劉垚友

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基于51單片機(jī)的蓄電池電導(dǎo)自動測試儀

劉垚友

【摘要】當(dāng)今社會，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)，需要有效的對其進(jìn)行檢測，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)計了本套基于51單片機(jī)的電導(dǎo)測試儀對其品質(zhì)進(jìn)行檢測。該電導(dǎo)測試儀以交流注入法作為基本測量依據(jù)，即對待測蓄電池和參考電阻注入交流信號，然后通過對比兩者的壓降來求得蓄電池的內(nèi)阻，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)。在硬件上，采用功能齊全、操作簡單的AT89C51單片機(jī)作為控制和顯示單元，以ICL8038構(gòu)成信號發(fā)生電路，經(jīng)放大后再通過幅度和相位檢測電路，最終實現(xiàn)電導(dǎo)的實時測量。通過對比測試，該電導(dǎo)測試儀測量迅速、結(jié)果準(zhǔn)確且穩(wěn)定性好，能夠滿足實際的需要，具有一定的應(yīng)用價值。

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

0　引言

蓄電池的品質(zhì)是我們使用蓄電池時需要首要考慮的因素，傳統(tǒng)的蓄電池品質(zhì)測試儀價格昂貴，因此有必要設(shè)計出一種可測量電池品質(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、極板腐蝕等都會引起電池的內(nèi)阻增大，電導(dǎo)減小，所以通過測量蓄電池的電導(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，尤其是動力系統(tǒng)，通過電導(dǎo)測試儀快速有效地測量蓄電池品質(zhì)并發(fā)現(xiàn)失效電池，對于戰(zhàn)場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

1.1測量原理

蓄電池電導(dǎo)的測量通過測量蓄電池的電阻來實現(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進(jìn)行測量。

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

交流注入法原理是，將取樣電阻R與待測蓄電池（阻抗為Z）串聯(lián)，注入交流電流，則此時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)計方案

該電導(dǎo)測試儀系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。首先由測試信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生正弦波信號，該信號的頻率要可調(diào)，又因為蓄電池的內(nèi)阻非常小，為保證蓄電池兩端電壓的正常檢測，因此要對信號源產(chǎn)生的信號進(jìn)行功率放大，下一步要對取樣電阻和蓄電池上的激勵電壓求幅度比和相位差，為了更好的檢測，首先對兩者的電壓進(jìn)行放大處理，然后接幅度和相位檢測電路，最后再接控制單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行LED顯示，通過簡單的計算就能得出蓄電池的電導(dǎo)值。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖2　總體電路仿真圖

2　各部分硬件設(shè)計

2.1控制單元

單片機(jī)[2]作為本電導(dǎo)自動測試儀系統(tǒng)的核心，在該系統(tǒng)中單片機(jī)要實現(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準(zhǔn)化為數(shù)字信號，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)置的計數(shù)器測量兩路信號的時間差，再送LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

2.2正弦信號產(chǎn)生電路的設(shè)計

正弦信號可以由很多方法來產(chǎn)生，該系統(tǒng)選擇的是用ICL8038芯片[3]產(chǎn)生正弦信號，在ICL8038芯片外圍電路的設(shè)計中，既要選擇合適的電阻來調(diào)節(jié)波形的失真度，又要選擇合適的電容和電阻用來調(diào)節(jié)產(chǎn)生信號的頻率。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，需要對輸出信號進(jìn)行功率放大，本系統(tǒng)中選擇LM386功率放大器，LM386[4]的外圍電路通過調(diào)節(jié)1腳和8腳之間的電容來調(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差動放大器

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

2.5幅相檢測電路

幅度檢測首先用峰值檢測器檢測出信號的峰值，再接A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。峰值檢測器就是要對信號的峰值進(jìn)行采集并保持。峰值檢測器有三個部分：（1）模擬峰值存儲器，即電容器；（2）單項電流開關(guān)，即二極管；（3）輸入輸出緩沖隔離，即運算放大器。運算放大器采用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)換為時間間隔進(jìn)行測量的方法[6]，先測量出兩路信號的時間差，再根據(jù)公式計算出相位差。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，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的時鐘信號，數(shù)碼管采用動態(tài)顯示的方式，在三個數(shù)碼管上分別顯示百十個位。在相位顯示時，將相位差檢測電路得到的時間差脈沖作為控制信號，另外選取一個高頻脈沖作為單片機(jī)的計數(shù)脈沖，通過讀取計數(shù)的個數(shù)結(jié)合高頻脈沖的周期就可以算出時間差，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，通過調(diào)節(jié)電阻的大小，將系統(tǒng)測出的電導(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，沒有容抗特性，所以相位差部分的值始終為零。分析相對誤差可知，用該系統(tǒng)測出的小電阻的電導(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，相對誤差更是降到了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逐漸減少，精度會更高。

4　結(jié)論

通過仿真結(jié)果看出本套電導(dǎo)測試儀可以較為準(zhǔn)確的測量出蓄電池的電導(dǎo)值。但該系統(tǒng)存在一些改進(jìn)的方面，首先是信號發(fā)生器產(chǎn)生信號頻率的調(diào)節(jié)，ICL8038的頻率如果是通過調(diào)頻電壓輸入端口輸入電壓來調(diào)節(jié)，通過矩陣鍵盤來控制單片機(jī)輸出電壓大小，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后輸入信號發(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)果會更精確。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測量出蓄電池的電導(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，對于部隊的戰(zhàn)場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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[6]楊燦平,杜宇人.一種高精度相位測量方法方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,3(16):144.

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

作者簡介：