基于單片機(jī)的蓄電池容量測(cè)量系統(tǒng)

基于單片機(jī)的蓄電池容量測(cè)量系統(tǒng)

作為備用電源，電池充電站廣泛應(yīng)用于能源、通信、電子設(shè)備等行業(yè)。在使用過(guò)程中人們需要了解蓄電池的實(shí)際容量,蓄電池的容量Q是以“Ah”為單位來(lái)計(jì)量的。式中:I——電池的放電電流;t——電池的放電時(shí)間。到目前為止,大多數(shù)的電池生產(chǎn)廠家和蓄電池使用者對(duì)電池容量的測(cè)量均用人工完成。即對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流放電,放到蓄電池終止電壓時(shí)停止放電,以這個(gè)恒定的電流與放電時(shí)間相乘,得到容量,這種方法顯然十分不便。并且需用專用恒流放電設(shè)備完成對(duì)蓄電池的放電,也不經(jīng)濟(jì)。筆者用PIC16C73A為核心,制成計(jì)量蓄電池容量的儀表,簡(jiǎn)稱Ah計(jì)。PIC單片機(jī)是近幾年剛剛在我國(guó)流行的一種精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)。該系列單片機(jī)其較少的指令和哈弗總線結(jié)構(gòu)使得它易學(xué)易用,且工作速度快、體積小、工作電壓低、功耗小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)(I/O口可直接驅(qū)動(dòng)LED)。采用低價(jià)一次可編程(OTP)技術(shù)的芯片其價(jià)格幾乎與掩膜型相近,并且規(guī)格齊全,有利于單片機(jī)資源的充分利用。本設(shè)計(jì)所用PIC16C73A單片機(jī)的主要資源如下:4K的OTP程序存儲(chǔ)器、192個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、5路輸入的8位數(shù)字/模擬(A/D)轉(zhuǎn)換器、22個(gè)I/O口,每個(gè)I/O線的驅(qū)動(dòng)/吸收電流能力為25mA,可直接驅(qū)動(dòng)LED、1個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)8位定時(shí)器和1個(gè)看門狗定時(shí)器、12個(gè)中斷源。由以上資源可以看出,用PIC16C73A為核心設(shè)計(jì)Ah計(jì),由于自帶程序存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)換器,I/O線可直接驅(qū)動(dòng)LED,只要加少量外圍電路即可構(gòu)成Ah計(jì),基本做到了系統(tǒng)的單片化,因此其可靠性大大提高而且價(jià)格低廉。除此之外它還有下列特點(diǎn):(1)用單片機(jī)完成對(duì)電流的采樣,采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于放電電流的變化速度?？刹捎枚娮璺烹?從而擺脫了恒流放電裝置。(2)電流測(cè)量時(shí),在0.5～100A范圍能自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程,測(cè)量時(shí)蓄電池的放電率為0.2C,適用于2.5～500Ah的電池。具有廣泛的適用性。(3)數(shù)字顯示當(dāng)前所放出的容量,不須人工計(jì)算Ah。1計(jì)算機(jī)攻擊的硬件電路硬件電路主要由采樣放大電路、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路、PIC16C-73A、LED顯示電路構(gòu)成。硬件電路如圖1所示。1.1兩級(jí)放大電路蓄電池容量檢測(cè)儀設(shè)計(jì)的基本思路是:對(duì)電池采用定電阻放電,測(cè)量出放電電流I,通過(guò)單片機(jī)完成Ah的求取,因此必須有電流取樣電路。電流取樣由定制的128A電流表分流器RI完成。當(dāng)電流為128A時(shí),電流表分流器RI的壓降為75mV,由于電流測(cè)量范圍是0.5～128A,當(dāng)電流下限0.5A時(shí),分流器的壓降極低,若這個(gè)電流取樣信號(hào)直接放大成與A/D轉(zhuǎn)換器匹配的電壓,放大器的增益將達(dá)數(shù)千倍,顯然用一級(jí)放大將會(huì)對(duì)放大器提出過(guò)高的要求。為此我們采用了兩級(jí)放大,第一級(jí)由R1、R2、RW1及A1組成,放大倍數(shù)為50倍。第二級(jí)采用程控放大電路,由R3、A2以及多路開關(guān)CD4051、R6～R13、RW2～RW9組成。我們使用的A/D轉(zhuǎn)換器為PIC16C73A單片機(jī)片內(nèi)所帶的8位A/D。為提高其轉(zhuǎn)換精度將電流I分成8個(gè)量程進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)自動(dòng)改變第二級(jí)放大器的電壓增益來(lái)完成量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。第二級(jí)放大器不同量程的電壓增益由表1決定。1.2選擇合適的反饋電阻PIC16C73A內(nèi)置8位A/D轉(zhuǎn)換器,5個(gè)模擬信號(hào)的輸入端為RA0～RA4可編程控制,本設(shè)計(jì)只有一個(gè)模擬信號(hào)輸入,選RA4為A/D輸入端。RC7～RC5為8路選擇開關(guān)的控制端。RC7～RC5為000時(shí)選通Y0,A2的增益為512/3。RC7～RC5為111時(shí),選通Y7,A2增益為4/3。RC7～RC5輸出的數(shù)據(jù)與放大器A2增益間的關(guān)系由表1決定。考慮到多路選擇開關(guān)通態(tài)電阻的不一致性,設(shè)置了RW2～RW9電位器以獲取準(zhǔn)確的A2所需要的反饋電阻阻值。A3為電壓比較器,當(dāng)A2的輸出電壓大于5V時(shí),說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓超過(guò)了量程,A3的輸出為高電平,單片機(jī)檢測(cè)到這個(gè)高電平后,RC7～RC5從000到111自動(dòng)變化,第二級(jí)放大器的電壓增益逐級(jí)減小直到A3輸出為低電平,這樣就完成了量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。1.3電流驅(qū)動(dòng)電路顯示電路采用四位LED模塊,RB0～RB6為7位段輸入,RB7為小數(shù)點(diǎn)。RB0～RB8均有25mA的電流驅(qū)動(dòng)能力,因此可不加驅(qū)動(dòng)電路。RA0～RA3通過(guò)T1～T4共4只NPN三級(jí)管提供較大的吸收電流能力,作為L(zhǎng)ED模塊的4個(gè)位選。系統(tǒng)的采樣周期定為200ms。每個(gè)采樣周期LED顯示一次,每只LED顯示5ms。2軟件方案的設(shè)計(jì)2.1電池安時(shí)數(shù)dQ=D258×N3600Q=D258×Ν3600(1)式中:D——A/D轉(zhuǎn)換的8位輸出,范圍是256～128;N——電流量程的上限值。式(1)為電池每秒所放出的安時(shí)數(shù)。由于本系統(tǒng)采樣周期為0.2s,因此采樣5次,取其平均值,作為(1)式中的D值。將由(1)式得到的安時(shí)數(shù)累加,直到放電終止,就得到所需要的電池容量Ah值。2.2計(jì)算接口首先將程序所需用的A/D轉(zhuǎn)換、Ah計(jì)算、Ah累加及十進(jìn)制(BCD)碼轉(zhuǎn)換、顯示制成模塊,確定其出口條件和入口條件,以方便調(diào)用。程序流程如圖2所示。2.3a/d轉(zhuǎn)換電路PIC16C73A單片機(jī)不僅有內(nèi)置8位A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)部還自帶采樣保持器,在編寫A/D轉(zhuǎn)換模塊時(shí)按以下7步驟完成:(1)設(shè)置A/D功能模塊:選擇模擬輸入口、參考電壓源、數(shù)字輸出;置相應(yīng)的I/O方向位為“1”;選擇A/D輸入通道;選擇A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘,可選用外部時(shí)鐘,也可選用內(nèi)部時(shí)鐘,本系統(tǒng)選用內(nèi)部時(shí)鐘;選擇A/D模塊。(2)設(shè)置A/D中斷。(3)等待A/D采樣完成(等待1個(gè)tAD時(shí)間)。(4)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。(5)等待A/D轉(zhuǎn)換完成。(6)讀A/D結(jié)果寄存器。(7)如果需要再進(jìn)行另一次A/D轉(zhuǎn)換,需等待至少2tAD時(shí)間。本設(shè)計(jì)其余各功能模塊,都可以在MCS51系統(tǒng)單片機(jī)有關(guān)程序匯編中找出,加以改進(jìn)完成,故不再贅述。3放電倍率及放電穩(wěn)定性為驗(yàn)證蓄電池容量檢測(cè)儀是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,我們做了兩組實(shí)驗(yàn)如下。第一組實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)對(duì)象為755廠生產(chǎn)的10GNY-10堿性鎘鎳蓄電池。充電采用0.1C電流,充電15h。放電分別采用0.2C、0.5C、1C三種倍率放電。放電時(shí)為方便計(jì)算電池容量采用恒流放電,并將檢測(cè)儀串聯(lián)在放電回路中以驗(yàn)證其測(cè)量的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可以看出檢測(cè)儀所測(cè)容量與精確實(shí)測(cè)容量幾乎相同,誤差不到1%。第二組實(shí)驗(yàn),對(duì)電池進(jìn)行定電阻放電,電阻分別為5.6Ω、10Ω、2Ω。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以看出在定電阻放電狀態(tài)下,檢測(cè)儀測(cè)量出的容量是準(zhǔn)確的。4采用數(shù)字顯示放