彭育強 張薇琳

廣東交通職業(yè)技術學院，廣東廣州，510650

基于STC單片機的蓄電池檢測系統(tǒng)設計

彭育強 張薇琳

廣東交通職業(yè)技術學院，廣東廣州，510650

本文提出一種采用STC2C5A60S2為核心控制器，利用模擬量轉換器構建數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等檢測電路，實現(xiàn)了對蓄電池電壓、溫度、內阻等物理量的監(jiān)測。實驗結果表明該方法具有操作簡便、可靠性高、測量結果精確等優(yōu)點。

蓄電池；STC單片機；狀態(tài)檢測

1 引言

蓄電池在眾多重要設備系統(tǒng)中起到不間斷提供電源的重任，但是目前在很多場合蓄電池實際上處于一種長期完全不維護狀態(tài)。長期不維護的蓄電池組容易因漏液、過放、發(fā)熱等因素導致失效，由此可能引發(fā)設備系統(tǒng)的重大故障。因此，設計一種簡便的方法對蓄電池進行實時監(jiān)測是非常有必要的。

本檢測系統(tǒng)利用STC單片機作為核心控制器，結合A/D轉換電路、數(shù)據(jù)處理電路等實現(xiàn)對蓄電池工作狀態(tài)的實時檢測，利用液晶顯示屏來顯示蓄電池實時溫度、蓄電池電壓、蓄電池內阻等檢測參數(shù)。

2 檢測系統(tǒng)總體結構

本蓄電池檢測系統(tǒng)由蓄電池工作電路、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊以及顯示監(jiān)控模塊組成，系統(tǒng)總體框架如下圖所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

2.1 STC2C5A60S2控制器

蓄電池檢測系統(tǒng)宜設計成手持式便攜設備，應選用小型輕便的控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。STC2C5A60S2系列單片機較傳統(tǒng)8051速度快8-12倍，是高速、低功耗、抗干擾強的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。除此之外，該控制器內部設備非常豐富，如內部集成MAX810專用復位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉換（250k/s）等，有效地降低了檢測系統(tǒng)的設計成本及設計難度，符合檢測系統(tǒng)簡易操作及便攜式低成本的要求。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

在充放電的電路中，電壓經(jīng)過整流器的整流，然而在實際使用過程中，電路中的電壓依然存在著波動變化，將會對電壓數(shù)據(jù)的采集造成一定的影響，并且在在整流電路輸出電壓之后仍然存在著一些諧波分量。為了去除噪聲對控制系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用π型整流濾波電路對檢測系統(tǒng)信號進行處理。本系統(tǒng)采用AD620放大器對溫度信號、電流信號等進行放大，其增益可達到1-10000且具有設計簡單、功耗低、噪聲小等優(yōu)點。

2.3 數(shù)據(jù)采集控制模塊

數(shù)據(jù)采集控制模塊決定了檢測系統(tǒng)的精度，AD轉換電路又是數(shù)據(jù)采集控制模塊的核心，因此AD芯片的選擇決定了檢測系統(tǒng)的精度水平。在此選用高精度、低功耗的雙通道16位差分的AD7705芯片。該芯片采用CMOS結構，確保器件的低功耗以及掉電模式下的低損耗，AD7705芯片16位能夠滿足檢測系統(tǒng)0.1%-0.5%毫伏的精度要求，此外該芯片還包括系統(tǒng)校準和自校準選項，通過該選項可以芯片本身及系統(tǒng)帶來的增益和偏移誤差。

圖2 AD7705功能框圖

3 檢測系統(tǒng)設計

檢測系統(tǒng)設計主要包括蓄電池電壓、溫度、內阻測量電路以及各測量電路與AD轉換電路之間的連接等。

3.1 電壓測量電路

蓄電池充電過程中電壓已經(jīng)經(jīng)過整流器進行整流，不過電壓依然存在著一定的起伏變化，會影響到蓄電池電壓數(shù)據(jù)的采集精度。因此為了提高蓄電池兩端電壓的穩(wěn)定性和提高數(shù)據(jù)的采集精度，在此采用單向橋式π型全波整流濾波電路，同時采用OP07電壓跟隨器實現(xiàn)電路前、后級之間的隔離。

經(jīng)過整流電路和電壓跟隨器的處理后可以得到較為穩(wěn)定的電壓信號，電壓范圍在1.75V-2.4V之間，可以將該電壓信號直接送至AD7705指定的通道，將其變?yōu)閿?shù)字信號后便于處理器進行處理。

3.2 溫度測量電路

在工業(yè)測量中應用最多的溫度測量傳感器是PT100，該傳感器測量精度高、性能可靠穩(wěn)定。本溫度測量電路中采用三線制電路接法，該接法的優(yōu)點是PT100兩邊橋臂上的導線長度相同，能夠消除接入導線的電阻，其測量精度比二線制測量電路高很多。但其轉換為的電壓信號范圍比較小，需要利用AD620進行信號放大處理，放大倍數(shù)由相應的變阻器決定，電路設計圖由下圖所示。

圖3 三線制橋式測溫電路圖

3.3 內阻測量電路

蓄電池的內阻很小，并且在不同狀態(tài)下其內阻值不一樣，一般將電池內阻分為充電狀態(tài)內阻和放電狀態(tài)內阻。通常情況下放電狀態(tài)下的內阻不穩(wěn)定，測量結果亦超出正常電阻值；充電狀態(tài)下內阻比較穩(wěn)定，具有較為實際的使用意義。

通過對蓄電池的阻抗譜分析處理，建立蓄電池內阻等效電路并簡化內阻模型即可簡化內阻的分析與計算，如圖4所示。本檢測系統(tǒng)采用交流注入法測量內阻，通過對蓄電池注入恒定頻率和恒定幅值的交流信號IS,檢測出蓄電池所對應的電壓信號V0，同時將IS 、V0的相位差?測量出，根據(jù)歐姆定律Z= V0/IS，R=Zcos?可以推算出實際內阻R。本系統(tǒng)中選用ICL8038高精度的波形產(chǎn)生芯片，它能夠生成穩(wěn)定的0.001HZ至300KHZ的高精度方波、鋸齒波和正弦波等，設計電路如圖4所示。

圖4 蓄電池交流阻抗測量電路原理圖

圖5 激勵信號源原理圖

通過電路可以看出，調整電路中的R1、R2和C的大小可以得到所需頻率的正弦波信號，通過調整R3的值能夠調整正弦波的幅值，進一步得到所需幅值的信號，同時利用UA741跟隨器來增加激勵信號的驅動力。

3.4 AD7705數(shù)據(jù)采集電路

本系統(tǒng)需要監(jiān)控蓄電池的電壓、溫度以及內阻參數(shù)，因此系統(tǒng)需設計電壓、溫度級內阻的采集電路，在此采用16位雙通道差分輸入串行輸出AD7705轉換器進行模擬數(shù)字采樣，其與STC2C5A60S2控制器的連接線路根據(jù)AD7705的管腳功能將SCLK、DIN、DRDY、DOUT引進與單片機相應的控制口相連用于采集電壓、溫度信號以及用于內阻的測量。

4 測試結果分析

采用本測試系統(tǒng)對兩節(jié)蓄電池進行測試，蓄電池容量為：12V，7.0Ah。分別測得電池電壓、溫度、內阻結果如表1所示。測試結果可看出經(jīng)過本測試系統(tǒng)的測量電壓參數(shù)為12.71，使用萬用表測量值為12.70，測量結果誤差小于2%；電池溫度誤差小于0.8%。測試結果可看出測量精度滿足實際工作需求，在經(jīng)過長時間的測試運行后，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。

表1 系統(tǒng)測試結果對比圖

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彭育強/1987年生/男/碩士/助理實驗師/研究方向為控制工程