AVR單片機在蓄電池剩餘電量測試儀中的應用

2020-12-06 電子產品世界

摘要：利用一代AVR單片機（AT90S8515）實現蓄電池剩餘電量在線測量。該方法通過實時測量蓄電池內阻,推算出剩餘電量。最後給出了實驗結果。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/255693.htm

關鍵詞：單片機 在線測量 蓄電池 剩餘電量

蓄電池作為備用電源，已在計算機網絡、通主、電力等領域得到了廣泛的應用。蓄電沁的荷電量與整個供電系統的可靠性密切相關，蓄電池剩餘電量睦高，系統可靠性越高，否則反之。對於一些重要的用電領域，例如信息處理中心，如果能在既不消耗蓄電池的能量，又不影響用電設備正常工作的條件下，實現蓄電池剩餘電量的在線監測，將有重要的實際意義。近幾年隨著IT產業的迅速發展，電池的重要性越來越突出，對剩餘電量精確預測的需求越來越迫切。

預測蓄電池剩餘電量的常見方法有：密度法、開路電壓法、放電法、內阻法。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，故較難實用。內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，其內阻相差2－4倍左右，因此，用內阻法預測蓄電池剩餘電量有較高的精度，正逐步得到實際應用。

1 內阻法測量原理

1.1 蓄電池等效模型

蓄電池交流待效阻抗Z模型如圖1所示。

圖中：R1、R2為正、負電極的極化電阻；

C1、C2為正、負電極和極化電容；

L為引線電感；

Rn為電池歐姆電阻。

蓄電池歐姆電阻Rn表徵了電池的荷電程度。便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構成），R和RΩ之間呈線性關係, 故可用R間接地表徵電池荷電程度。

1. 2 四線法內阻測量

由於蓄電池內阻很小，一般為uΩ－Ωm級，因此測量線的阻抗就變得不可忽略，為此採用四線法測量，即將驅動電流迴路和感應電壓電路分開。內阻四線法測量原理圖如圖2所示，其中R2為取樣電阻。

測量蓄電池內阻的方法是：在蓄電池的兩端施加一恆定的交流音頻電流源is，然後檢測電池兩端電壓Vo，以及is和V0兩者之間的夾角θ。三者之間關係如圖3所示。

由圖3可知：Z＝Vo/io

R=Zcosθ

R即為我們需要獲取的蓄池內阻。

1.3 剩餘電量的測量原理

研究表明，電池的內阻與荷電程度之間有較高的相關性（0.88左右），通過測量電池內阻可較準確地預測其剩餘電量。蓄電池內阻與剩餘電量的關係曲線如圖4所示。

具本實施的方法是：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。）然後以0.1C放電率對電池放電，記錄放電過程中內陰與電量的大小。當蓄電池放電完畢（12V蓄電池放電至10.8V）可獲得完整的放是曲線，即剩餘電量與蓄電池內阻之羊的關係。將些曲線存入EPROM中，在以後測試同型號同規格的蓄電池時，單片機將根據在線測到的電池內阻值，通過查表計算，得出其剩餘電量值。

2 硬體設計

2.1 儀器結構框圖

為了實現上述剩餘電量預測方法，我們研製的測試儀器硬體框圖如圖5所示。該儀器主要由音頻信號發生器、耦合驅動器、差動放大器、濾波網絡、整流電路、相位檢測電路、電壓電流取樣電路、模擬轉換開關、A／D轉換器（AD7715）、單片機（AT90S8515）、LCD顯示器及鍵盤等組成。

 需要指出的是，為了獲得較高的剩餘電量預測精度，被測內阻必須有足夠不效位數，為此我們取4位有效數字，這樣就要求A／D轉換器必須在14位以上。由於蓄電池內阻、電壓均為變化緩慢的低時變信號，故我們只需選低速串行A／D轉換器，而∑－△類型的A／D轉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轉換器，具有自校零、自校量程功能，具有很高的測量精度，另外政治家SPI接口，便於與單片機高速通信。

單片機為Atmel公司的新一代Risc單片機（AT90S8515），該單片機具有如下優越性能：

120條精簡令，且大多指令執行時間是單時鐘周期；

採用哈費結構，在8MHz時鐘下，每條指令執行進間僅為125ns；

片內有8KB Flash程序存儲器，512byte EPROM數據存儲器，512byte RAM存儲器；

除擁有普通異步通信接口外，還擁有SPI接口，SPI數據傳送速率高達2.5Mb/s；

擁有PWM發生器，模擬電壓比較器以及Watehdog定時器。

2.2 接口設計

單片機與主要外圍器件接口電路圖6所示。

（1） 口用作鍵盤輸入和外接EPROM存儲器，其中PAO接存儲器時鐘線，PAI接存儲器數據線，PA2∽PA7 接鍵盤。

（2） 口用作A／D轉換和模擬開關通道選擇，其中PBO∽PB2用作通道線，PB5∽PB7連接A／D轉換器對應的SPI口線。

（3） 口用作液晶顯示器數據口。

（4） 口用作A／D中請求和液晶顯示器控制口，其中PD2為A／D轉換器中請求，PD5為液晶顯示器片選信號，PD6為讀寫選擇信號，PD7為使能信號。

3 軟體設計

測試儀器的主要程序流程圖如圖7～9所示。

4 測驗結果

為了驗證設計，我人對研製的兩臺樣要做了全性能測試，測試結果如表1所示。

AVR是一種功能非常強大的單片機，片內不僅集成了許多外圍接口功能電路，而且運算速度快、功耗低、可靠性高，非常適合中智能儀器儀表中應用。

從理論上說，只要調整音頻電流源幅度，內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，因此用內阻法來預測蓄電池的剩餘電量具有良好的通用性和實用性。

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