趙 雁，王志乾

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

作為備用電源，蓄電池已在計算機網(wǎng)絡、通信、軍工等領域得到了廣泛的應用，其重要性也越來越突出。當精密測量儀器在野外工作時，更是離不開電池，而且電池電量對儀器的使用有著重要的影響。如果不能在線對電池的電量進行監(jiān)測，將嚴重影響系統(tǒng)運行的可靠性，所以對電池剩余電量的預測和示警也變得越來越迫切[1-3]。

本文針對某電子經(jīng)緯儀的電池組，設計了一種便攜式的電量監(jiān)測儀，在電池組的充電和放電過程中，實時監(jiān)測電池電量，當電池電量達到預先設定的閾值點時，通過發(fā)光二極管來提醒使用者，而當電池電量沒有達到最低限值時，則通過蜂鳴器告警。

1 硬件設計

監(jiān)測儀的硬件結構示意圖如圖1所示。系統(tǒng)的微處理器選用增強型51單片機C8051F330，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SoC)，高速、流水線結構的CIP-51內(nèi)核與MCS-51指令集完全兼容，但全指令集平均運行速度比MCS-51提高9.5倍。其內(nèi)部有豐富的外設資源：8 KB可在線編程的Flash存儲器、768 B片內(nèi) RAM、內(nèi)置看門狗、片內(nèi)上電復位、4個通用16位定時器、真正10位200 kS/s的16通道ADC轉換器以及 I2C、UART、SPI總線通信接口等[4]。

圖1 硬件結構示意圖

本系統(tǒng)對電池電量的分壓采集采用C8051F330片內(nèi)的ADC轉換器。其目的是：降低整個系統(tǒng)的功耗，防止電路板消耗電池電量比例過大；節(jié)約電路板的面積，防止由于電路板上分立器件走線帶來的不便。

在實際工作中，電池最大電壓為28 V，當?shù)陀?0 V時，電子經(jīng)緯儀將無法正常工作。本設計設定了3個閾值電壓，分別為：V1(25 V)、V2(22 V)、V3(20 V)，當微處理器監(jiān)測到電量大于V1時，3個綠色的LED燈亮；當電量在 V1和 V2之間時，LED2和 LED3燈亮；當電量在 V2和V3之間時，只有 LED3燈亮；當電量小于 V3時，紅色的LED4亮，同時蜂鳴器告警。系統(tǒng)的工作狀態(tài)如表1所示。

表1 系統(tǒng)工作狀態(tài)表

2 軟件設計

C8051F330的主程序采用定時中斷方式，由內(nèi)部定時器2產(chǎn)生頻率為10 Hz的脈沖硬件中斷，程序框圖如圖2所示。

圖2 軟件程序框圖

系統(tǒng)在中斷服務子程序內(nèi)對A/D采樣的數(shù)據(jù)進行處理。首先采用均值濾波對采進來的數(shù)據(jù)求取平均值，濾除由電源的不穩(wěn)定和電路板的噪聲所引起的采樣數(shù)據(jù)的毛刺，從而避免數(shù)據(jù)的抖動；然后將濾波得到的數(shù)值V直接與系統(tǒng)設定的 3個閾值 V1、V2和 V3進行比較，對采樣的電壓進行實時定位在某一個狀態(tài)來確定電池電量所處的工作狀態(tài)，從而由C8051F330來控制相應的LED以及蜂鳴器對用戶做出提示或告警。

3 改進的軟件處理方法

按照上述設計，無論電池充電還是放電，其狀態(tài)的轉移是由單一條件閾值決定的，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)轉移示意圖

輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變。但是在實際工作時，由于硬件系統(tǒng)噪聲始終存在，并且電池充放電曲線也不是線性的，即電池本身電壓也存在抖動，而均值濾波只在一定程度上抑制了硬件系統(tǒng)的噪聲，對于電池本身帶來的抖動起不到完全的抑制作用。因此，當電壓接近某一個閾值時，系統(tǒng)的狀態(tài)就會頻繁發(fā)生跳變，表現(xiàn)為LED指示燈不停地交替閃爍，影響監(jiān)測儀的正常使用。鑒于這種現(xiàn)象，本系統(tǒng)在軟件上提出一種改進方法，即設定具有滯回特性的閾值條件，如圖4所示。

圖4 改進的系統(tǒng)狀態(tài)轉移示意圖

這種處理方法具有較強的抗干擾能力，即將原來的狀態(tài)之間轉移的條件由單一閾值變?yōu)橐粋€閾值區(qū)間[VΔV，V+ΔV]。 根據(jù)實際情況，ΔV取 0.1 V。 在這種情況下，采樣的電壓值進入某一個狀態(tài)后，若要跳到上一個狀態(tài)，需要電壓升高到V+ΔV；若要跳到下一個狀態(tài)，則需要電壓降低到下一個閾值V-ΔV。這樣就在軟件上避免了狀態(tài)頻繁跳變的情況，即使出現(xiàn)電壓短暫的抖動也不會影響狀態(tài)的改變。圖5為狀態(tài)轉移滯回特性曲線。

本文介紹了一種基于C8051F330的蓄電池電量在線監(jiān)測儀的實現(xiàn)方案，對系統(tǒng)進行了軟硬件設計。通過對軟件處理方法的改進，采用了具有滯回特性的閾值判斷方法，有效地去除了電源抖動和雜波等造成的干擾。實際應用證明，該監(jiān)測儀體積小、成本低、攜帶方便、操作簡單、運行效果良好，達到了實時監(jiān)測電池電量的目的，能夠滿足用戶的使用要求。

圖5 狀態(tài)滯回特性曲線

[1]李唐兵，姚建剛，李繼光.基于MCU的電能質量在線監(jiān)測儀[J].儀表技術與傳感器，2009(1):23-25.

[2]王宗亮，董國保，劉建東.應用單片機測試蓄電池剩余電量[J].機電設備，2004，21(1):39-41.

[3]徐拓奇，金光.星上電池的均衡控制[J].光學精密工程，2009，17(3):596-602.

[4]新華龍電子有限公司.C8051F330/1混合信號ISP Flash微控制器數(shù)據(jù)手冊.潘琢金，譯.2003.