基于單片機(jī)技術(shù)堿錳電池性能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

周 蕓，范 麗

(西安工業(yè)大學(xué)，西安 710021)

1 引言

堿錳電池作為現(xiàn)代的高性能電池，具有很高的性價(jià)比，其發(fā)展速度驚人。為了保證其內(nèi)在質(zhì)量，在出廠前，對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)是必不可少的。開(kāi)路電壓和短路電流是檢查堿錳電池最常用的二參數(shù)［1］。開(kāi)路電壓檢測(cè)時(shí)電池處于高阻態(tài)，誤差較?。?］。對(duì)于短路電流，測(cè)量時(shí)，除了電池的內(nèi)阻外，外接電路的電阻應(yīng)該等于零。但是這是不可能的，因?yàn)槿绻饨与娐冯娮铻榱?，就不能測(cè)得電流的數(shù)值了。經(jīng)過(guò)筆者查閱大量的資料發(fā)現(xiàn)，前幾年很多學(xué)者研究短路電流時(shí)，用的是四線制結(jié)合小電阻放電的方法［3］，但是并未考慮 GB7112—86中規(guī)定的測(cè)量短路回路的電阻要小于10mΩ［2］。在此提出了一種全新的堿錳電池檢測(cè)方法，采用MAX4070雙向，高邊，緊湊型電流檢測(cè)放大器，克服了常規(guī)方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)短路電流的高精度測(cè)量?；诖藢⒃O(shè)計(jì)一種以STC90C516RD+單片機(jī)為控制核心的全自動(dòng)快速堿錳電池性能檢測(cè)儀。

2 相關(guān)理論技術(shù)及開(kāi)發(fā)環(huán)境

2.1 相關(guān)理論技術(shù)

單片機(jī)作為高新技術(shù)之一，以其體積小，功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，獲得很好的性價(jià)比，廣泛應(yīng)用于各種儀表儀器領(lǐng)域以及工業(yè)自動(dòng)化控制中［2］。堿錳電池性能檢測(cè)儀使用單片機(jī)作為其核心，主要用于控制檢測(cè)裝置的工作，以及和上位機(jī)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳至上位機(jī)。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要用到的相關(guān)技術(shù)是:單片機(jī)接口技術(shù)、抗干擾技術(shù)、顯示技術(shù)、電子線路設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境

設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境包括硬件方面和軟件方面。硬件方面包括:電路原理圖和PCB圖設(shè)計(jì)軟件Altium designer 09，將程序燒寫入單片機(jī)的燒寫軟件STC_ISP_V488;軟件方面包括:單片機(jī)程序編寫調(diào)試軟件Keil C等。

3 檢測(cè)儀硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路組成

該裝置的硬件電路包括:電池電流電壓檢測(cè)電路、按鍵電路、數(shù)據(jù)采集電路、LED顯示電路、串口通信電路。硬件電路邏輯圖如圖1。下面主要講述檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)采集電路。

圖1 硬件電路邏輯圖

3.2 開(kāi)路電壓，短路電流檢測(cè)電路

對(duì)于電池開(kāi)路電壓的檢測(cè)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)已比較成熟，而且誤差也小。但是目前電池短路電流的檢測(cè)技術(shù)還不是很完善，很難達(dá)到GB7112—86里的回路電阻小于10mΩ的要求。前人有研究過(guò)，是將十個(gè)MOS管并聯(lián)，使其回路電阻小于10mΩ［2］。這樣有點(diǎn)浪費(fèi)成本。因?yàn)椴煌臏y(cè)量時(shí)間就可以得到不同的短路電流。接通時(shí)間短，其短路電流讀數(shù)就大;接通時(shí)間長(zhǎng)，則測(cè)得的電流就會(huì)小一些。而且溫度也能影響短路電流值。并且電池直接短路，對(duì)電池的損壞會(huì)很大。考慮到以上的影響因素，該設(shè)計(jì)將對(duì)同一批次的電池在相同溫度下進(jìn)行短路電流測(cè)量。其中采用電流檢測(cè)放大器MAX4070，可提高測(cè)量精度。其響應(yīng)時(shí)間、線性度、漂移等指標(biāo)均很理想，且能適合大范圍大電流的測(cè)量，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和測(cè)試，很好的滿足設(shè)計(jì)要求。如圖2為開(kāi)路電壓、短路電流檢測(cè)電路［4－6］。參考芯片資料上的推薦組件值，本設(shè)計(jì)Rsense準(zhǔn)備選用5mΩ的康銅電阻(該電阻熱穩(wěn)定性好，漂移小)，當(dāng)電池符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在理想情況下短路電流為10A，選用MAX4070的100倍增益得到Vout為5V的標(biāo)準(zhǔn)輸出。而5V是模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCF8591的參考電壓值，此情況下，轉(zhuǎn)換的精度是最高的。由于GB7112—86要求，檢測(cè)短路電流的回路電阻需要小于10mΩ，選用上述電阻串聯(lián)上兩個(gè)并聯(lián)的MOS管IRF3205，一個(gè)MOS導(dǎo)通電阻為8mΩ，兩個(gè)并聯(lián)為4mΩ，加起來(lái)是9mΩ，所以能滿足國(guó)標(biāo)要求。當(dāng)然為了獲得更精確的值以及更符合芯片的要求，在設(shè)計(jì)電路時(shí)加上了保護(hù)電路，使用兩個(gè)肖特基二極管并聯(lián)，用于電壓鉗位，來(lái)限制該點(diǎn)的電壓值。從而使得輸出電壓更穩(wěn)定，對(duì)電路起保護(hù)作用。在MAX4070后，接了一個(gè)電壓跟隨器可以提高原來(lái)電路帶負(fù)載的能力，用作緩沖作用。

MOS管是為了切換開(kāi)路電壓和短路電流檢測(cè)的。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)短路電流，不導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)開(kāi)路電壓。

數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，運(yùn)用了PCF8591，它是單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4個(gè)模擬輸入，一個(gè)模擬輸出和串行I2C總線接口。3個(gè)地址引腳A0，A1和A2用于編程硬件地址，允許8個(gè)器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過(guò)兩線雙向I2C總線傳輸。

圖2 開(kāi)路電壓，短路電流檢測(cè)電路圖

3.3 信號(hào)隔離電路

檢測(cè)電路中，MOS管電路和MOS管的驅(qū)動(dòng)部分如果處于同一個(gè)電源系統(tǒng)下，當(dāng)MOS管電路發(fā)生意外時(shí)，就有可能影響到驅(qū)動(dòng)部分的電路，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。所以考慮用光耦將MOS管電路部分與MOS管驅(qū)動(dòng)部分相隔開(kāi)，那么即使MOS管部分有問(wèn)題也不會(huì)影響到其他部分的問(wèn)題出現(xiàn)。如圖3，R45和R44，Q3三個(gè)元件來(lái)驅(qū)動(dòng)光耦，用三極管的主要目的是提供給光耦開(kāi)啟所需的充足電流。當(dāng)P1.4口為高電平時(shí)，Q3三極管導(dǎo)通，光耦內(nèi)部二極管被導(dǎo)通，有電流流過(guò)二極管內(nèi)部，光耦右側(cè)的三極管被導(dǎo)通，所以CTL_TEST端被拉低，檢測(cè)電流電路中的MOS管不被導(dǎo)通，開(kāi)始檢測(cè)開(kāi)路電壓。反之就開(kāi)始檢測(cè)短路電流［5］。

3.4 按鍵電路

該設(shè)計(jì)為了節(jié)省光耦器件和I/O口資源，采用了74LS148這種8－3編碼器，只有當(dāng)EI低，有按鍵按下時(shí)才開(kāi)始編碼，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中只需要六個(gè)鍵盤，所以0、7輸入口不使用給以高電平處理。根據(jù)真值表可以確定如果按下K1鍵，則輸入口就是1011111，則輸出為110，導(dǎo)通兩個(gè)光耦，單片機(jī)的 P1.3，P1.2，P1.1口的電平為001，則單片機(jī)識(shí)別第一個(gè)鍵盤被按下，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。以此類推。按鍵電路如圖4［4］。

圖3 信號(hào)隔離電路圖

另外，編碼器的輸出口和單片機(jī)的I/O口用光耦器件相連，起到一個(gè)隔離作用。

圖4 按鍵電路

4 檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)通過(guò)Keil uVision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制程序，簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)，編譯后生成Hex文件寫入單片機(jī)進(jìn)行硬件部分工作。

單片機(jī)控制部分由初始化模塊、按鍵管理模塊、電池參數(shù)檢測(cè)模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊等五部分組成。軟件流程總框圖如圖5所示。

(1)初始化模塊是在單片機(jī)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)，I/O口、各變量存儲(chǔ)單元、狀態(tài)變量等初始化。

(2)鍵盤模塊，采用74LS148編碼器，節(jié)省I/O口，并且軟件編程極為方便。當(dāng)按下哪個(gè)鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)單片機(jī)的I/O就是哪個(gè)數(shù)字。

(3)電池參數(shù)檢測(cè)模塊采用P1.4口來(lái)控制短路電流和開(kāi)路電壓的檢測(cè)，P1.4口為高電平時(shí)，MOS管不導(dǎo)通，電路處于開(kāi)路狀態(tài)，檢測(cè)的是開(kāi)路電壓;P1.4為低電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，電路處于短路狀態(tài)，檢測(cè)的是短路電流。

(4)AD轉(zhuǎn)化模塊，本模塊采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是PCF8591。它是靠I2C總線的數(shù)據(jù)線SDL和時(shí)鐘線SCL與CPU聯(lián)系，由軟件決定電壓和電流數(shù)據(jù)的采集時(shí)間和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及送去顯示。執(zhí)行代碼如下:

(5)選用八位共陰極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電池的開(kāi)路電壓和短路電流值，還可以顯示當(dāng)時(shí)的電池總數(shù)和正次品數(shù)。段選是用74HC573來(lái)控制的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)可以控制鎖存器的鎖存端，進(jìn)而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出。鎖存器的鎖存端由單片機(jī)的P1.0口來(lái)控制。位選使用74LS138譯碼器來(lái)驅(qū)動(dòng)，38譯碼器可以節(jié)省單片機(jī)的I/O口，它的三個(gè)輸入端分別由單片機(jī)的 P2.2，P2.3，P2.4 口來(lái)控制。

該系統(tǒng)在軟件中還采用了數(shù)字濾波技術(shù)中的算術(shù)平均濾波，來(lái)提高抗干擾性。

圖5 軟件流程總圖

5 結(jié) 束 語(yǔ)

該堿錳電池檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，開(kāi)路電壓的測(cè)量范圍:0－1.8V，開(kāi)路電壓分辨率為0.008V。短路電流的測(cè)量范圍:2－10A，短路電流的測(cè)量分辨率為0.04A。并且本系統(tǒng)采用AT24C02的掉電保護(hù)功能，防止數(shù)據(jù)丟失，以及采用了軟硬結(jié)合的抗干擾技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性。

［1］王力臻，馬鳳菊，谷書華，等.短路電流極其影響因素［J］.電池，1999，26(6):1 －2.

［2］于海峰.電池性能快速檢測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2001.

［3］楊明.堿錳電池在線質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2002.

［4］Sergio Franco.Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits［M］.Xi’an:Xi’an jiaotong University Press，2009.

［5］郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［6］華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006.