基于单片机的蓄电池容量测量系统

基于单片机的蓄电池容量测量系统

作为备用电源，电池充电站广泛应用于能源、通信、电子设备等行业。在使用过程中人们需要了解蓄电池的实际容量,蓄电池的容量Q是以“Ah”为单位来计量的。式中:I——电池的放电电流;t——电池的放电时间。到目前为止,大多数的电池生产厂家和蓄电池使用者对电池容量的测量均用人工完成。即对蓄电池进行恒流放电,放到蓄电池终止电压时停止放电,以这个恒定的电流与放电时间相乘,得到容量,这种方法显然十分不便。并且需用专用恒流放电设备完成对蓄电池的放电,也不经济。笔者用PIC16C73A为核心,制成计量蓄电池容量的仪表,简称Ah计。PIC单片机是近几年刚刚在我国流行的一种精简指令集单片机。该系列单片机其较少的指令和哈弗总线结构使得它易学易用,且工作速度快、体积小、工作电压低、功耗小、驱动能力强(I/O口可直接驱动LED)。采用低价一次可编程(OTP)技术的芯片其价格几乎与掩膜型相近,并且规格齐全,有利于单片机资源的充分利用。本设计所用PIC16C73A单片机的主要资源如下:4K的OTP程序存储器、192个数据存储器(RAM)、5路输入的8位数字/模拟(A/D)转换器、22个I/O口,每个I/O线的驱动/吸收电流能力为25mA,可直接驱动LED、1个16位定时器、2个8位定时器和1个看门狗定时器、12个中断源。由以上资源可以看出,用PIC16C73A为核心设计Ah计,由于自带程序存储器和A/D转换器,I/O线可直接驱动LED,只要加少量外围电路即可构成Ah计,基本做到了系统的单片化,因此其可靠性大大提高而且价格低廉。除此之外它还有下列特点:(1)用单片机完成对电流的采样,采样频率远远大于放电电流的变化速度。可采用定电阻放电,从而摆脱了恒流放电装置。(2)电流测量时,在0.5～100A范围能自动转换量程,测量时蓄电池的放电率为0.2C,适用于2.5～500Ah的电池。具有广泛的适用性。(3)数字显示当前所放出的容量,不须人工计算Ah。1计算机攻击的硬件电路硬件电路主要由采样放大电路、量程自动转换电路、PIC16C-73A、LED显示电路构成。硬件电路如图1所示。1.1两级放大电路蓄电池容量检测仪设计的基本思路是:对电池采用定电阻放电,测量出放电电流I,通过单片机完成Ah的求取,因此必须有电流取样电路。电流取样由定制的128A电流表分流器RI完成。当电流为128A时,电流表分流器RI的压降为75mV,由于电流测量范围是0.5～128A,当电流下限0.5A时,分流器的压降极低,若这个电流取样信号直接放大成与A/D转换器匹配的电压,放大器的增益将达数千倍,显然用一级放大将会对放大器提出过高的要求。为此我们采用了两级放大,第一级由R1、R2、RW1及A1组成,放大倍数为50倍。第二级采用程控放大电路,由R3、A2以及多路开关CD4051、R6～R13、RW2～RW9组成。我们使用的A/D转换器为PIC16C73A单片机片内所带的8位A/D。为提高其转换精度将电流I分成8个量程进行测量。通过自动改变第二级放大器的电压增益来完成量程的自动转换。第二级放大器不同量程的电压增益由表1决定。1.2选择合适的反馈电阻PIC16C73A内置8位A/D转换器,5个模拟信号的输入端为RA0～RA4可编程控制,本设计只有一个模拟信号输入,选RA4为A/D输入端。RC7～RC5为8路选择开关的控制端。RC7～RC5为000时选通Y0,A2的增益为512/3。RC7～RC5为111时,选通Y7,A2增益为4/3。RC7～RC5输出的数据与放大器A2增益间的关系由表1决定。考虑到多路选择开关通态电阻的不一致性,设置了RW2～RW9电位器以获取准确的A2所需要的反馈电阻阻值。A3为电压比较器,当A2的输出电压大于5V时,说明A/D转换器的输入电压超过了量程,A3的输出为高电平,单片机检测到这个高电平后,RC7～RC5从000到111自动变化,第二级放大器的电压增益逐级减小直到A3输出为低电平,这样就完成了量程的自动转换。1.3电流驱动电路显示电路采用四位LED模块,RB0～RB6为7位段输入,RB7为小数点。RB0～RB8均有25mA的电流驱动能力,因此可不加驱动电路。RA0～RA3通过T1～T4共4只NPN三级管提供较大的吸收电流能力,作为LED模块的4个位选。系统的采样周期定为200ms。每个采样周期LED显示一次,每只LED显示5ms。2软件方案的设计2.1电池安时数dQ=D258×N3600Q=D258×Ν3600(1)式中:D——A/D转换的8位输出,范围是256～128;N——电流量程的上限值。式(1)为电池每秒所放出的安时数。由于本系统采样周期为0.2s,因此采样5次,取其平均值,作为(1)式中的D值。将由(1)式得到的安时数累加,直到放电终止,就得到所需要的电池容量Ah值。2.2计算接口首先将程序所需用的A/D转换、Ah计算、Ah累加及十进制(BCD)码转换、显示制成模块,确定其出口条件和入口条件,以方便调用。程序流程如图2所示。2.3a/d转换电路PIC16C73A单片机不仅有内置8位A/D转换器,内部还自带采样保持器,在编写A/D转换模块时按以下7步骤完成:(1)设置A/D功能模块:选择模拟输入口、参考电压源、数字输出;置相应的I/O方向位为“1”;选择A/D输入通道;选择A/D转换时钟,可选用外部时钟,也可选用内部时钟,本系统选用内部时钟;选择A/D模块。(2)设置A/D中断。(3)等待A/D采样完成(等待1个tAD时间)。(4)启动A/D转换。(5)等待A/D转换完成。(6)读A/D结果寄存器。(7)如果需要再进行另一次A/D转换,需等待至少2tAD时间。本设计其余各功能模块,都可以在MCS51系统单片机有关程序汇编中找出,加以改进完成,故不再赘述。3放电倍率及放电稳定性为验证蓄电池容量检测仪是否达到设计要求,我们做了两组实验如下。第一组实验,实验对象为755厂生产的10GNY-10碱性镉镍蓄电池。充电采用0.1C电流,充电15h。放电分别采用0.2C、0.5C、1C三种倍率放电。放电时为方便计算电池容量采用恒流放电,并将检测仪串联在放电回路中以验证其测量的准确性。实验数据如表2所示。从表2可以看出检测仪所测容量与精确实测容量几乎相同,误差不到1%。第二组实验,对电池进行定电阻放电,电阻分别为5.6Ω、10Ω、2Ω。实验数据如表3所示。从表3可以看出在定电阻放电状态下,检测仪测量出的容量是准确的。4采用数字显示放