基于51單片機(jī)的蓄電池電導(dǎo)自動(dòng)測(cè)試儀

劉垚友

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基于51單片機(jī)的蓄電池電導(dǎo)自動(dòng)測(cè)試儀

劉垚友

【摘要】當(dāng)今社會(huì)，蓄電池有著廣泛的應(yīng)用，雖蓄電池作為能源能起到重要作用。蓄電池的品質(zhì)作為重要指標(biāo)，需要有效的對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，考慮到電池的電導(dǎo)與品質(zhì)之間較強(qiáng)的相關(guān)性，設(shè)計(jì)了本套基于51單片機(jī)的電導(dǎo)測(cè)試儀對(duì)其品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。該電導(dǎo)測(cè)試儀以交流注入法作為基本測(cè)量依據(jù)，即對(duì)待測(cè)蓄電池和參考電阻注入交流信號(hào)，然后通過(guò)對(duì)比兩者的壓降來(lái)求得蓄電池的內(nèi)阻，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)。在硬件上，采用功能齊全、操作簡(jiǎn)單的AT89C51單片機(jī)作為控制和顯示單元，以ICL8038構(gòu)成信號(hào)發(fā)生電路，經(jīng)放大后再通過(guò)幅度和相位檢測(cè)電路，最終實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)的實(shí)時(shí)測(cè)量。通過(guò)對(duì)比測(cè)試，該電導(dǎo)測(cè)試儀測(cè)量迅速、結(jié)果準(zhǔn)確且穩(wěn)定性好，能夠滿足實(shí)際的需要，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】蓄電池；電導(dǎo)測(cè)試儀；交流注入法；幅度檢測(cè)；相位檢測(cè)；AT89C51；ICL8038

0　引言

蓄電池的品質(zhì)是我們使用蓄電池時(shí)需要首要考慮的因素，傳統(tǒng)的蓄電池品質(zhì)測(cè)試儀價(jià)格昂貴，因此有必要設(shè)計(jì)出一種可測(cè)量電池品質(zhì)的經(jīng)濟(jì)可行的方法。電導(dǎo)是描述導(dǎo)體導(dǎo)電能力的物理量，反映了導(dǎo)體傳導(dǎo)電流的能力。蓄電池的內(nèi)部狀況如電解液干涸、極板腐蝕等都會(huì)引起電池的內(nèi)阻增大，電導(dǎo)減小，所以通過(guò)測(cè)量蓄電池的電導(dǎo)值可以很好的反映出電池質(zhì)量的好壞。蓄電池在各方面的應(yīng)用十分廣泛，尤其是動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)電導(dǎo)測(cè)試儀快速有效地測(cè)量蓄電池品質(zhì)并發(fā)現(xiàn)失效電池，對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)搶修和避免重大事故有著極其重要的意義。

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1測(cè)量原理

蓄電池電導(dǎo)的測(cè)量通過(guò)測(cè)量蓄電池的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。蓄電池的內(nèi)阻非常小，一般用微歐或者毫歐表示它，這么小的電阻值要求必須用專用儀器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

目前公認(rèn)的測(cè)量電池電阻的有效方法主要有兩種，分別是直流放電內(nèi)阻測(cè)量法和交流注入法。交流注入法的原理較為簡(jiǎn)單，測(cè)量的精度也比較高，它可以用來(lái)測(cè)量幾乎所有的電池，最主要的是它可以避免大電流給電池帶來(lái)的損傷，安全可靠。因此選擇交流注入法[1]為理論設(shè)計(jì)本套電導(dǎo)測(cè)試儀系統(tǒng)。

交流注入法原理是，將取樣電阻R與待測(cè)蓄電池（阻抗為Z）串聯(lián)，注入交流電流，則此時(shí)取樣電阻兩端的電壓VR為：

蓄電池兩端的電壓VB為：

因此只要能測(cè)量出VB和VR兩者之間的幅度比g和相位差就可以求得蓄電池的電導(dǎo)G為：

1.2總體設(shè)計(jì)方案

該電導(dǎo)測(cè)試儀系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。首先由測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生正弦波信號(hào)，該信號(hào)的頻率要可調(diào)，又因?yàn)樾铍姵氐膬?nèi)阻非常小，為保證蓄電池兩端電壓的正常檢測(cè)，因此要對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行功率放大，下一步要對(duì)取樣電阻和蓄電池上的激勵(lì)電壓求幅度比和相位差，為了更好的檢測(cè)，首先對(duì)兩者的電壓進(jìn)行放大處理，然后接幅度和相位檢測(cè)電路，最后再接控制單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行LED顯示，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就能得出蓄電池的電導(dǎo)值。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2　總體電路仿真圖

2　各部分硬件設(shè)計(jì)

2.1控制單元

單片機(jī)[2]作為本電導(dǎo)自動(dòng)測(cè)試儀系統(tǒng)的核心，在該系統(tǒng)中單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能主要是控制和顯示，首先是幅度比部分，要利用單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器工作將所得出的模擬信號(hào)準(zhǔn)化為數(shù)字信號(hào)，然后再接LED數(shù)碼管，用單片機(jī)控制顯示；其次是相位差部分，要利用單片機(jī)內(nèi)置的計(jì)數(shù)器測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)的時(shí)間差，再送LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

2.2正弦信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

正弦信號(hào)可以由很多方法來(lái)產(chǎn)生，該系統(tǒng)選擇的是用ICL8038芯片[3]產(chǎn)生正弦信號(hào)，在ICL8038芯片外圍電路的設(shè)計(jì)中，既要選擇合適的電阻來(lái)調(diào)節(jié)波形的失真度，又要選擇合適的電容和電阻用來(lái)調(diào)節(jié)產(chǎn)生信號(hào)的頻率。一般取調(diào)節(jié)頻率的電阻是定值，這樣調(diào)節(jié)電容C的大小可方便的調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率。

2.3功率放大電路

為了使蓄電池兩端的電壓得到很好的檢測(cè)，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，本系統(tǒng)中選擇LM386功率放大器，LM386[4]的外圍電路通過(guò)調(diào)節(jié)1腳和8腳之間的電容來(lái)調(diào)節(jié)增益大??；此外7腳所接的旁路電容是必不可少的，它能起到濾除噪聲的作用；輸出端所接的電容C6起到隔直和耦合的作用。

2.4差動(dòng)放大器

由于蓄電池兩端的電壓幅度較小，所以在幅相檢測(cè)前要對(duì)其兩端電壓進(jìn)行放大，選擇AD623芯片[5]作為差動(dòng)放大器，其中AD623芯片的1和8管腳之間接電阻用來(lái)調(diào)節(jié)差模放大的增益。

2.5幅相檢測(cè)電路

幅度檢測(cè)首先用峰值檢測(cè)器檢測(cè)出信號(hào)的峰值，再接A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。峰值檢測(cè)器就是要對(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行采集并保持。峰值檢測(cè)器有三個(gè)部分：（1）模擬峰值存儲(chǔ)器，即電容器；（2）單項(xiàng)電流開(kāi)關(guān)，即二極管；（3）輸入輸出緩沖隔離，即運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器采用TL082芯片。A/D轉(zhuǎn)換電路，是將模擬量或連續(xù)變化的量進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量的電路。A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADC0808芯片。

本系統(tǒng)采用相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量的方法[6]，先測(cè)量出兩路信號(hào)的時(shí)間差，再根據(jù)公式計(jì)算出相位差。該相位比較器主要由雙電壓比較器LM393和雙D觸發(fā)器4013組成。

2.6數(shù)碼管顯示

在幅度顯示時(shí)，用單片機(jī)控制DAC0808進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)利用單片機(jī)外接D觸發(fā)器的方式產(chǎn)生方波作為DAC0808的時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示的方式，在三個(gè)數(shù)碼管上分別顯示百十個(gè)位。在相位顯示時(shí)，將相位差檢測(cè)電路得到的時(shí)間差脈沖作為控制信號(hào)，另外選取一個(gè)高頻脈沖作為單片機(jī)的計(jì)數(shù)脈沖，通過(guò)讀取計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)結(jié)合高頻脈沖的周期就可以算出時(shí)間差，再根據(jù)公式算出相位差的大小。

3　系統(tǒng)仿真結(jié)果

本系統(tǒng)選用Proteus7.8作為仿真軟件，選用Keilm Vision2作為編程軟件。

將所有部分電路連接起來(lái)就得到了整體的電路圖，用小電阻代替蓄電池進(jìn)行仿真，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的大小，將系統(tǒng)測(cè)出的電導(dǎo)值與理論值進(jìn)行比較，得到的數(shù)據(jù)記錄于表1中，表中放大倍數(shù)為小電阻兩端電壓放大倍數(shù)，幅度比為放大后小電阻兩端電壓與參考電阻兩端電壓的比值，仿真中參考電阻統(tǒng)一取10，增益調(diào)節(jié)電阻統(tǒng)一取為1K，即放大倍數(shù)為100.8倍。

從表1的數(shù)據(jù)看出：由于是用電阻代替蓄電池，沒(méi)有容抗特性，所以相位差部分的值始終為零。分析相對(duì)誤差可知，用該系統(tǒng)測(cè)出的小電阻的電導(dǎo)值與理論值的誤差全部在1%以下，并且當(dāng)阻值大于0.025時(shí)，相對(duì)誤差更是降到了0.5%以下，這是由于隨著阻值的增加，數(shù)碼管顯示位數(shù)限制所引起的誤差會(huì)逐漸減少，精度會(huì)更高。

4　結(jié)論

通過(guò)仿真結(jié)果看出本套電導(dǎo)測(cè)試儀可以較為準(zhǔn)確的測(cè)量出蓄電池的電導(dǎo)值。但該系統(tǒng)存在一些改進(jìn)的方面，首先是信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)頻率的調(diào)節(jié)，ICL8038的頻率如果是通過(guò)調(diào)頻電壓輸入端口輸入電壓來(lái)調(diào)節(jié)，通過(guò)矩陣鍵盤來(lái)控制單片機(jī)輸出電壓大小，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器后輸入信號(hào)發(fā)生器，能夠更方便的調(diào)節(jié)到所需要的頻率；其次是在芯片的選擇上，可選擇更為高檔的芯片，得到的結(jié)果會(huì)更精確。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出蓄電池的電導(dǎo)，進(jìn)而判斷蓄電池的品質(zhì)，能夠快速有效的發(fā)現(xiàn)失效電池，對(duì)于部隊(duì)的戰(zhàn)場(chǎng)搶修和避免重大事故的發(fā)生有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

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劉垚友（1993—），男，山東濰坊人，大學(xué)本科在讀，主要研究方向：電子測(cè)量技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介：