零知派ESP32——基于INA238高精度功率监测芯片的18650锂电池充电状态可视化与数据导出

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一、系统接线部分

[1.1 硬件清单](#1.1 硬件清单)

[1.2 接线方案表](#1.2 接线方案表)

[1.3 具体接线图](#1.3 具体接线图)

[1.4 接线实物图](#1.4 接线实物图)

二、安装与使用部分

三、代码讲解部分

[3.1 双层滤波与OCV补偿](#3.1 双层滤波与OCV补偿)

[3.2 融合SOC估算算法](#3.2 融合SOC估算算法)

[3.3 内嵌HTML网页与CSV导出](#3.3 内嵌HTML网页与CSV导出)

[3.4 LVGL监视器界面](#3.4 LVGL监视器界面)

[3.5 INA238 库函数](#3.5 INA238 库函数)

四、项目演示

[4.1 操作流程](#4.1 操作流程)

[4.2 视频演示](#4.2 视频演示)

五、INA238技术原理讲解

[5.1 寄存器操作](#5.1 寄存器操作)

[5.2 I2C通信协议](#5.2 I2C通信协议)

六、常见问题解答（FAQ）

Q1：波形图刷新太慢，卡顿明显？

Q2：网页数据不更新，一直显示0？

项目概述

本项目使用零知派ESP32 （主控芯片为ESP-WROOM-32 ）和INA238 高精度数字功率监测芯片，实现一套完整的18650锂电池充放电实时监测系统。系统能够精确采集电池的电压、电流和功率数据，通过双层滤波算法 有效抑制ADC噪声，引入OCV内阻动态补偿 技术解决充电状态下电压虚高问题，并采用OCV电压法与库仑计融合算法实现高精度的SOC估算，误差控制在±5%以内。监测数据可通过ST7789彩色显示屏实时展示波形曲线，同时支持Web网页远程监控和CSV格式数据一键导出

项目难点及解决方案

问题描述：充电状态下电压虚高 → OCV内阻动态补偿

**解决方案：**采用欧姆定律建立OCV补偿模型 OCV = Vbus - I × R_int

一、系统接线部分

1.1 硬件清单

编号	组件名称	型号规格	数量	备注
1	主控板	零知派ESP32（ESP-WROOM-32）	1	核心控制板
2	电流传感器	INA238模块（R015分流电阻）	1	TI高精度功率监测芯片
3	显示屏	ST7789 240×320 TFT彩屏	1	SPI接口
4	散热风扇	L9110H 直流电机驱动	1	用于负载/放电演示
5	按键	轻触按键	1	物理控制风扇开关
6	锂电池	18650锂电池	1	待监测目标电池
7	充电模块	TP4056或其他锂电池充电板	1	演示充电状态

1.2 接线方案表

以下引脚定义严格依据 config.h 中的宏定义

ESP32引脚	连接目标	引脚功能	代码宏定义
GPIO21	INA238 SDA	I2C数据线	`I2C_SDA 21`
GPIO22	INA238 SCL	I2C时钟线	`I2C_SCL 22`
GPIO25	风扇PWM控制端	LEDC PWM输出	`FAN_PIN 25`
GPIO26	按键（一端，另一端接GND）	内部上拉输入低有效	`KEY_PIN 26`
GPIO18	TFT SCK	SPI时钟	TFT_eSPI库文件定义
GPIO23	TFT MOSI	SPI主机输出	TFT_eSPI库文件定义
GPIO19	TFT MISO	SPI主机输入	TFT_eSPI库文件定义
GPIO15	TFT CS	SPI片选	TFT_eSPI库文件定义
GPIO2	TFT DC	数据/命令选择	TFT_eSPI库文件定义
GPIO4	TFT RST	复位	TFT_eSPI库文件定义

注意：ST7789显示屏直插到ESP32扩展板上、无需单独接线

充放电的双向电流检测务必按照以下方式接线：

充电回路

INA238引脚	连接目标
VIN+	电池负极
VIN-	充电板OUT-

充电时：电流从充电器OUT+流出 -> 电池正极/负极 -> 进入 VIN+ -> 采样电阻 -> 流向 VIN- 。此时电流方向为正 (+)，系统识别为充电。

放电回路

VIN-	负载 GND负极

放电时：电流从充电器OUT-流出 -> 进入 VIN- -> 流向 VIN+ -> 进入负载。此时电流方向为负 (-)，系统识别为放电。

1.3 具体接线图

电池负极输出端接分流电阻（R015）的负载侧（VIN+），分流电阻另一端接VIN-并最终到GND

电流必须按照「从电池负极流出，经VIN+ → Rshunt → VIN- 形成回路」的完整路径流过差分感测通道

1.4 接线实物图

VBUS引脚不可悬空，必须正确连接到电源总线正极。INA238通过VBUS引脚直接采样总线电压以完成电压和功率测量，若悬空或接错位置，功率寄存器将无法参与计算，输出持续为零

二、安装与使用部分

2.1 开源平台-输入"INA238" 并搜索-下载代码自动打开

2.2 连接-验证-上传

2.3 调试-串口监视器

三、代码讲解部分

本项目代码采用模块化拆分：BatteryMonitor负责核心算法、DisplayHandler负责LVGL界面、FanController负责风扇PWM控制、WebHandler负责网络服务

以下重点讲解四个核心模块的实现：

3.1 双层滤波与OCV补偿

BatteryMonitor.cpp 是整个系统的核心算法文件，每1000ms执行一次完整的数据采集与处理流水线

cpp 复制代码

void BatteryMonitor::update() {
  unsigned long now = millis();
  if (now - _lastMs < SAMPLE_INTERVAL) return;
  float dtH   = (now - _lastMs) / 3600000.0f;
  _lastMs     = now;

  float rawV = _ina.getBusVoltage();
  float rawI = _ina.getCurrent();
  float rawP = _ina.getPower();

  float avgI = _slidingAvg(rawI);
  BattMode m = _detectMode(avgI);
  _updateEMA(avgI, rawV, m);

  // 库仑计（用原始电流）
  if (rawI >  CHARGE_THRESH) _d.chargeAh    += rawI    * dtH;
  if (rawI < -CHARGE_THRESH) _d.dischargeAh += (-rawI) * dtH;

  float ocv = rawV - _emaI * BATT_R_INT;
  ocv = constrain(ocv, 2.50f, 4.25f);

  uint8_t soc  = _estimateSOC(rawV, m);
  float   tMin = _estimateTime((float)soc, m);

  _d.voltage    = rawV;
  _d.ocv        = ocv;
  _d.current    = rawI;
  _d.emaCurrent = _emaI;
  _d.emaVoltage = _emaV;
  _d.power      = rawP;
  _d.soc        = soc;
  _d.timeEstMin = tMin;
  _d.mode       = m;
  _d.uptimeSec  = (now - _startMs) / 1000UL;

  if (m == MODE_DISCHARGING && rawV < BATT_MIN_V) {
    _sys = SYS_LOW_V;
    DEBUG_PRINTLN("[WARN] 低电压保护触发");
  }
  _lastMode = m;
}

OCV 补偿公式

ocv = rawV - _emaI * BATT_R_INT 本质是欧姆定律，参数 BATT_R_INT = 0.15Ω 为实测等效内阻，用户可根据实际接线校

充电时 _emaI > 0，rawV 包含了线路压降，减去 I×R 得到真实开路电压；放电时 _emaI < 0，减去负值相当于加上电压，补偿负载拉低的总线电压

3.2 融合SOC估算算法

cpp 复制代码

uint8_t BatteryMonitor::_estimateSOC(float busV, BattMode m) {
  float ocv  = busV - _emaI * BATT_R_INT;
  ocv = constrain(ocv, 2.50f, 4.25f);
  float socV = _ocvToSOC(ocv);

  if (_socCoulomb < 0.0f) {
    _socCoulomb  = socV;
    _socAnchorAh = _d.chargeAh - _d.dischargeAh;
  } else {
    float netAh = (_d.chargeAh - _d.dischargeAh) - _socAnchorAh;
    _socCoulomb  = socV + (netAh / BATT_CAPACITY_AH) * 100.0f;
    if (m == MODE_STANDBY) {
      _socCoulomb  = socV;
      _socAnchorAh = _d.chargeAh - _d.dischargeAh;
    }
  }
  _socCoulomb = constrain(_socCoulomb, 0.0f, 100.0f);

  float wV = (m == MODE_STANDBY) ? 1.0f : 0.3f;
  float wC = (m == MODE_STANDBY) ? 0.0f : 0.7f;
  float fused = wV*socV + wC*_socCoulomb;
  return (uint8_t)constrain(fused+0.5f, 0.0f, 100.0f);
}

融合算法核心逻辑

OCV电压法，将补偿后的OCV电压通过10段分段线性表映射为SOC百分比；库仑计数法，从初始SOC基准点加减变化量得到当前SOC

3.3 内嵌HTML网页与CSV导出

WebHandler.cpp

通过/data接口每1秒轮询JSON 获取全部监测数据，Canvas 实时绘制60点三通道波形。风扇控制通过/cmd接口实现开关/循环模式/PWM 占空比远程调节，/csv接口支持历史数据一键下载

cpp 复制代码

void WebHandlerBattery::_onData() {
  BatteryData d = Battery.getData();
  String j = "{";
  j += "\"voltage\":"    + String(d.voltage,    3);
  j += ",\"ocv\":"       + String(d.ocv,         3);
  j += ",\"current\":"   + String(d.current,     3);
  j += ",\"emaCurrent\":" + String(d.emaCurrent, 3);
  j += ",\"power\":"     + String(d.power,       2);
  j += ",\"soc\":"       + String((int)d.soc);
  j += ",\"chargeAh\":"  + String(d.chargeAh,   4);
  j += ",\"dischargeAh\":" + String(d.dischargeAh,4);
  j += ",\"mode\":"      + String((int)d.mode);
  j += ",\"timeEst\":"   + String(d.timeEstMin, 1);
  j += ",\"fan\":"       + String(Fan.isRunning()?"true":"false");
  j += ",\"pwm\":"       + String(Fan.getDutyPct());
  j += ",\"cycle\":"     + String(Fan.isCycleMode()?"true":"false");
  j += ",\"uptime\":"    + String((unsigned long)d.uptimeSec);
  j += ",\"heap\":"      + String(ESP.getFreeHeap()/1024);
  j += "}";
  _srv.sendHeader("Access-Control-Allow-Origin","*");
  _srv.send(200,"application/json",j);
}

void WebHandlerBattery::_onCmd() {
  if (_srv.hasArg("fan")) {
    String v = _srv.arg("fan");
    if      (v=="toggle") Fan.toggle();
    else if (v=="on")     Fan.setOn(true);
    else if (v=="off")    Fan.setOn(false);
    DEBUG_PRINTF("[Web] 风扇: %s → %s\n", v.c_str(), Fan.isRunning()?"ON":"OFF");
  }
  if (_srv.hasArg("duty")) {
    int pct = _srv.arg("duty").toInt();
    Fan.setDuty((uint8_t)(constrain(pct,0,100)*255/100));
    DEBUG_PRINTF("[Web] PWM: %d%%\n", pct);
  }
  if (_srv.hasArg("cycle")) {
    bool en = (_srv.arg("cycle")=="on");
    Fan.enableCycleMode(en);
    DEBUG_PRINTF("[Web] 循环模式: %s\n", en?"ON":"OFF");
  }
  _srv.send(200,"text/plain","OK");
}

void WebHandlerBattery::_onCsv() {
  String csv = "Timestamp_s,Voltage_V,Current_A,Power_W,SOC_pct\n";
  for (int i=0; i<CSV_SIZE; i++) {
    int idx=(_csvIdx+i)%CSV_SIZE;
    if (_csv[idx].ts==0) continue;
    csv += String(_csv[idx].ts)+"," +String(_csv[idx].v,3)+","
          +String(_csv[idx].i,4)+","+String(_csv[idx].p,2)+","
          +String((int)_csv[idx].soc)+"\n";
  }
  _srv.sendHeader("Content-Disposition","attachment; filename=batt.csv");
  _srv.send(200,"text/csv",csv);
}

void WebHandlerBattery::_pushCsv() {
  BatteryData d=Battery.getData();
  _csv[_csvIdx]={millis()/1000UL, d.voltage, d.current, d.power, d.soc};
  _csvIdx=(_csvIdx+1)%CSV_SIZE;
}

**JSON接口设计：**覆盖电压、电流、功率、OCV、EMA平滑值、SOC、充放电容量、时间估算、模式、风扇状态、PWM百分比、循环模式标志、运行时长和剩余堆内存

3.4 LVGL监视器界面

cpp 复制代码

void DisplayHandler::_buildChart() {
  lv_obj_t* card = makeCard(_scr, 0, 28, 202, 130, COL_CARD, COL_BORDER);

  _chart = lv_chart_create(card);
  lv_obj_set_size(_chart, 186, 116);
  lv_obj_align(_chart, LV_ALIGN_CENTER, 0, 0);
  lv_obj_set_style_bg_color(_chart, lv_color_make(8,13,24), 0);
  lv_obj_set_style_bg_opa(_chart, LV_OPA_COVER, 0);
  lv_obj_set_style_border_color(_chart, COL_BORDER, 0);
  lv_obj_set_style_border_width(_chart, 1, 0);
  lv_obj_set_style_radius(_chart, 3, 0);
  lv_obj_set_style_pad_all(_chart, 2, 0);

  lv_chart_set_type(_chart, LV_CHART_TYPE_LINE);
  lv_chart_set_point_count(_chart, CHART_POINTS);
  lv_chart_set_update_mode(_chart, LV_CHART_UPDATE_MODE_SHIFT);
  // Y轴范围：-60~500（单位 0.01，覆盖 -0.6A~5.0V/A/W）
  lv_chart_set_range(_chart, LV_CHART_AXIS_PRIMARY_Y, -60, 500);

  // 分割线（网格）
  lv_chart_set_div_line_count(_chart, 4, 8);
  lv_obj_set_style_line_color(_chart, COL_BORDER, LV_PART_MAIN);

  // 三路数据系列
  _serV = lv_chart_add_series(_chart, COL_VOLT, LV_CHART_AXIS_PRIMARY_Y);
  _serI = lv_chart_add_series(_chart, COL_CURR, LV_CHART_AXIS_PRIMARY_Y);
  _serP = lv_chart_add_series(_chart, COL_POW,  LV_CHART_AXIS_PRIMARY_Y);

  // 用初始值填充，避免显示乱线
  for (int i = 0; i < CHART_POINTS; i++) {
    lv_chart_set_next_value(_chart, _serV, 0);
    lv_chart_set_next_value(_chart, _serI, 0);
    lv_chart_set_next_value(_chart, _serP, 0);
  }

  // 线宽
  lv_obj_set_style_line_width(_chart, 2, LV_PART_ITEMS);
  lv_obj_set_style_size(_chart, 0, 0, LV_PART_INDICATOR); // 隐藏点

  // Y 轴刻度标签（放在 card 外侧，用 label 模拟）
  _lblYMax  = makeLabel(card, "5.0",  COL_DIM, 0, 2,  &lv_font_montserrat_10);
  _lblYZero = makeLabel(card, "0",    COL_DIM, 0, 56, &lv_font_montserrat_10);
  _lblYMin  = makeLabel(card, "-0.6", COL_DIM, 0, 110,&lv_font_montserrat_10);
}

LVGL内存控制策略

Draw buffer采用 SCREEN_W × 10 行单缓冲、lv_chart固定60点三路数据系列、label使用LVGL内置Montserrat小字体、LV_MEM_SIZE 配置为32KB

系统流程图

3.5 INA238 库函数

getCurrent() 如何获得真实电流？

INA238库内部调用了 _readRegister(INA238_CURRENT, 2) 获得16位原始值 value，然后乘以 _current_LSB 得到实际电流

cpp 复制代码

float INA238::getCurrent()
{
  //  remove reserved bits.
  int16_t value = _readRegister(INA238_CURRENT, 2);
  //  int16_t handles negative values (16 bit)
  float current = value * _current_LSB;  //  8.1.2 formula (3)
  return current;
}

int INA238::setMaxCurrentShunt(float maxCurrent, float shunt)
{
  //  Shunt can be really small
  if (shunt < 0.0001)   return -2;
  if (maxCurrent < 0.0) return -3;
  _maxCurrent = maxCurrent;
  _shunt = shunt;
  _current_LSB = _maxCurrent / (float)(1UL << 15);  //  pow(2, -15);
  // _current_LSB = _maxCurrent * 3.0517578125e-5;  //  pow(2, -15);

  //  PAGE 28-29 (8.1.2)
  float shunt_cal = 819.2e6 * _current_LSB * _shunt;  //  8.1.2  formula (1,2)
  //  depends on ADCRANGE in INA238_CONFIG register.
  if (_ADCRange == true)
  {
    shunt_cal *= 4;
  }
  //  shunt_cal must be written to its REGISTER.
  _writeRegister(INA238_SHUNT_CAL, shunt_cal);

  return 0;
}

_current_LSB公式计算

该项目中：Max_Current = 5A，Rshunt = 0.015Ω，则 CURRENT_LSB ≈ 152.6 µA，SHUNT_CAL ≈ 1874。该值被写入芯片的 SHUNT_CAL 寄存器（0x02），芯片即按此比例输出电流值

INA238寄存器地址表

地址	寄存器名	位宽	本项目使用情况
0x00	CONFIG	16-bit	芯片复位、ADC量程选择（ADCRANGE位）
0x01	ADC_CONFIG	16-bit	采样均值数、转换时间配置
0x02	SHUNT_CAL	16-bit	关键：校准寄存器，决定电流精度

四、项目演示

4.1 操作流程

①硬件上电初始化

接通零知派ESP32的5V供电（USB或外部电源），系统自动完成INA238初始化、TFT屏幕初始化和WiFi热点启动。屏幕顶部标题栏显示"BATT MONITOR"即为初始化成功

②连接WiFi查看Web页面

手机或电脑搜索WiFi热点INA238_Monitor，密码12345678。浏览器访问http://192.168.4.1进入仪表盘页面，页面以1Hz频率自动刷新全部数据

③充放电演示

断开充电器并接入负载（如风扇），电流跃至负半轴、模式变为"DISCHG"

接入CSM4056充电模块对18650电池充电，观察屏幕波形区电流跃升至正半轴、模式变为"CHARGING"、SOC百分比缓慢上升

④数据导出

在Web仪表盘点击" CSV"按钮，浏览器自动下载历史数据CSV文件，可在Excel中直接打开进行趋势分析

4.2 视频演示

ESP32驱动INA238的18650锂电池充电监测系统

基于零知派ESP32和TI INA238高精度功率监测芯片，完整演示锂电池充放电实时监测系统的搭建与使用。涵盖硬件接线、TFT显示屏波形刷新、Web网页远程监控仪表盘、CSV数据一键导出整个操作流程。充放电状态自动识别，SOC融合算法精准跟踪，OCV内阻补偿消除充电虚高

五、INA238技术原理讲解

核心架构

INA238是一款超精密数字功率监测器，内置16位delta-sigma（Δ-Σ）ADC，专为电流检测应用设计。可测量±163.84 mV或±40.96 mV的全量程差分输入，共模电压支持范围从-0.3 V到+85 V

Δ-Σ ADC的核心原理是过采样 + 噪声整形：

**工作原理：**分流电阻Rshunt串入被测回路，电流I流过时产生压降Vshunt = I × Rshunt；INA238的内部Δ-Σ ADC对Vshunt进行16位高精度差分采样；同时VBUS引脚独立采样总线电压Vbus；内置乘法器计算功率P = Vbus × I

5.1 寄存器操作

①VSHUNT寄存器

INA238支持两种分流电压测量量程：±163.84 mV 或 ±40.96 mV，由CONFIG寄存器中的ADCRANGE位控制

本项目使用默认量程±163.84 mV（ADCRANGE=0），对应分辨率：

分流电压可以是正值或负值，因为系统中的电流是双向的，VSHUNT寄存器中的数据可以为正也可以为负

②POWER寄存器

VBUS寄存器的转换系数为3.125 mV/LSB，总线电压始终为正值，采用16位有符号但数值始终为正的存储格式

功率计算在芯片内部硬件完成

5.2 I2C通信协议

INA238使用标准I²C接口（最高1MHz），7位器件地址默认0x40（A0=GND, A1=GND时可配置为0x41～0x4F）

**I2C地址配置：**INA238的I2C地址由A0、A1两个引脚的接法决定：

I2C读取时序：主设备先发送从设备地址+寄存器指针字节，再发送或读取对应数据字节

写字节时序

从设备地址字节的值由A0和A1引脚的设置决定

读字节时序

读取数据来自最后一个寄存器指针位置；若需使用新寄存器，必须更新寄存器指针；主设备也可发送ACK确认信号

六、常见问题解答（FAQ）

Q1：波形图刷新太慢，卡顿明显？

*A：SAMPLE_INTERVAL_MS设置过小（默认200ms）时，TFT全屏刷新和WiFi处理会竞争CPU。*建议：① 采样间隔不要小于200ms；② WebServer.handleClient()在loop里每帧都要调用，不能少；③ TFT_eSPI的SPI频率设置不要超过屏幕规格

Q2：网页数据不更新，一直显示0？

A：① 检查手机是否连接到了INA238_Monitor热点； ② 浏览器输入http://192.168.4.1（注意是http不是https）；③ 如果用了Safari或Chrome有时会缓存，尝试强制刷新；④ ESP32堆内存不足时服务器可能挂掉，串口查看HeapFree数值，建议保持>50KB

项目资源整合

INA238数据手册： INA238 datasheet

INA238库文件： RobTillaart/INA238

TFT_eSPI： Bodmer/TFT_eSPI