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(cè)量。該方法通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)，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(lái)越突出，對(duì)剩余電量精確預(yù)測(cè)的需求也越來(lái)越迫切。
預(yù)測(cè)蓄電池剩余電量的常見(jiàn)方法有:密度法、開路電壓法、放電法、內(nèi)阻法。前三種方法測(cè)量精度較低且不適合密封蓄電池的在線測(cè)量，故較難實(shí)用。內(nèi)阻法對(duì)被測(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)化測(cè)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(cè)量
由于蓄電池內(nèi)阻很小，一般為μΩ～mΩ級(jí)，因此測(cè)量線的阻抗就變得不可忽略，為此采用四線法測(cè)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(cè)量原理如圖2所示，其中Rs為取樣電阻。
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測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)測(cè)量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(duì)電池放電，記錄放電過(guò)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(cè)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(cè)到的電池內(nèi)阻值，通過(guò)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(cè)方法，我們研制的測(cè)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(cè)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(cè)精度，被測(cè)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(cè)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(jiǎn)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(duì)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(qǐng)求和液晶顯示器控制口，其中PD2為A/D轉(zhuǎn)換器中斷請(qǐng)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(cè)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(duì)研制的兩臺(tái)樣機(jī)做了全性能測(cè)試，測(cè)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(shuō)，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(cè)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(lái)預(yù)測(cè)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(guó).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