摘? 要: 利用新一代AVR單片機(jī)(AT90S8515)實(shí)現(xiàn)蓄電池剩余電量在線測量。該方法通過實(shí)時(shí)測量蓄電池內(nèi)阻,，推算出其剩余電量,。最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
關(guān)鍵詞: 單片機(jī)? 在線測量 蓄電池? 剩余電量
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蓄電池作為備用電源，已在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),、通信,、電力等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。蓄電池的荷電量與整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān),，蓄電池剩余電量越高,，系統(tǒng)可靠性越高，否則反之,。對于一些重要的用電領(lǐng)域,，例如信息處理中心，如果能在既不消耗蓄電池的能量,，又不影響用電設(shè)備正常工作的條件下,，實(shí)現(xiàn)蓄電池剩余電量的在線監(jiān)測，將有重要的實(shí)際意義,。近幾年隨著IT產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,，電池的重要性越來越突出，對剩余電量精確預(yù)測的需求也越來越迫切,。
預(yù)測蓄電池剩余電量的常見方法有:密度法,、開路電壓法、放電法,、內(nèi)阻法,。前三種方法測量精度較低且不適合密封蓄電池的在線測量，故較難實(shí)用,。內(nèi)阻法對被測蓄電池的影響很小,，且蓄電池完全充電(充滿)和完全放電(放完)時(shí)，其內(nèi)阻相差2～4倍左右,，因此,，用內(nèi)阻法預(yù)測蓄電池剩余電量有較高的精度，正逐步得到實(shí)際應(yīng)用,。
1 內(nèi)阻法測量原理
1.1 蓄電池等效模型
蓄電池交流等效阻抗Z模型如圖1所示,。
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圖中:R1、R2為正,、負(fù)電極的極化電阻;
C1,、C2為正、負(fù)電極的極化電容;
L為引線電感;
RΩ為電池歐姆電阻,。
蓄電池歐姆電阻RΩ表征了電池的荷電程度,。但為了簡化測量通常從等效阻抗Z中僅分離純電阻R(R由RΩ、R1,、R2構(gòu)成),，R和RΩ之間呈線性關(guān)系,，故可用R間接地表征電池荷電程度。
1.2 四線法內(nèi)阻測量
由于蓄電池內(nèi)阻很小,，一般為μΩ～mΩ級(jí),，因此測量線的阻抗就變得不可忽略，為此采用四線法測量,，即將驅(qū)動(dòng)電流回路和感應(yīng)電壓電路分開,。內(nèi)阻四線法測量原理如圖2所示，其中Rs為取樣電阻,。
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測量蓄電池內(nèi)阻的方法是:在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源is,，然后檢測電池端電壓V0，以及is和V0兩者之間的夾角θ,。三者之間關(guān)系如圖3所示,。
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由圖3可知:
R即為我們需要獲取的蓄電池內(nèi)阻,。
1.3 剩余電量的測量原理
研究表明,，電池的內(nèi)阻與荷電程度之間有較高的相關(guān)性(0.88左右)，通過測量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地預(yù)測其剩余電量,。蓄電池內(nèi)阻與剩余電量的關(guān)系曲線如圖4所示,。
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具體實(shí)施方法是:將蓄電池充滿電(以12V蓄電池為例，充電至13.8V,，浮充電流至10mA,。)，然后以0.1C放電率對電池放電,，記錄放電過程中內(nèi)阻與電量的大小,。當(dāng)蓄電池放電完畢(12V蓄電池放電至10.8V)就可獲得完整的放電曲線，即剩余電量與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系,。將此曲線存入EPROM中,，在以后測試同型號(hào)同規(guī)格的蓄電池時(shí)，單片機(jī)將根據(jù)在線測到的電池內(nèi)阻值,，通過查表計(jì)算,，得出其剩余電量值。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 儀器結(jié)構(gòu)框圖
為了實(shí)現(xiàn)上述剩余電量預(yù)測方法,，我們研制的測試儀器硬件框圖如圖5所示,。該儀器主要由音頻信號(hào)發(fā)生器、耦合驅(qū)動(dòng)電路,、差動(dòng)放大器,、濾波網(wǎng)絡(luò)、整流電路,、相位檢測電路,、電壓電流取樣電路,、模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器(AD7715),、單片機(jī)(AT90S8515),、LCD顯示器及鍵盤等組成。
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需要指出的是,，為了獲得較高的剩余電量預(yù)測精度,，被測內(nèi)阻必須有足夠有效位數(shù)，為此我們?nèi)?位有效數(shù)字,，這樣就要求A/D轉(zhuǎn)換器必須在14位以上,。由于蓄電池內(nèi)阻、電壓均為變化緩慢的低時(shí)變信號(hào),，故我們只需選低速串行A/D轉(zhuǎn)換器,，而Σ-Δ類型的A/D轉(zhuǎn)換器就能很好地滿足我們的要求，為此我們選AD7715,。AD7715為16位A/D轉(zhuǎn)換器,，具有自校零、自校量程功能,，具有很高的測量精度,，另外還有SPI接口，便于與單片機(jī)高速通信,。
單片機(jī)為Atmel公司的新一代Risc單片機(jī)(AT90S8515),，該單片機(jī)具有如下優(yōu)越性能:
·120條精簡指令，且大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間是單時(shí)鐘周期,；
·采用哈費(fèi)結(jié)構(gòu),，在8MHz時(shí)鐘下，每條指令執(zhí)行時(shí)間僅為125ns,；
·片內(nèi)有8KB Flash程序存儲(chǔ)器,，512byte EPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，512byte RAM存儲(chǔ)器,；
·除擁有普通異步串行通信接口外,，還擁有SPI接口，SPI數(shù)據(jù)傳送速率最高達(dá)2.5Mb/s;
·擁有PWM發(fā)生器,，模擬電壓比較器以及Watchdog定時(shí)器,。
2.2 接口設(shè)計(jì)
單片機(jī)與主要外圍器件接口電路如圖6所示。
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(1)口用作鍵盤輸入和外接EPROM存儲(chǔ)器,，其中PA0接存儲(chǔ)器時(shí)鐘線,，PA1接存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)線，PA2～PA7接鍵盤,。
(2)口用作A/D轉(zhuǎn)換和模擬開關(guān)通道選擇,，其中PB0～PB2用作通道選擇,，PB5～PB7連接A/D轉(zhuǎn)換器對應(yīng)的SPI口線。
(3)口用作液晶顯示器數(shù)據(jù)口,。
(4)口用作A/D中斷請求和液晶顯示器控制口,，其中PD2為A/D轉(zhuǎn)換器中斷請求，PD5為液晶顯示器片選信號(hào),，PD6為讀寫選擇信號(hào),，PD7為使能信號(hào)。
3 軟件設(shè)計(jì)
測試儀器的主要程序流程圖如圖7～9所示,。
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4 試驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì),，我們對研制的兩臺(tái)樣機(jī)做了全性能測試，測試結(jié)果如表1所示,。
AVR是一種功能非常強(qiáng)大的單片機(jī),，片內(nèi)不僅集成了許多外圍接口功能電路，而且運(yùn)算速度快,、功耗低,、可靠性高，非常適合在智能儀器儀表中應(yīng)用,。
從理論上說,，只要調(diào)整音頻電流源幅度，內(nèi)阻法可適用各種容量的蓄電池測量,。該方法也同樣適用Ni-Mh、Ni-Cd及Li電池,，因此用內(nèi)阻法來預(yù)測蓄電池的剩余電量具有良好的通用性和實(shí)用性,。
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參考文獻(xiàn)
1 宋建國.AVR單片機(jī)原理及其應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.1998
2 徐曼珍.閥控式密封蓄電池及其在通信中的應(yīng)用.北京:人民郵電出版社，1998
3 Mard J.Hlavac,，David O.Feder.Field & laboratory studies to assess the state-of-health of valve-regulated leadacid and other battery technologies：Using conductance?testing Part II Further Conductance/capacity correlation?studies.INTELEC＇93.Paris：1993
4 Mista ss,，Noveske TM， Holden LS,，Maraz SL.Use of?ACE Impedance Conductance and DC Resistance for De-
termining the Reliability of vrla Battery System.Intelec?93-15th International Telecommunication Energy conference,，Vol 2，1993：384～391
5 Davek O. Feder,，Thomas G. Croda.Conductance Testing?compared to traditional methods of evaluating the capacity of valve-regulated lead-acid batteries and predicting state-of-health.International lead zine research organization meeting,，Nice：1992