劉方　林素敏　單魚洋

摘要：以蓄電池為研究對象，提出了基于LM741的汽車蓄電池低電量報警系統(tǒng)的設(shè)計，重點對低電量報警裝置的系統(tǒng)組成和工作原理進(jìn)行分析，并結(jié)合實際驗證了此設(shè)計方案是可行的，為后續(xù)的蓄電池管理起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：蓄電池;低電量;報警系統(tǒng)

中圖分類號：U467.3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）11-0118-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.11.029? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design of low power alarm system for automobile battery based on LM741

LIU Fang1，LIN Su-min1，SHAN Yu-yang2

（1.Department of Electromechanical Engineering，Yangling Vocational & Technical College，Yangling 712100，Shannxi，China;

2.Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering，Xian University Technology，Xian 710048，China）

Absrtact： Taking battery as the research object， this paper puts forward the design of low power alarm system of automobile battery based on LM741， and analyzes the system composition and working principle of low power alarm device. The design scheme is proved to be correct and feasible， which can be used for reference for the subsequent battery management.

Key words： battery; low power; alarm system

近年來，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，蓄電池作為電源不僅在交通（鐵路、地鐵、船舶）[1-5]、發(fā)電[6，7]、通訊[8，9]、航天[10，11]、化工[12]、傳統(tǒng)汽車[13]等行業(yè)發(fā)揮著重要的作用，而且也已經(jīng)開始作為動力電源或動力輔助電源應(yīng)用于電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）領(lǐng)域[14]。與一次性充電電池相比，蓄電池兩個顯著的特點是多次循環(huán)利用和高效節(jié)能[15-18]。汽車在未啟動時必須依靠蓄電池給啟動機(jī)供電直至拖動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動。當(dāng)蓄電池電壓不足或者蓄電池發(fā)生損壞時，就難以提供足夠的動力，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)不能運行。例如，行駛過程中，駕駛員并不能準(zhǔn)確地判斷蓄電池工作狀況，只能通過感覺、觀察等方式進(jìn)行判斷，這樣往往會造成誤判，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的后果。因此，如果能對蓄電池電量及蓄電池裝置的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控的話，不但是對設(shè)備的保護(hù)，更重要的是對安全的保障。

蓄電池電量是保證其正常工作的基本條件。任何電器設(shè)備必須在電壓穩(wěn)定的情況下才能正常工作，蓄電池也一樣，其輸出電壓會隨蓄電池電壓的降低而降低，這樣就會對為其供電的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。本系統(tǒng)就針對此種情況設(shè)計了汽車蓄電池低電量報警系統(tǒng)，當(dāng)蓄電池電壓降低到一定極限值時，電路通過安裝聲光信號報警系統(tǒng)判斷蓄電池是否正常工作，提醒用戶采取相應(yīng)的措施（即再次充電或更換電池）。

1? LM741的工作原理

LM741為雙電源集成運算放大器，是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，通常被應(yīng)用于汽車放大電路中，或者在汽車電路中用作電壓比較器。圖1為LM741的引腳圖及其各引腳的功能。該系統(tǒng)中LM741工作于非線性區(qū)，構(gòu)成電壓比較器。其功能是對送到集成運放輸入端的兩個信號（模擬輸入信號和參考信號）進(jìn)行比較，并在輸出端以高、低電平的形式得到結(jié)果。它的兩個輸入電壓中，一個是基準(zhǔn)電壓，另一個是被比較的輸入電壓，當(dāng)兩個電壓不相等時，集成運放輸出的電壓不是等于正電源電壓就是等于零，即在輸出端只輸出兩種電壓值，正電源電壓或者零。圖2為同相輸入的電壓比較器及其電壓傳輸曲線。集成運放的同相輸入端和反相輸入端分別引入的是輸入信號ui和參考電壓信號Uref。LM741作為電壓比較器使用時就是比較的輸入電壓和參考電壓之間的大小，當(dāng)ui>Uref時，集成運放輸出高電平，即uo=UCC;當(dāng)ui

2? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

汽車蓄電池低電量報警系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)電源電路、取樣電路、電壓比較器電路和輸出電路4部分組成?；鶞?zhǔn)電源電路由穩(wěn)壓管和限流電阻組成，加到電壓比較器的反相輸入端，并為其提供基準(zhǔn)電壓;取樣電路由兩個電阻串聯(lián)組成，形成串聯(lián)分壓作用，作為整個電路的輸入信號，且取蓄電池電壓的一部分和基準(zhǔn)電壓相比較;電壓比較器電路通過比較基準(zhǔn)電源電路的電壓和取樣電路電壓的大小來判斷輸出高電平還是低電平;輸出電路通過接受到的電壓比較器的輸出電壓，判斷發(fā)光二極管是否處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而發(fā)出報警信號，提示蓄電池電量過低。該報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

汽車蓄電池低電量報警系統(tǒng)硬件電路如圖4所示，該系統(tǒng)主要包括電壓比較器LM741、電阻、穩(wěn)壓管及LED等部分。

3.1? 基準(zhǔn)電源電路

基準(zhǔn)電源電路由限流電阻R2與穩(wěn)壓管VDZ兩部分組成，該系統(tǒng)把穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓作為比較器LM741的基準(zhǔn)電壓，并將其連接到LM741的反相輸入端。其中R2=100 k？贅，穩(wěn)定電壓值為5 V。

3.2? 取樣電路

R1、R3串聯(lián)連接組成取樣電路，接在LM741的同相輸入端。R1、R3阻值相等，均取100 k？贅，形成串聯(lián)分壓，中間點為取樣電壓，即取蓄電池電壓的一部分作為檢測電壓也即輸入電壓。

3.3? 輸出電路

R4和LED構(gòu)成輸出電路，R4=1 k？贅，起到限流的作用。根據(jù)電壓比較器輸出端的電壓值確定LED是導(dǎo)通還是截止，即利用發(fā)光二極管是否發(fā)光達(dá)到電路報警的目的。

3.4? 報警原理

當(dāng)蓄電池電壓高于10 V，也即取樣電路的電壓超過5 V時，輸入信號電壓高于基準(zhǔn)電壓，則LM741輸出高電平，此時輸出電壓為蓄電池電壓（10～12 V）。由圖4可以看出， 6引腳電位明顯高于7引腳電位，致使發(fā)光二極管因承受反向電壓而不發(fā)光，表示蓄電池電壓正常，報警作用不啟用;當(dāng)蓄電池電壓低于10 V時，輸入信號電壓（小于5 V）低于基準(zhǔn)電壓，則LM741輸出低電平，即輸出電壓為零，此時7引腳電位高于6引腳電位，LED因承受正向電壓而導(dǎo)通，發(fā)光提示蓄電池電量過低，報警作用啟動。

3.5? 系統(tǒng)接線圖

圖5為汽車蓄電池低電量報警系統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)。把汽車蓄電池通過汽車鑰匙開關(guān)接到電壓比較裝置，并為汽車電路負(fù)載（照明系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)等）提供電源，當(dāng)蓄電池電壓正常時，負(fù)載電壓正常，車輛能正常啟動，儀表系統(tǒng)等能正常顯示和工作;當(dāng)蓄電池電壓過低時，電壓比較裝置通過比較判斷，發(fā)出燈光報警信號，同時電源電壓達(dá)不到系統(tǒng)所需電壓水平，相應(yīng)的照明、儀表等系統(tǒng)將不會運轉(zhuǎn)。

4? 系統(tǒng)試驗結(jié)果

根據(jù)以上分析，將汽車蓄電池接于所設(shè)計的硬件電路中做報警試驗（表1）。從表1可以看出，當(dāng)蓄電池電壓低于10 V時，報警指示燈點亮，當(dāng)蓄電池電壓高于10 V時，報警指示燈熄滅。因此，該電路可滿足在蓄電池電壓低于10 V時報警，直至蓄電池再次被充電至10 V以上時停止報警，蓄電池輸出電壓在10 V以上時報警系統(tǒng)不起作用，充分說明該電路的設(shè)計方案是正確可行的。

5? 結(jié)論

試驗所設(shè)計的基于電壓比較器LM741的汽車蓄電池低電量報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。經(jīng)試驗驗證，在應(yīng)用過程中效果良好，能夠起到對汽車蓄電池組的科學(xué)管理作用，具有較高的參考價值。

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