郭其金　王化南　李蓓

【摘 要】本文以鋰電池為研究對(duì)象，為了能夠較好的對(duì)鋰電池的退化程度進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的鋰電池退化報(bào)警裝置。通過對(duì)電池電壓、放電電流、內(nèi)阻、環(huán)境溫度、電池容量進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和報(bào)警。該設(shè)計(jì)成本較低、易于操作，所得結(jié)果較為直觀、可靠，也具有較高的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】鋰電池；退化；檢測(cè)；單片機(jī)；報(bào)警

0 引言

如今，越來越多的電氣化產(chǎn)品應(yīng)用電池作為供電系統(tǒng)，但是多個(gè)周期的充放電循環(huán)后，鋰電池的端電壓會(huì)變低，放出的容量也隨之變少。如果在電池退化報(bào)廢后不及時(shí)的更換電池，它會(huì)帶來很多的意外傷害。因此對(duì)鋰電池退化檢測(cè)裝置的研究具有重要意義。就目前國內(nèi)外對(duì)鋰電池檢測(cè)裝置的研究現(xiàn)狀來看，在研制與應(yīng)用方面依然有許多不足之處，部分系統(tǒng)可靠性不夠高，對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)的處理與分析的能力不理想、自動(dòng)化水平不高，導(dǎo)致了設(shè)備無法滿足較大規(guī)模生產(chǎn)的需要，節(jié)能性不夠理想。因此給實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)帶來了較大的不便和困難?？紤]到上述的一系列問題，采用本文介紹的一種基于單片機(jī)的鋰電池退化報(bào)警裝置設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能夠增加檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確度，可以檢測(cè)電池的多項(xiàng)參數(shù)，更加的自動(dòng)化和智能化。

1 總體設(shè)計(jì)思路及數(shù)據(jù)處理

1.1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框主要包括電壓、電流、溫度、內(nèi)阻及容量檢測(cè)部分、單片機(jī)系統(tǒng)、輸出顯示及報(bào)警部分。在正常工作狀況下，鋰電池可以放出的容量都在一定的范圍，當(dāng)待檢測(cè)的鋰電池進(jìn)行放電時(shí)，它放出的容量不在這個(gè)范圍內(nèi)，就說明電池退化，此時(shí)電路報(bào)警。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和獲取，隨即進(jìn)行數(shù)字與模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，顯示數(shù)據(jù)并與設(shè)定值進(jìn)行比較。從而實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的數(shù)據(jù)處理。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)部分主要包括電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)采集部分以及報(bào)警和顯示單元部分，且需將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸送至單片機(jī)。

2.1 電流電壓采樣電路設(shè)計(jì)

利用轉(zhuǎn)換芯片PCF8591把程序里所給的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，再由它的AOUT端輸出到運(yùn)放芯片LM358的第一個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端，該電壓信號(hào)使運(yùn)放輸出高電平，與其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)處于放大狀態(tài)，取樣電阻R對(duì)地輸出電流。因?yàn)檫\(yùn)放反相端連接著電流采集電路構(gòu)成負(fù)反饋，因此電流會(huì)被限制在一個(gè)與D/A轉(zhuǎn)換值相對(duì)應(yīng)的值上面，這樣設(shè)計(jì)就起到了控制放電電流大小的作用。

由取樣電阻R獲得一樣與電流相關(guān)的電壓信號(hào)，電流傳感器MAX4080將這個(gè)信號(hào)放大20倍之后，送入PCF8591，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯臄?shù)字信號(hào)，輸入到主控芯片中，然后在顯示屏上顯示，這樣就完成了電流的采樣。

待測(cè)電池電壓經(jīng)分壓后送入PCF8591經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為電壓數(shù)字量，輸入到單片機(jī)，然后在LCD上顯示。

2.2 內(nèi)阻檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)

PCF8591使不同的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)榕c之相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，輸入到運(yùn)放的同相端，實(shí)現(xiàn)了改變電流大小的功能。通過電流電壓采樣電路測(cè)得電流電壓的大小，由公式算出電池內(nèi)阻的大小。

2.3 容量檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)

引起鋰電池的容量減少的原因有很多種，充放電會(huì)導(dǎo)致容量降低，倘若鋰電池很久沒人使用的話，容量同樣也會(huì)減少，這種方式對(duì)電池造成的傷害甚至比鋰電池經(jīng)過多次充放電循環(huán)的造成的傷害嚴(yán)重的多，造成這種情況的原因就是充放電不會(huì)使活性物質(zhì)完全喪失活性，而放置很久就會(huì)完全喪失活性?；钚越档途椭率谷萘康淖兊停?dāng)這種情況發(fā)展到一定地步，就說明電池退化了。而經(jīng)過次左右的充放電循環(huán)后，新的鋰電池通常還可以放出70%以上的容量。

在使用過程中需要了解鋰電池的實(shí)際容量，而通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)獲取并計(jì)算可得到電池實(shí)際容量。

2.4 溫度檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器，該型號(hào)傳感器可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫，方便有效。在本設(shè)計(jì)中將其電源引腳（第3腳）接5V電壓，DQ引腳與STC89C52單片機(jī)P2.0口相連。元件1引腳為接地信號(hào)。因?yàn)榇藗鞲衅鞯墓ぷ麟娏髟诤涟沧笥?，所以在VCC和DQ引腳之間需要接一個(gè)阻值為4.7K的電阻來進(jìn)行保護(hù)。

2.5 報(bào)警單元電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路是利用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警輸出，為了防止三極管燒毀，加入一個(gè)阻值為1K的電阻進(jìn)行保護(hù)。其工作原理是在對(duì)鋰電池進(jìn)行檢測(cè)過程中，測(cè)量值先會(huì)通過各轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換，然后再存儲(chǔ)到單片機(jī)當(dāng)中，單片機(jī)根據(jù)事先設(shè)定的電流值、溫度值和容量的正常范圍值來確定是否存在異常，當(dāng)所測(cè)參數(shù)不符合預(yù)設(shè)的參數(shù)上限或低于參數(shù)下限時(shí)，數(shù)據(jù)口P1.6便相應(yīng)的拉低電平使PNP8550三極管導(dǎo)通報(bào)警，作為報(bào)警輸出，蜂鳴器接通鳴叫；而當(dāng)參數(shù)在設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)口P1.6為高電平，PNP8550三極管不導(dǎo)通，則蜂鳴器與電源斷開不工作。

2.6 顯示單元電路設(shè)計(jì)

顯示采用的是LCD1602，在設(shè)計(jì)中，其3管腳接一個(gè)10K電阻進(jìn)行亮度的調(diào)節(jié)；4管腳接單片機(jī)P2.5端口，5管腳接P2.6端口，6管腳接P2.7端口，7至14接單片機(jī)的P0口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，主要包括溫度檢測(cè)程序、A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序、計(jì)算程序、中斷程序、顯示程序、參數(shù)判定程序及報(bào)警程序。

在溫度檢測(cè)程序中，通過程序?qū)2.0引腳的高電平，低電平控制，特定時(shí)間的延時(shí)以及特定的控制指令，完成對(duì)DS18B20的初始化，獲取溫度。隨后進(jìn)行電壓、電流與內(nèi)阻的采集，通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換完成模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中，要采用軟件濾波來減小干擾。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還利用單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)功能來解決因電池持續(xù)供電不便采集數(shù)據(jù)的問題。而在參數(shù)判定環(huán)節(jié)，任一參數(shù)超出所給定的參數(shù)范圍，都會(huì)導(dǎo)致報(bào)警。

4 結(jié)束語

文中介紹了一種以單片機(jī)為處理核心，通過對(duì)電池電壓、電流、內(nèi)阻、溫度及容量的實(shí)時(shí)檢測(cè)與計(jì)算來完成對(duì)鋰電池退化程度的報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的智能化。本文所介紹的裝置具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，同時(shí)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，顯示結(jié)果較為直觀，有較優(yōu)越的應(yīng)用價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：張濤]