基于C8051f350單片機(jī)的鉛酸蓄電池智能檢測(cè)儀研制

霍富強(qiáng)，陳富安

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用于交通、電力、通信等領(lǐng)域的相關(guān)設(shè)備中，甚至是這些設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，特別在汽車、電動(dòng)車等交通工具和UPS、EPS系統(tǒng)中處于核心地位，鉛酸蓄電池的性能直接影響相關(guān)設(shè)備的壽命和可靠性。掌握鉛酸蓄電池性能狀態(tài)對(duì)延長(zhǎng)蓄電池壽命及防止相關(guān)設(shè)備突發(fā)事故發(fā)生有重要意義[1-2]，因此對(duì)影響鉛酸蓄電池性能狀態(tài)的容量和內(nèi)阻的檢測(cè)尤為必要。

目前市場(chǎng)上鉛酸蓄電池檢測(cè)儀種類很多，但功能單一，檢測(cè)精度低，智能化程度低。為此，研制了鉛酸蓄電池智能檢測(cè)儀，集成化、便攜式的設(shè)計(jì)，大大提高了檢測(cè)儀的檢測(cè)精度、智能化，也使檢測(cè)工作變的輕松、方便。

1 檢測(cè)原理分析

鉛酸蓄電池容量和內(nèi)阻的檢測(cè)方法很多，該檢測(cè)儀采用恒流放電的方法，相互獨(dú)立地測(cè)量蓄電池容量和內(nèi)阻，避開(kāi)交叉測(cè)量帶來(lái)不利影響。

鉛酸蓄電池基于恒定電阻放電時(shí)其端電壓逐漸下降，實(shí)現(xiàn)恒流放電必須保持放電電阻兩端的壓降不變。在此檢測(cè)儀中把放電電流作為反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制，用戶設(shè)定的放電電流和實(shí)際放電電流偏差e，經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)后，動(dòng)態(tài)調(diào)整C8051f350單片機(jī)輸出PWM波的占空比，再經(jīng)光電隔離和驅(qū)動(dòng)電路后控制調(diào)制開(kāi)關(guān)管，進(jìn)行DC/DC斬波降壓[3]，保證放電電阻的兩端的壓降不變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒流。恒流放電過(guò)程中，蓄電池端電壓持續(xù)下降，當(dāng)放電至蓄電池放電終了電壓時(shí)刻，軟件按照公式（1）計(jì)算容量；軟件動(dòng)態(tài)測(cè)量蓄電池端電壓前后時(shí)刻的變化，并按照公式（2）計(jì)算內(nèi)阻。放電至蓄電池放電終了電壓時(shí)，停止放電并提示用戶檢測(cè)完畢。

式子中：C是鉛酸蓄電池容量，I是恒定放電電流，t是放電時(shí)間，ΔU是鉛酸蓄電池端電壓前后時(shí)刻的變化量，r是鉛酸蓄電池內(nèi)阻。

檢測(cè)過(guò)程中，液晶動(dòng)態(tài)顯示蓄電池內(nèi)阻、容量、放電電流和端電壓。檢測(cè)完畢后，根據(jù)用戶需要，對(duì)比顯示前后兩次檢測(cè)過(guò)程中容量和內(nèi)阻的變化曲線。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖1可知其硬件電路總體上可分為控制電路、PWM調(diào)制電路和保護(hù)電路3大部分，具體包括控制芯片C8051f350單片機(jī)、PWM調(diào)制電路、電壓電流采樣電路、過(guò)流過(guò)壓欠壓保護(hù)電路、鍵盤(pán)設(shè)定電路、12864液晶顯示電路和語(yǔ)音提示故障電路7部分。

圖1 測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the detector

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由主控芯片、鍵盤(pán)設(shè)定電路和液晶顯示電路組成，主要實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)設(shè)定、電壓電流檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換、液晶顯示和PWM波輸出等控制功能。

主控芯片選用完全集成的片上系統(tǒng)型C8051f350單片機(jī)，此款單片機(jī)相比標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用流水線結(jié)構(gòu)式的CIP-51內(nèi)核，具有預(yù)取指令功能，處理速度快；內(nèi)置24或16位單端/差分ADC，ADC具有模擬轉(zhuǎn)換器和可編程增益放大器（PGA），方便用戶選擇模擬通道和配置放大倍數(shù)；內(nèi)置16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列（PCA），方便產(chǎn)生PWM波；內(nèi)置高精度可編程24.5 MHz振蕩器；支持全速、非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試。

在該檢測(cè)儀中，系統(tǒng)時(shí)鐘使用片內(nèi)振蕩器；利用片內(nèi)ADC轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)電壓和電流；利用片內(nèi)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列（PCA），產(chǎn)生 PWM波；液晶控制采用串行方式，程序調(diào)試采用全速在系統(tǒng)調(diào)試方式；由此可見(jiàn)C8051f350單片機(jī)單個(gè)芯片即可完成檢測(cè)和控制，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了電路集成度[4]。

2.2PWM調(diào)制電路設(shè)計(jì)

PWM調(diào)制電路主要包括主回路、驅(qū)動(dòng)電路和電壓電流采樣電路3部分；主要實(shí)現(xiàn)恒流控制和電壓電流檢測(cè)。

PWM調(diào)制電路是檢測(cè)儀硬件電路的關(guān)鍵部分，PWM調(diào)制電路如圖 2 所示， 主回路由電路圖中的 L1、R10、D4、Q1、R14、C13，Battery組成，具體器件選擇根據(jù)具體放電要求而定，其中R10是恒定放電電阻，D4是調(diào)制開(kāi)關(guān)管Q1峰值箝位二極管，必須選用快速恢復(fù)二極管，Q1是調(diào)制開(kāi)關(guān)管（MOSFETIRF540N）， R14是電流檢測(cè)電阻，L1和 C13是平滑電流、電壓突變器件，Battery是鉛酸蓄電池；電路圖中的IR2117是美國(guó)國(guó)際整流公司生產(chǎn)的IGBT或MOSFET電壓型功率開(kāi)關(guān)管的專用集成驅(qū)動(dòng)芯片[5]，它是通過(guò)互補(bǔ)推挽電路實(shí)現(xiàn)電壓放大，在本電路中驅(qū)動(dòng)調(diào)制開(kāi)關(guān)管Q1，IR2117輸入PWM波的幅值一般要大于9 V，此外針對(duì)本芯片的外圍器件最好按照推薦電路要求選擇，其位置最好靠近芯片；電壓檢測(cè)是通過(guò)高精密電阻分壓后單端進(jìn)入片內(nèi)ADC轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，電流檢測(cè)是通過(guò)主回路串接檢測(cè)電阻后差分進(jìn)入片內(nèi)ADC轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)。

圖2 PWM調(diào)制電路圖Fig.2 Circuit of the PWM modulation

2.3 保護(hù)及故障提示電路

檢測(cè)儀設(shè)計(jì)有過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、短路等保護(hù)電路，經(jīng)檢測(cè)、比較和光電隔離等環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路和元器件的保護(hù)。所有保護(hù)信號(hào)送至主控芯片C8051f350單片機(jī)的外部中斷輸入端口（中斷優(yōu)先級(jí)最高），如果有故障發(fā)生，暫停PWM波產(chǎn)生，并通過(guò)語(yǔ)音芯片提示故障原因，以便維修。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，使各模塊功能清晰明了，便于程序的編寫(xiě)、調(diào)試及以后的功能擴(kuò)展。根據(jù)功能要求，系統(tǒng)軟件主要包括以下程序模塊：初始化模塊，鍵盤(pán)掃描模塊，液晶顯示模塊，PWM調(diào)制恒流模塊，A/D轉(zhuǎn)換及容量、內(nèi)阻計(jì)算模塊和flash讀寫(xiě)模塊。

為提高系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)效性，程序編寫(xiě)采用中斷和查詢相結(jié)合的方法，實(shí)時(shí)調(diào)用相關(guān)服務(wù)程序[6]。PWM波中斷服務(wù)程序設(shè)定為次高級(jí)，中斷服務(wù)程序代碼盡可能少，從而保證PWM波高保真發(fā)出。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先刷新看門狗，執(zhí)行初始化程序；其次運(yùn)行讀flash程序，進(jìn)入主循環(huán)后，根據(jù)鍵盤(pán)掃描程序結(jié)果和中斷請(qǐng)求，調(diào)用相關(guān)服務(wù)子程序，系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 Flow diagram of the system software

PWM調(diào)制恒流程序段是系統(tǒng)軟件核心，以此為例予以說(shuō)明，其它程序段不詳細(xì)介紹。PWM調(diào)制程序段編寫(xiě)思路：首先，判斷蓄電池端電壓是否低于蓄電池放電終了電壓，如果低于放電終了電壓，不放電并提示用戶，否則，進(jìn)行PWM調(diào)制恒流放電；其次，進(jìn)入PWM調(diào)制恒流放電后：設(shè)定值經(jīng)控制器計(jì)算后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)占空比的PWM信號(hào)，如果實(shí)際放電電流值小于設(shè)定值，PID控制器調(diào)節(jié)增大占空比；如果實(shí)際放電電流值大于設(shè)定值，PID控制器調(diào)節(jié)減小占空比，保證實(shí)際放電電流值和設(shè)定值相等，實(shí)現(xiàn)恒流放電。（本系統(tǒng)通過(guò)PCA0CPH0寄存器每次減5后逐步增大占空比，每次加5后逐步減小占空比）。PWM調(diào)制程序流程如圖4所示。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，液晶動(dòng)態(tài)顯示各參數(shù)的變化。

圖4 PWM調(diào)制程序流程圖Fig.4 Flow diagram of the PWM madulation

4 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

4.1PWM波的產(chǎn)生

C8051f350單片機(jī)PCA模塊的每個(gè)捕捉/比較模塊（共3個(gè)）都可以獨(dú)立輸出

一定占空比的PWM波。PWM波的頻率決定于PCA模塊定時(shí)器的時(shí)基，PWM波的占空比通過(guò)改變寄存器CPA0CPn的值實(shí)現(xiàn)，用戶根據(jù)需要可靈活設(shè)定。

4.2 恒流控制算法

PID控制是在獲取控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，按照偏差的比例、積分和微分的線性組合完成的控制[7]，根據(jù)一定的整定原則，適當(dāng)整定 PID的 Kp、Ki、Kd3個(gè)參數(shù)，可以獲得較理想的控制效果，PID控制器框圖如圖5所示。文中的恒流控制采用PID控制算法，實(shí)際放電電流經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)后，與設(shè)定電流值的誤差在±5%范圍內(nèi)，軟件認(rèn)為實(shí)際放電電流達(dá)到恒流。實(shí)驗(yàn)證明，這種控制方式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)精度好，魯棒性好。

圖5 PID控制器框圖Fig.5 Block diagram of the PID

4.3 電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題

1）為防止開(kāi)通電路瞬間電流發(fā)生突變，在PWM調(diào)制電路的L1位置處放置合適電感；2）由于電路中有電感或寄生電感存在，關(guān)斷電路瞬間容易產(chǎn)生很高的浪涌電壓，最好選用與電感匹配的電容放在PWM調(diào)制電路中C13位置處，可有效降低電路中的浪涌電壓。

5 結(jié)束語(yǔ)

研制的基于C8051f350單片機(jī)的鉛酸蓄電池智能檢測(cè)儀，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池容量和內(nèi)阻的智能精準(zhǔn)檢測(cè)。該檢測(cè)儀充分利用了C8051f350單片機(jī)片內(nèi)豐富的集成資源和強(qiáng)大的控制功能，使該設(shè)備硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單且集成度高，控制靈活且運(yùn)行穩(wěn)定。該檢測(cè)儀使用方便，性價(jià)比高，具有很好的推廣價(jià)值。

[1]劉曉剛.鉛酸蓄電池容量檢測(cè)方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[2]舒新.蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā) [D].南京：河海大學(xué)，2007.

[3]陳堅(jiān).電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù) [M].2版.北京：高等教育出版社，2004：55-60.

[4]李立偉，劉斌，段雄英.智能型蓄電池恒流放電裝置的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（12）：60-62.LI Li-wei， LIU Bin， DUAN Xiong-ying.Development of intelligent instrument for constant discharge of batter[J].Instrument Technique and Sensor， 2006（12）：60-62.

[5]美國(guó)國(guó)際整流公司IR2117datasheet[EB/OL].[2011-07-28].http://www.dzsc.com/datasheet/IR2117_406757.html.

[6]張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù)[M].2版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[7]胡壽松.自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程[M].4版.北京:科學(xué)出版社，2003.