基于51單片機(jī)的新型蓄電池容量檢測(cè)儀

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基于51單片機(jī)的新型蓄電池容量檢測(cè)儀

夏桂書

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢618307）

摘要：為對(duì)蓄電池進(jìn)行準(zhǔn)確的容量測(cè)試，設(shè)計(jì)一種基于51單片機(jī)的新型蓄電池容量檢測(cè)儀。該裝置通過恒流電路控制蓄電池的放電，然后通過A/D轉(zhuǎn)換采樣，采集并存儲(chǔ)蓄電池在放電過程中的放電電壓值樣本得到放電曲線，計(jì)算出被測(cè)蓄電池的準(zhǔn)確容量，通過蓄電池電壓能夠快速估算出該時(shí)刻對(duì)應(yīng)電池剩余容量值。測(cè)試結(jié)果表明：該容量檢測(cè)儀精度良好，測(cè)量誤差在1%以內(nèi)，能夠快速準(zhǔn)確判定蓄電池剩余容量，具有較高的實(shí)用性與推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：蓄電池；容量檢測(cè)；MOSFET晶體管；快速測(cè)量；51單片機(jī)

收到修改稿日期：2013-06-03

0　引言

目前各類蓄電池廣泛運(yùn)用于生活與生產(chǎn)當(dāng)中，已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)必不可少的一部分。在使用蓄電池的過程中常常需要了解蓄電池的實(shí)際容量，因此需要對(duì)蓄電池能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單容量測(cè)試的儀器。對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行測(cè)試，目前最可靠的方法是對(duì)蓄電池進(jìn)行一次完整的放電測(cè)試[1]。這種測(cè)試方法準(zhǔn)確可靠，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且對(duì)于一次性電池?zé)o法進(jìn)行測(cè)試。因此，本文針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法的弊端，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)性比較高的蓄電池容量檢測(cè)儀器。

1　測(cè)試原理

1.1容量判定的原理

根據(jù)蓄電池的原理和實(shí)際驗(yàn)證，可以知道，同一蓄電池的容量與蓄電池的當(dāng)前電壓直接相關(guān)。根據(jù)這一原理，對(duì)于不同蓄電池，由于其電壓-容量的特性不同，可通過測(cè)試得到被測(cè)蓄電池的電壓-容量特性曲線，然后得到蓄電池的放電曲線來判定蓄電池當(dāng)前實(shí)際容量。對(duì)于一次性蓄電池，由于同一批生產(chǎn)的蓄電池特性相似，可通過隨機(jī)選取測(cè)試，得到該批蓄電池的電壓-容量特性，從而能夠快速判定容量[2]。

1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路采用單片機(jī)控制恒流電路對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流放電，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換電路采集實(shí)際的放電電流，通過單片機(jī)對(duì)放電電流和放電時(shí)間的積分運(yùn)算可求得放出的電量。

系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為核心，通過矩陣鍵盤設(shè)置放電電流和選擇不同的蓄電池以及工作模式；通過A/D轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)實(shí)際工作電流和當(dāng)前被測(cè)蓄電池電壓[3]；單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓到恒流模塊，從而控制輸出電流，完成對(duì)輸出電流的設(shè)置和調(diào)節(jié)；并且系統(tǒng)可通過液晶實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電流、電壓和工作狀態(tài)，能夠準(zhǔn)確顯示當(dāng)前放電量；通過存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)多組被測(cè)曲線，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量[4-6]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)控制和液晶顯示電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為控制核心，該單片機(jī)是宏晶科技推出的以8051為內(nèi)核的新一代51單片機(jī)。作為傳統(tǒng)8051內(nèi)核的增強(qiáng)型單片機(jī)，STC89C52RC單片機(jī)具備超強(qiáng)的抗干擾能力，運(yùn)用在電氣系統(tǒng)中，滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下可靠性的要求。同時(shí)該單片機(jī)內(nèi)部MAX810復(fù)位電路，免去外接復(fù)位電路，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。單片機(jī)上已集成有大容量的ROM和RAM存儲(chǔ)器，為程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理提供充足的空間。

液晶顯示電路選用并行驅(qū)動(dòng)的LCD1602液晶。LCD1602采用并行方式與單片機(jī)通信，數(shù)據(jù)傳輸方式簡(jiǎn)單，易于使用，雖然其使用占用較多的I/O口，但本系統(tǒng)中采用的單片機(jī)能夠提供足夠的資源與其連接，所以采用此方案是理想的選擇。且由于其強(qiáng)大的集成度，與顯示相關(guān)的功能都集成在模塊上，能夠直接與單片機(jī)連接通信。單片機(jī)和液晶顯示接口示意圖如圖2所示。

2.2恒流控制電路

系統(tǒng)的恒流部分應(yīng)用電流負(fù)反饋控制原理，采用運(yùn)算放大器和MOSFET進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路如圖3所示。

圖2　單片機(jī)和液晶顯示接口示意圖

圖3　恒流部分電路

其工作原理是：VIN+為被測(cè)蓄電池，DAC端由單片機(jī)輸入設(shè)定放電電流對(duì)應(yīng)的電壓值，當(dāng)U1的反相輸入端的電壓值小于其同相輸入端電壓值時(shí)，U1的輸出電壓增加；則使Q1的柵極電壓增大，工作在恒流區(qū)的Q1的電流增大；當(dāng)電流增大時(shí)，該電流在R2上產(chǎn)生的壓降增加，這個(gè)電壓輸入運(yùn)放U2進(jìn)行放大，使得U2輸出電壓增加，當(dāng)U1的兩輸入端電壓相同時(shí)，電路工作狀態(tài)穩(wěn)定，輸出電流達(dá)到恒定值[7]。

由于某些蓄電池的電壓較小，為了在測(cè)試低電壓的蓄電池時(shí)仍能提供較大的負(fù)載電流，電路設(shè)計(jì)時(shí)盡量減小回路電阻，選用了低導(dǎo)通電阻的IRFP260場(chǎng)效應(yīng)管，同時(shí)采樣電阻選用阻值為0.01 Ω的無感精密電阻。當(dāng)電流較小時(shí)，采樣電阻上的壓降較小，難以測(cè)量，需對(duì)其進(jìn)行放大。圖3中U2構(gòu)成的放大電路，放大倍數(shù)通過R3和R4設(shè)定。

由U2的輸出電壓與U2輸入電壓的關(guān)系：

因?yàn)楫?dāng)電流恒定時(shí)有Uin=U2out，所以式（4）可改寫為

2.3電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)電路

為實(shí)現(xiàn)蓄電池放電電流和電壓的監(jiān)測(cè)和顯示，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)加入電壓和電流檢測(cè)電路，通過MAX1241模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳送給單片機(jī)，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控或容量判定。

電流測(cè)量通過檢流電阻對(duì)放電電流進(jìn)行檢測(cè)，檢流電阻將放電的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于采集的電壓信號(hào)，再經(jīng)放大電路對(duì)檢測(cè)到的電壓信號(hào)放大。由式（3）可知，圖3中U2的輸出電壓與負(fù)載電流呈比例關(guān)系，因此通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，檢測(cè)U2輸出端ADC端口的電壓，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算得到實(shí)際電流。

電壓測(cè)量通過電阻比例分壓實(shí)現(xiàn)。由于設(shè)計(jì)被測(cè)蓄電池的最大電壓VIN+為24 V，高于A/D轉(zhuǎn)換電路的測(cè)量范圍0~2.5 V，因此需要對(duì)被測(cè)電壓進(jìn)行等比例縮小。分壓電阻RH與RL的選擇根據(jù)最大輸入電壓和A/D轉(zhuǎn)換電路的最大測(cè)量電壓有：

由于測(cè)量范圍略大于輸出范圍，可求得分壓電阻RH與RL的比值N為

因此比值N應(yīng)大于8.6倍，為了方便計(jì)算，RH取標(biāo)稱值180kΩ，RL取20kΩ。

2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1241芯片作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心芯片。該芯片為單端輸入的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有12位的分辨率，因此可對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行精確采樣[8-11]。

2.5數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為達(dá)到較高的電流和電壓設(shè)置精度，因此選用了AD5320這種12位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。

AD5320采用三線SPI接口，與單片機(jī)通信連接簡(jiǎn)單，具有較高的轉(zhuǎn)換速率和準(zhǔn)確度。AD5320的供電電壓是2.7~5.5V，它的內(nèi)部包含一個(gè)高精度的2.5 V電壓基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)可以省去外部基準(zhǔn)，同時(shí)也能達(dá)到更高的精度。

2.6數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和鍵盤電路

為了方便數(shù)據(jù)輸入和系統(tǒng)設(shè)置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鍵盤輸入電路。電路采用矩陣鍵盤作為輸入控制部分。矩陣鍵盤具有占用I/O口少、連接簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化按鍵電路的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)還采用MM74C922專用矩陣鍵盤管理芯片來管理鍵盤，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，把復(fù)雜的鍵盤掃描程序交給硬件處理，單片機(jī)只需讀取掃描結(jié)果即可。

為了對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，需設(shè)計(jì)存儲(chǔ)電路，對(duì)測(cè)試的蓄電池放電曲線進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)選用AT24C16作為外部存儲(chǔ)器。該芯片具有16K的存儲(chǔ)空間，通過單片機(jī)直接操作內(nèi)部數(shù)據(jù)，系統(tǒng)斷電后仍能夠?qū)?shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間保存。較大的存儲(chǔ)空間可以對(duì)組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滿足不同蓄電池快速測(cè)試的需求。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括硬件電路的驅(qū)動(dòng)程序、鍵盤輸入檢測(cè)、輸出控制和模式設(shè)定等功能的實(shí)現(xiàn)。

3.1系統(tǒng)主程序

主程序流程圖如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)工作后，各個(gè)硬件模塊初始化，設(shè)定芯片的工作狀態(tài)和初始輸出值；然后等待用戶按鍵輸入，系統(tǒng)根據(jù)輸入設(shè)定工作模式的不同，進(jìn)入相應(yīng)的工作模式設(shè)定中；在普通模式和智能模式下，設(shè)定電壓電流，開始放電過程；在快速模式下選擇蓄電池型號(hào)后，直接判定容量。系統(tǒng)軟件的主流程圖如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

3.2系統(tǒng)的工作模式設(shè)定

為實(shí)現(xiàn)蓄電池檢測(cè)的多種工作模式，程序設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)需要輸入相應(yīng)的工作模式。

在普通模式下，設(shè)置放電電流和放電截止電壓。設(shè)置完成后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的放電電流開始工作。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到蓄電池電壓低于截止電壓時(shí)，放電完成，等待用戶下一步操作。放電過程中，單片機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的電壓和電流信號(hào)，做積分運(yùn)算，即可得到蓄電池的容量，建立容量和電壓的關(guān)系曲線，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。在這種模式下，系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的電壓和電流工作，適用于各種蓄電池的放電，放電過程中實(shí)時(shí)顯示容量和電壓，并能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

這種工作模式，能夠保證蓄電池完成一次完整的放電過程，且能夠保護(hù)蓄電池不會(huì)因過放而損傷蓄電池。

智能模式下，系統(tǒng)已經(jīng)存儲(chǔ)了多種蓄電池的放電特性，直接選擇蓄電池種類、蓄電池電壓和放電電流，即可對(duì)蓄電池進(jìn)行智能放電，到達(dá)該種類電池的截至電壓自動(dòng)停止放電。這種模式對(duì)已知種類的電池，可以快速完成設(shè)定，不必再查詢放電參數(shù)。

快速測(cè)試模式，對(duì)已經(jīng)做過放電曲線測(cè)試的蓄電池，可以采用快速測(cè)試模式。該模式根據(jù)已有的放電曲線，通過電壓-容量關(guān)系，測(cè)量電池電壓直接判定剩余容量。該模式可對(duì)已有數(shù)據(jù)的電池快速判定，對(duì)同一批次的一次性電池也有效。

4　系統(tǒng)功能測(cè)試

采用鎳氫電池作為被測(cè)蓄電池，將電池接到電子負(fù)載的被測(cè)端，首先測(cè)試負(fù)載電流的準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié)負(fù)載設(shè)定不同的負(fù)載電流，萬用表實(shí)測(cè)電流和系統(tǒng)顯示的電流進(jìn)行比較。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　電流準(zhǔn)確性測(cè)試

從表1可以看出，系統(tǒng)的負(fù)載電流準(zhǔn)確性較高，特別是電流較大時(shí)，相對(duì)誤差較小。

測(cè)試完電流的準(zhǔn)確性后，接下來測(cè)試容量判定的準(zhǔn)確性。首先對(duì)多組蓄電池進(jìn)行標(biāo)定，然后各蓄電池在不同的電壓下進(jìn)行快速測(cè)試，最后進(jìn)行精確測(cè)試，與快速測(cè)試結(jié)果對(duì)比。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可見，快速測(cè)試的結(jié)果與精確測(cè)試結(jié)果誤差較小，滿足對(duì)容量快速判定的要求。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過測(cè)試可以看出，該蓄電池容量測(cè)試儀器完成了預(yù)定的設(shè)計(jì)功能，能夠快速準(zhǔn)確檢測(cè)蓄電池容量，具有精度高、穩(wěn)定性好、使用簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，滿足使用要求，具有很強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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表2　容量測(cè)試結(jié)果

New intelligent battery capacity detector based on 51 MCU

XIA Gui-shu

（Aviation Engineering Institute，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307，China）

Abstract:The new intelligent battery capacity detector based on 51 MCU is proposed for testing the battery capacity accurately. This device controls the battery discharge through the constant current circuit，and then the voltage value during its discharge process is measured and the signal is converted by A/D converter. After that，51 MCU can give the discharge curve and calculate battery capacity accurately. Besides，the current charge state of the battery is figured out according to the voltage value in a quick mode. The result shows that the new capacity detector is with high accuracy and the measurement error is within 1% . Because of this characteristic，the new detector can quickly and accurately determine the remaining battery capacity，so it has high practicality and promotional value.

Key words:battery；capacity detection；MOSFET；quick measurement；51 MCU

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與中國(guó)民航總局聯(lián)合資助項(xiàng)目（U1233202）中國(guó)民航飛行學(xué)院科研項(xiàng)目（J2007-20）

收稿日期：2013-04-06；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.019

文章編號(hào)：1674-5124（2013）05-0068-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TM912；TM930.114；TP368.2；TP274

作者簡(jiǎn)介：夏桂書（1968-），女，四川眉山市人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)殡姽る娮蛹夹g(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。