关键性能指标及整机完成结构图
3.1 关键性能指标
本设计有以下四个关键性能指标：
（1）无人机电池测量装置连接无人机电池充电接口，对每一个电池芯状态进行采样，得到无人机电池的数据，计算无人机电池的剩余电量和剩余使用时间。
（2）各个无人机电池的电芯电压经过AD转换，与设置阈值电压进行比较，根据电压状态确定无人机飞行状态，确保电量降低到一定程度或电芯电压低于阈值时采取安全措施，确保无人机安全降落。
（3）无人机电池在线监控系统，将无人机电池信息通过无线收发模块，发送至地面监控装置，无人机操作人员可以及时有效地掌握电池工作状态。
（4）机载显示模块显示电池状态，便于直观查看电芯信息，为了减轻飞行重量，显示模块采用扩展挂载方式，可以去掉显示模块。
3.2 整机完成結构图
整机完成结构图如图3所示，其中包含当前无人机电池的电量等相关采集数据。
4 主要创新点与可扩展之处
4.1 主要创新点
本设计有以下四个主要创新点：
（1）本系统对各电芯分别取样测量，实时监测电池各个电芯，无人机飞行控制器自带的电池电压是测量各个电芯串联的总电压[3]，单独测量各个电芯电压更能准确反映电池性能状态，如有一个电芯性能降低或者失效[4]，电池保护系统就会启动[5]，确保无人机飞行安全。
（2）无人机电池充电接口作为采样点，连接简单，不破坏电池原有结构。
（3）机载显示模块做成可拆卸结构，方便使用，便于减轻无人机的飞行重量。
（4）加入了机智云管理系统，可以线上监控电池电量，保证在无人机安全电量不足时会发出警告。
4.2 可扩展之处
本设计有以下三个可扩展之处：
（1）该设计采用声音、灯光提示无人机电池电量不足或者单芯电压低于门限值，应该采取保护措施，将来可以升级为接入无人机图传或者Wi-Fi发送给驾驶员。
（2）采用更精准的取样电路，进一步提高采样精度，可以加上接口反接保护措施，避免烧毁电路。
（3）可以设计成小电路板结构，降低重量，有利于增加无人机的飞行时间。
5 结 论
本装置设计了一款基于STM32单片机的无人机电池性能实时线上监测系统。该系统可以通过实时监测无人机各个电池芯电压情况，来判断电池使用状况及电池放电平衡状态，且能实时监测电池的剩余电量，在故障发生之前，进行实时报警，从而避免由于电池性能问题造成的无人机损坏。该装置通过进行多次实验模拟，能够实时采集无人机电池的电量信息，并根据数据设置相应的阈值，采取相应的措施。故本系统可以做到及时有效地预防无人机由于电池电量不足而导致的坠机问题，具有一定的市场前景和实际应用价值。
参考文献：
[1] 肖凡玥.基于STM32的无人机锂电池充电系统 [J].中国高新科技，2019（4）：48-50.
[2] 许佳松，唐骥钊，李卓恒，等.一种可远程控制的无人机电池充电管理设备 [J].光源与照明，2020（9）：37-38.
[3] 马碧芳，何华.基于单片机控制的锂电池组电路的设计 [J].兰州大学学报（自然科学版），2014，50（4）：577-580.
[4] 张旭，张一鸣，王亮，等.无人机电池温控系统设计 [J].电源技术，2015，39（5）：965-967.
[5] 林火煅，陈杰，沈滨，等.巡检无人机应急充电电源管理系统设计 [J].福州大学学报（自然科学版），2020，48（2）：210-216.
作者简介：王楠（1986—），女，汉族，河北河间人，讲师，硕士，研究方向：电气工程。
关键词：STM32单片机;无人机电池;液晶触摸屏
中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0067-03
Design of UAV Battery Capacity Monitoring System Based on
Single-Chip Microcomputer
WANG Nan，SUN Yujun，WU Zengwei
（Cangzhou Technical College，Cangzhou 061001，China）
Abstract：Based on the investigation of UAV battery management，research on UAV battery capacity collection technology. A monitoring system design for judging the usage status of the UAV battery，the discharge balance state of the UAV battery and the remaining power of the UAV battery by real-time monitoring of the voltage of each battery cells of the UAV is proposed. Before the failure occurs，a real-time alarm is carried out to avoid damage to the UAV due to battery performance problems，which has important practical application significance for the UVA battery management technology.
Keywords：STM32 single-chip microcomputer;UAV battery;LCD touch screen
0 引 言
随着无人机技术的普及，无人机产业将由现有的单一测绘航测，转型为应用于交通、物流、矿产、电力、水利、农业、娱乐等多个领域[1]的产业，可以说无人机服务已经进入人们的日常生活。但是在无人机电池的管理上，一直存在着比较大的安全隐患[2]。由于目前无人机电池电量采集技术的相对落后，一旦因为电池电量不足而引起无人机坠毁，将会造成不可估量的损害。因此，及时有效地监测无人机电池的剩余电量，并在故障发生之前，进行实时报警并自救显得尤为重要。
1 系统整体功能设计及各子模块功能说明
本设计是一款基于STM32单片机的无人机电池性能实时线上监测系统。采用AD采集模块进行无人机电池监测，且连接简单，拆卸方便，在不破坏原有无人机电池结构的基础上，提高无人机飞行的安全性。该设计采用在线测量方式，在无人机飞行过程中实时监测无人机电池状态，能及时准确地掌握无人机电池的性能，快速有效地根据无人机电池状态控制无人机的飞行状态。同时无人机电池工作状况可以实时上报云端，相当于飞行器“黑盒子”数据实时备份到云端，从而进行无人机电池的线上监视，观察无人机电池电量，并及时报知各芯电压状态，保证无人机正常飞行;该装置也可以对其他多芯锂电池的各芯电压状态进行监测，及时报告无人机电池组的状态，确保设备正常运行。
因此，本装置可以应用于缺少电池监视的无人机系统，以保证无人机的安全，具有很好地发展前景和实际应用意义。
1.1 系统整体功能设计
为了在线有效地对无人机电池电量进行实时线上监测，系统功能需要由多个子模块协作完成。通过对本系统的整体功能进行分析可以得出，无人机电池性能监测系统主要由STM32主控模块、无人机飞行器、电池采样模块、液晶显示模块及无人机控制模块等共同组成。系统整体原理图如图1所示。
1.2 各子模块功能说明
1.2.1 STM32主控模块
STM32主控模块采用STM32F407VET6单片机芯片，运算速度快、集成度高、扩展性强，负责对采集模块的数据进行处理，根据各电池芯电量状态，实时采取相应的控制;本装置无人机电池采用3芯供电，总电压标准值11.1 V，满冲状态12.6 V，设置保护门限电压为3.6 V，当无人机电池有一芯电压低于3.6 V时，保护装置就会启动，提示无人机尽快降落，避免坠机风险。
1.2.2 液晶显示模块
液晶显示模塊是实现人机交互的重要方式，可以彩色显示各种信息、清晰度高、功耗低，是常用的显示设备。另外，此电阻式触摸屏性能优良、价格低廉，可以作为良好的人机交互界面。本系统采用了自行设计的电阻触摸屏，利用2.8寸彩色TFTLCD液晶触摸屏作为系统的人机交互设备，可用于显示工作状态及各电池芯电压状态以及是否亏电情况，且便于调试工作，也可以在无人机飞行时去掉该模块，来减轻无人机自身重量。
1.2.3 电池采样模块
电池采样模块用于采集无人机电池各芯的电压信息，该模块采用大电阻分压电路，电路简单可靠、功耗低、成本低。 1.2.4 無人机控制模块
无人机控制模块采用声音、光电信号，用于提示无人机电池电压不足或者单芯出现故障等情况。本系统通过ESP8266进行云端连接，实现数据上传云端，方便远程监控工作状态;控制指令可以通过云端下达，实现远程控制。
2 系统程序设计
系统在进入工作模式之后，首先程序进行初始化，分别设置中断优先级与系统时钟，然后设置串口1与串口3的波特率、数据位、停止位、奇偶校验、收发等硬件信息，串口1用来进行调试信息，串口3发送无人机电池测试数据;LED初始化，LED用来指示程序运行状态;LCD初始化，LCD是界面显示电芯测试信息，为了显示汉字设置W25Q存放汉字库;W25Q初始化，完成汉字库读写测试;按键初始化，ADC初始化，ADC输入端连接电芯采样电路，采集电芯电压变化信息;机智云初始化，监测装置通过ESP8266连接机智云，设置机智云对无人机电芯监测装置的采集数据点，数据传输方式、数值类型、读写控制等，获取该设备的Product Key和Product Secret秘钥。
初始化工作准备就绪后，本装置连接到机智云，可以实时上传监测数据，如果硬件存在问题，则输出错误信息，等待故障排除与复位。正常飞行时为了减轻重量可以不接LCD屏，LCD屏用于程序调试方便信息显示，液晶屏输出电池信息。采样电路获取电池电压，该模拟量输入到ADC电路，转换成数字信息，可以上传到机智云，方便查询与记录，用户可以通过电脑端分析电芯数据，也可以通过手机APP实时获取电芯状态。将测得的数据与设定值进行对比，如果电压低于设定值，就报警，提示用户电池处于亏电状态，及时降落无人机;如果电芯电压正常就进入循环状态，继续监测。
系统的主程序流程图如图2所示。
系统主程序重要代码为：
adcx1=Get_Adc_Average（ADC_Channel_3，20）; LCD_ShowxNum（134，130，adcx1，4，16，0）;
if（adcx1<4096/3.3*3.8/6.17）
LCD_ShowString（30，70，200，16，16，"voltage1 is bad "）;
else
LCD_ShowString（30，70，200，16，16，"voltage1 is good"）;
temp1=（float）adcx1*（3.3/4096）*6.17;
adcx1e=temp1;
LCD_ShowxNum（142，150，adcx1e，1，16，0）;
temp1-=adcx1e;
temp1*=1000; LCD_ShowxNum（158，150，temp1，3，16，0X80）;
delay_ms（250）;
adcx2=Get_Adc_Average（ADC_Channel_4，20）; LCD_ShowxNum（142，170，adcx2，4，16，0）;
if（adcx2<4096/3.3*7.6/6.17）
LCD_ShowString（30，90，200，16，16，"voltage2 is bad "）;
else
LCD_ShowString（30，90，200，16，16，"voltage2 is good"）;
temp2=（float）adcx2*（3.3/4096）*6.2;
adcx2e=temp2; LCD_ShowxNum（142，190，adcx2e，1，16，0）;
temp2-=adcx2e;
temp2*=1000; LCD_ShowxNum（158，190，temp2，3，16，0X80）;
delay_ms（250）;
adcx3=Get_Adc_Average（ADC_Channel_5，20）; LCD_ShowxNum（142，210，adcx3，4，16，0）;
if（adcx3<4096/3.3*11.4/6.17）
LCD_ShowString（30，110，200，16，16，"voltage3 is bad "）;
else
LCD_ShowString（30，110，200，16，16，"voltage3 is good"）;
temp3=（float）adcx3*（3.3/4096）*6.11;
adcx3e=temp3; LCD_ShowxNum（134，230，adcx3e，2，16，0）;
temp3-=adcx3e;
temp3*=1000; LCD_ShowxNum（158，230，temp3，3，16，0X80）; delay_ms（250）;
3 关键性能指标及整机完成结构图
3.1 关键性能指标
本设计有以下四个关键性能指标：
（1）无人机电池测量装置连接无人机电池充电接口，对每一个电池芯状态进行采样，得到无人机电池的数据，计算无人机电池的剩余电量和剩余使用时间。
（2）各个无人机电池的电芯电压经过AD转换，与设置阈值电压进行比较，根据电压状态确定无人机飞行状态，确保电量降低到一定程度或电芯电压低于阈值时采取安全措施，确保无人机安全降落。
（3）无人机电池在线监控系统，将无人机电池信息通过无线收发模块，发送至地面监控装置，无人机操作人员可以及时有效地掌握电池工作状态。
（4）机载显示模块显示电池状态，便于直观查看电芯信息，为了减轻飞行重量，显示模块采用扩展挂载方式，可以去掉显示模块。
3.2 整机完成結构图
整机完成结构图如图3所示，其中包含当前无人机电池的电量等相关采集数据。
4 主要创新点与可扩展之处
4.1 主要创新点
本设计有以下四个主要创新点：
（1）本系统对各电芯分别取样测量，实时监测电池各个电芯，无人机飞行控制器自带的电池电压是测量各个电芯串联的总电压[3]，单独测量各个电芯电压更能准确反映电池性能状态，如有一个电芯性能降低或者失效[4]，电池保护系统就会启动[5]，确保无人机飞行安全。
（2）无人机电池充电接口作为采样点，连接简单，不破坏电池原有结构。
（3）机载显示模块做成可拆卸结构，方便使用，便于减轻无人机的飞行重量。
（4）加入了机智云管理系统，可以线上监控电池电量，保证在无人机安全电量不足时会发出警告。
4.2 可扩展之处
本设计有以下三个可扩展之处：
（1）该设计采用声音、灯光提示无人机电池电量不足或者单芯电压低于门限值，应该采取保护措施，将来可以升级为接入无人机图传或者Wi-Fi发送给驾驶员。
（2）采用更精准的取样电路，进一步提高采样精度，可以加上接口反接保护措施，避免烧毁电路。
（3）可以设计成小电路板结构，降低重量，有利于增加无人机的飞行时间。
5 结 论
本装置设计了一款基于STM32单片机的无人机电池性能实时线上监测系统。该系统可以通过实时监测无人机各个电池芯电压情况，来判断电池使用状况及电池放电平衡状态，且能实时监测电池的剩余电量，在故障发生之前，进行实时报警，从而避免由于电池性能问题造成的无人机损坏。该装置通过进行多次实验模拟，能够实时采集无人机电池的电量信息，并根据数据设置相应的阈值，采取相应的措施。故本系统可以做到及时有效地预防无人机由于电池电量不足而导致的坠机问题，具有一定的市场前景和实际应用价值。
参考文献：
[1] 肖凡玥.基于STM32的无人机锂电池充电系统 [J].中国高新科技，2019（4）：48-50.
[2] 许佳松，唐骥钊，李卓恒，等.一种可远程控制的无人机电池充电管理设备 [J].光源与照明，2020（9）：37-38.
[3] 马碧芳，何华.基于单片机控制的锂电池组电路的设计 [J].兰州大学学报（自然科学版），2014，50（4）：577-580.
[4] 张旭，张一鸣，王亮，等.无人机电池温控系统设计 [J].电源技术，2015，39（5）：965-967.
[5] 林火煅，陈杰，沈滨，等.巡检无人机应急充电电源管理系统设计 [J].福州大学学报（自然科学版），2020，48（2）：210-216.
作者简介：王楠（1986—），女，汉族，河北河间人，讲师，硕士，研究方向：电气工程。