基于C8051F330的电池电量在线监测仪设计

赵 雁，王志乾

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033)

作为备用电源，蓄电池已在计算机网络、通信、军工等领域得到了广泛的应用，其重要性也越来越突出。当精密测量仪器在野外工作时，更是离不开电池，而且电池电量对仪器的使用有着重要的影响。如果不能在线对电池的电量进行监测，将严重影响系统运行的可靠性，所以对电池剩余电量的预测和示警也变得越来越迫切[1-3]。

本文针对某电子经纬仪的电池组，设计了一种便携式的电量监测仪，在电池组的充电和放电过程中，实时监测电池电量，当电池电量达到预先设定的阈值点时，通过发光二极管来提醒使用者，而当电池电量没有达到最低限值时，则通过蜂鸣器告警。

1 硬件设计

监测仪的硬件结构示意图如图1所示。系统的微处理器选用增强型51单片机C8051F330，它是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，高速、流水线结构的CIP-51内核与MCS-51指令集完全兼容，但全指令集平均运行速度比MCS-51提高9.5倍。其内部有丰富的外设资源：8 KB可在线编程的Flash存储器、768 B片内 RAM、内置看门狗、片内上电复位、4个通用16位定时器、真正10位200 kS/s的16通道ADC转换器以及 I2C、UART、SPI总线通信接口等[4]。

图1 硬件结构示意图

本系统对电池电量的分压采集采用C8051F330片内的ADC转换器。其目的是：降低整个系统的功耗，防止电路板消耗电池电量比例过大；节约电路板的面积，防止由于电路板上分立器件走线带来的不便。

在实际工作中，电池最大电压为28 V，当低于20 V时，电子经纬仪将无法正常工作。本设计设定了3个阈值电压，分别为：V1(25 V)、V2(22 V)、V3(20 V)，当微处理器监测到电量大于V1时，3个绿色的LED灯亮；当电量在 V1和 V2之间时，LED2和 LED3灯亮；当电量在 V2和V3之间时，只有 LED3灯亮；当电量小于 V3时，红色的LED4亮，同时蜂鸣器告警。系统的工作状态如表1所示。

表1 系统工作状态表

2 软件设计

C8051F330的主程序采用定时中断方式，由内部定时器2产生频率为10 Hz的脉冲硬件中断，程序框图如图2所示。

图2 软件程序框图

系统在中断服务子程序内对A/D采样的数据进行处理。首先采用均值滤波对采进来的数据求取平均值，滤除由电源的不稳定和电路板的噪声所引起的采样数据的毛刺，从而避免数据的抖动；然后将滤波得到的数值V直接与系统设定的 3个阈值 V1、V2和 V3进行比较，对采样的电压进行实时定位在某一个状态来确定电池电量所处的工作状态，从而由C8051F330来控制相应的LED以及蜂鸣器对用户做出提示或告警。

3 改进的软件处理方法

按照上述设计，无论电池充电还是放电，其状态的转移是由单一条件阈值决定的，如图3所示。

图3 系统状态转移示意图

输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变。但是在实际工作时，由于硬件系统噪声始终存在，并且电池充放电曲线也不是线性的，即电池本身电压也存在抖动，而均值滤波只在一定程度上抑制了硬件系统的噪声，对于电池本身带来的抖动起不到完全的抑制作用。因此，当电压接近某一个阈值时，系统的状态就会频繁发生跳变，表现为LED指示灯不停地交替闪烁，影响监测仪的正常使用。鉴于这种现象，本系统在软件上提出一种改进方法，即设定具有滞回特性的阈值条件，如图4所示。

图4 改进的系统状态转移示意图

这种处理方法具有较强的抗干扰能力，即将原来的状态之间转移的条件由单一阈值变为一个阈值区间[VΔV，V+ΔV]。 根据实际情况，ΔV取 0.1 V。 在这种情况下，采样的电压值进入某一个状态后，若要跳到上一个状态，需要电压升高到V+ΔV；若要跳到下一个状态，则需要电压降低到下一个阈值V-ΔV。这样就在软件上避免了状态频繁跳变的情况，即使出现电压短暂的抖动也不会影响状态的改变。图5为状态转移滞回特性曲线。

本文介绍了一种基于C8051F330的蓄电池电量在线监测仪的实现方案，对系统进行了软硬件设计。通过对软件处理方法的改进，采用了具有滞回特性的阈值判断方法，有效地去除了电源抖动和杂波等造成的干扰。实际应用证明，该监测仪体积小、成本低、携带方便、操作简单、运行效果良好，达到了实时监测电池电量的目的，能够满足用户的使用要求。

图5 状态滞回特性曲线

[1]李唐兵，姚建刚，李继光.基于MCU的电能质量在线监测仪[J].仪表技术与传感器，2009(1):23-25.

[2]王宗亮，董国保，刘建东.应用单片机测试蓄电池剩余电量[J].机电设备，2004，21(1):39-41.

[3]徐拓奇，金光.星上电池的均衡控制[J].光学精密工程，2009，17(3):596-602.

[4]新华龙电子有限公司.C8051F330/1混合信号ISP Flash微控制器数据手册.潘琢金，译.2003.