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基于51單片機的新型蓄電池容量檢測儀

夏桂書

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

摘要：為對蓄電池進行準確的容量測試，設(shè)計一種基于51單片機的新型蓄電池容量檢測儀。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，采集并存儲蓄電池在放電過程中的放電電壓值樣本得到放電曲線，計算出被測蓄電池的準確容量，通過蓄電池電壓能夠快速估算出該時刻對應(yīng)電池剩余容量值。測試結(jié)果表明：該容量檢測儀精度良好，測量誤差在1%以內(nèi)，能夠快速準確判定蓄電池剩余容量，具有較高的實用性與推廣價值。

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

收到修改稿日期：2013-06-03

0　引言

目前各類蓄電池廣泛運用于生活與生產(chǎn)當中，已經(jīng)成為當今社會必不可少的一部分。在使用蓄電池的過程中常常需要了解蓄電池的實際容量，因此需要對蓄電池能夠進行簡單容量測試的儀器。對蓄電池的容量進行測試，目前最可靠的方法是對蓄電池進行一次完整的放電測試[1]。這種測試方法準確可靠，但費時費力，并且對于一次性電池?zé)o法進行測試。因此，本文針對傳統(tǒng)測試方法的弊端，設(shè)計了一種簡單、實用、經(jīng)濟性比較高的蓄電池容量檢測儀器。

1　測試原理

1.1容量判定的原理

根據(jù)蓄電池的原理和實際驗證，可以知道，同一蓄電池的容量與蓄電池的當前電壓直接相關(guān)。根據(jù)這一原理，對于不同蓄電池，由于其電壓-容量的特性不同，可通過測試得到被測蓄電池的電壓-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前實際容量。對于一次性蓄電池，由于同一批生產(chǎn)的蓄電池特性相似，可通過隨機選取測試，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

系統(tǒng)總體設(shè)計思路采用單片機控制恒流電路對蓄電池進行恒流放電，單片機通過A/D轉(zhuǎn)換電路采集實際的放電電流，通過單片機對放電電流和放電時間的積分運算可求得放出的電量。

系統(tǒng)以STC89C52RC單片機為核心，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)換電路檢測實際工作電流和當前被測蓄電池電壓[3]；單片機控制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，完成對輸出電流的設(shè)置和調(diào)節(jié)；并且系統(tǒng)可通過液晶實時顯示當前電流、電壓和工作狀態(tài)，能夠準確顯示當前放電量；通過存儲器可存儲多組被測曲線，實現(xiàn)快速測量[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

2.1單片機控制和液晶顯示電路設(shè)計

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

液晶顯示電路選用并行驅(qū)動的LCD1602液晶。LCD1602采用并行方式與單片機通信，數(shù)據(jù)傳輸方式簡單，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，能夠直接與單片機連接通信。單片機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)用電流負反饋控制原理，采用運算放大器和MOSFET進行設(shè)計。電路如圖3所示。

圖2　單片機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+為被測蓄電池，DAC端由單片機輸入設(shè)定放電電流對應(yīng)的電壓值，當U1的反相輸入端的電壓值小于其同相輸入端電壓值時，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；當電流增大時，該電流在R2上產(chǎn)生的壓降增加，這個電壓輸入運放U2進行放大，使得U2輸出電壓增加，當U1的兩輸入端電壓相同時，電路工作狀態(tài)穩(wěn)定，輸出電流達到恒定值[7]。

由于某些蓄電池的電壓較小，為了在測試低電壓的蓄電池時仍能提供較大的負載電流，電路設(shè)計時盡量減小回路電阻，選用了低導(dǎo)通電阻的IRFP260場效應(yīng)管，同時采樣電阻選用阻值為0.01 Ω的無感精密電阻。當電流較小時，采樣電阻上的壓降較小，難以測量，需對其進行放大。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：

因為當電流恒定時有Uin=U2out，所以式（4）可改寫為

2.3電壓檢測和電流檢測電路

為實現(xiàn)蓄電池放電電流和電壓的監(jiān)測和顯示，系統(tǒng)在設(shè)計時加入電壓和電流檢測電路，通過MAX1241模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換后傳送給單片機，完成實時監(jiān)控或容量判定。

電流測量通過檢流電阻對放電電流進行檢測，檢流電阻將放電的電流信號轉(zhuǎn)換為便于采集的電壓信號，再經(jīng)放大電路對檢測到的電壓信號放大。由式（3）可知，圖3中U2的輸出電壓與負載電流呈比例關(guān)系，因此通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，檢測U2輸出端ADC端口的電壓，經(jīng)單片機運算得到實際電流。

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

由于測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，為了方便計算，RH取標稱值180kΩ，RL取20kΩ。

2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

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，因此可對電壓電流信號進行精確采樣[8-11]。

2.5數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計時為達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，與單片機通信連接簡單，具有較高的轉(zhuǎn)換速率和準確度。AD5320的供電電壓是2.7~5.5V，它的內(nèi)部包含一個高精度的2.5 V電壓基準，設(shè)計時可以省去外部基準，同時也能達到更高的精度。

2.6數(shù)據(jù)存儲器和鍵盤電路

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、連接簡單、使用方便的特點。為了進一步簡化按鍵電路的設(shè)計，系統(tǒng)還采用MM74C922專用矩陣鍵盤管理芯片來管理鍵盤，簡化程序設(shè)計，把復(fù)雜的鍵盤掃描程序交給硬件處理，單片機只需讀取掃描結(jié)果即可。

為了對測試數(shù)據(jù)進行存儲，需設(shè)計存儲電路，對測試的蓄電池放電曲線進行存儲。系統(tǒng)選用AT24C16作為外部存儲器。該芯片具有16K的存儲空間，通過單片機直接操作內(nèi)部數(shù)據(jù)，系統(tǒng)斷電后仍能夠?qū)?shù)據(jù)長時間保存。較大的存儲空間可以對組數(shù)據(jù)存儲，滿足不同蓄電池快速測試的需求。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

3.1系統(tǒng)主程序

主程序流程圖如圖4所示，當系統(tǒng)工作后，各個硬件模塊初始化，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

為實現(xiàn)蓄電池檢測的多種工作模式，程序設(shè)計時，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。當系統(tǒng)檢測到蓄電池電壓低于截止電壓時，放電完成，等待用戶下一步操作。放電過程中，單片機根據(jù)實時采集到的電壓和電流信號，做積分運算，即可得到蓄電池的容量，建立容量和電壓的關(guān)系曲線，并存儲在存儲器中。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，放電過程中實時顯示容量和電壓，并能將數(shù)據(jù)存儲。

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

智能模式下，系統(tǒng)已經(jīng)存儲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，即可對蓄電池進行智能放電，到達該種類電池的截至電壓自動停止放電。這種模式對已知種類的電池，可以快速完成設(shè)定，不必再查詢放電參數(shù)。

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

4　系統(tǒng)功能測試

采用鎳氫電池作為被測蓄電池，將電池接到電子負載的被測端，首先測試負載電流的準確性。調(diào)節(jié)負載設(shè)定不同的負載電流，萬用表實測電流和系統(tǒng)顯示的電流進行比較。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　電流準確性測試

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

測試完電流的準確性后，接下來測試容量判定的準確性。首先對多組蓄電池進行標定，然后各蓄電池在不同的電壓下進行快速測試，最后進行精確測試，與快速測試結(jié)果對比。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

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

5　結(jié)束語

通過測試可以看出，該蓄電池容量測試儀器完成了預(yù)定的設(shè)計功能，能夠快速準確檢測蓄電池容量，具有精度高、穩(wěn)定性好、使用簡單、經(jīng)濟性好的特點，滿足使用要求，具有很強的應(yīng)用推廣價值。

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表2　容量測試結(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

基金項目：國家自然科學(xué)基金委員會與中國民航總局聯(lián)合資助項目（U1233202）中國民航飛行學(xué)院科研項目（J2007-20）

收稿日期：2013-04-06；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.019

文章編號：1674-5124（2013）05-0068-04

文獻標志碼：A

中圖分類號：TM912；TM930.114；TP368.2；TP274

作者簡介：夏桂書（1968-），女，四川眉山市人，高級實驗師，碩士，研究方向為電工電子技術(shù)與計算機應(yīng)用技術(shù)。