基于单片机技术碱锰电池性能检测仪的设计

周 芸，范 丽

(西安工业大学，西安 710021)

1 引言

碱锰电池作为现代的高性能电池，具有很高的性价比，其发展速度惊人。为了保证其内在质量，在出厂前，对其性能进行检测是必不可少的。开路电压和短路电流是检查碱锰电池最常用的二参数［1］。开路电压检测时电池处于高阻态，误差较小［3］。对于短路电流，测量时，除了电池的内阻外，外接电路的电阻应该等于零。但是这是不可能的，因为如果外接电路电阻为零，就不能测得电流的数值了。经过笔者查阅大量的资料发现，前几年很多学者研究短路电流时，用的是四线制结合小电阻放电的方法［3］，但是并未考虑 GB7112—86中规定的测量短路回路的电阻要小于10mΩ［2］。在此提出了一种全新的碱锰电池检测方法，采用MAX4070双向，高边，紧凑型电流检测放大器，克服了常规方法的缺点，实现短路电流的高精度测量。基于此将设计一种以STC90C516RD+单片机为控制核心的全自动快速碱锰电池性能检测仪。

2 相关理论技术及开发环境

2.1 相关理论技术

单片机作为高新技术之一，以其体积小，功能强大，价格低廉等优势，获得很好的性价比，广泛应用于各种仪表仪器领域以及工业自动化控制中［2］。碱锰电池性能检测仪使用单片机作为其核心，主要用于控制检测装置的工作，以及和上位机进行通信，将数据通过串口传至上位机。设计该系统主要用到的相关技术是:单片机接口技术、抗干扰技术、显示技术、电子线路设计技术。

2.2 开发环境

设计该系统的开发环境包括硬件方面和软件方面。硬件方面包括:电路原理图和PCB图设计软件Altium designer 09，将程序烧写入单片机的烧写软件STC_ISP_V488;软件方面包括:单片机程序编写调试软件Keil C等。

3 检测仪硬件电路设计

3.1 硬件电路组成

该装置的硬件电路包括:电池电流电压检测电路、按键电路、数据采集电路、LED显示电路、串口通信电路。硬件电路逻辑图如图1。下面主要讲述检测电路和数据采集电路。

图1 硬件电路逻辑图

3.2 开路电压，短路电流检测电路

对于电池开路电压的检测技术，国内外现已比较成熟，而且误差也小。但是目前电池短路电流的检测技术还不是很完善，很难达到GB7112—86里的回路电阻小于10mΩ的要求。前人有研究过，是将十个MOS管并联，使其回路电阻小于10mΩ［2］。这样有点浪费成本。因为不同的测量时间就可以得到不同的短路电流。接通时间短，其短路电流读数就大;接通时间长，则测得的电流就会小一些。而且温度也能影响短路电流值。并且电池直接短路，对电池的损坏会很大。考虑到以上的影响因素，该设计将对同一批次的电池在相同温度下进行短路电流测量。其中采用电流检测放大器MAX4070，可提高测量精度。其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想，且能适合大范围大电流的测量，经过验证和测试，很好的满足设计要求。如图2为开路电压、短路电流检测电路［4－6］。参考芯片资料上的推荐组件值，本设计Rsense准备选用5mΩ的康铜电阻(该电阻热稳定性好，漂移小)，当电池符合标准时，在理想情况下短路电流为10A，选用MAX4070的100倍增益得到Vout为5V的标准输出。而5V是模数转换器PCF8591的参考电压值，此情况下，转换的精度是最高的。由于GB7112—86要求，检测短路电流的回路电阻需要小于10mΩ，选用上述电阻串联上两个并联的MOS管IRF3205，一个MOS导通电阻为8mΩ，两个并联为4mΩ，加起来是9mΩ，所以能满足国标要求。当然为了获得更精确的值以及更符合芯片的要求，在设计电路时加上了保护电路，使用两个肖特基二极管并联，用于电压钳位，来限制该点的电压值。从而使得输出电压更稳定，对电路起保护作用。在MAX4070后，接了一个电压跟随器可以提高原来电路带负载的能力，用作缓冲作用。

MOS管是为了切换开路电压和短路电流检测的。当MOS管导通时检测短路电流，不导通时检测开路电压。

数模转换芯片，运用了PCF8591，它是单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入，一个模拟输出和串行I2C总线接口。3个地址引脚A0，A1和A2用于编程硬件地址，允许8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。

图2 开路电压，短路电流检测电路图

3.3 信号隔离电路

检测电路中，MOS管电路和MOS管的驱动部分如果处于同一个电源系统下，当MOS管电路发生意外时，就有可能影响到驱动部分的电路，从而影响整个系统的工作。所以考虑用光耦将MOS管电路部分与MOS管驱动部分相隔开，那么即使MOS管部分有问题也不会影响到其他部分的问题出现。如图3，R45和R44，Q3三个元件来驱动光耦，用三极管的主要目的是提供给光耦开启所需的充足电流。当P1.4口为高电平时，Q3三极管导通，光耦内部二极管被导通，有电流流过二极管内部，光耦右侧的三极管被导通，所以CTL_TEST端被拉低，检测电流电路中的MOS管不被导通，开始检测开路电压。反之就开始检测短路电流［5］。

3.4 按键电路

该设计为了节省光耦器件和I/O口资源，采用了74LS148这种8－3编码器，只有当EI低，有按键按下时才开始编码，因为设计中只需要六个键盘，所以0、7输入口不使用给以高电平处理。根据真值表可以确定如果按下K1键，则输入口就是1011111，则输出为110，导通两个光耦，单片机的 P1.3，P1.2，P1.1口的电平为001，则单片机识别第一个键盘被按下，执行相应的动作。以此类推。按键电路如图4［4］。

图3 信号隔离电路图

另外，编码器的输出口和单片机的I/O口用光耦器件相连，起到一个隔离作用。

图4 按键电路

4 检测仪软件设计

该设计通过Keil uVision4集成开发环境设计实现单片机控制程序，简单测试系统，编译后生成Hex文件写入单片机进行硬件部分工作。

单片机控制部分由初始化模块、按键管理模块、电池参数检测模块、AD转换模块、显示模块等五部分组成。软件流程总框图如图5所示。

(1)初始化模块是在单片机上电复位后，首先进行系统参数，I/O口、各变量存储单元、状态变量等初始化。

(2)键盘模块，采用74LS148编码器，节省I/O口，并且软件编程极为方便。当按下哪个键时，对应单片机的I/O就是哪个数字。

(3)电池参数检测模块采用P1.4口来控制短路电流和开路电压的检测，P1.4口为高电平时，MOS管不导通，电路处于开路状态，检测的是开路电压;P1.4为低电平时，MOS管导通，电路处于短路状态，检测的是短路电流。

(4)AD转化模块，本模块采用的数模转换器是PCF8591。它是靠I2C总线的数据线SDL和时钟线SCL与CPU联系，由软件决定电压和电流数据的采集时间和数据的存储以及送去显示。执行代码如下:

(5)选用八位共阴极数码管动态显示电池的开路电压和短路电流值，还可以显示当时的电池总数和正次品数。段选是用74HC573来控制的，因为单片机可以控制锁存器的锁存端，进而控制锁存器的数据输出。锁存器的锁存端由单片机的P1.0口来控制。位选使用74LS138译码器来驱动，38译码器可以节省单片机的I/O口，它的三个输入端分别由单片机的 P2.2，P2.3，P2.4 口来控制。

该系统在软件中还采用了数字滤波技术中的算术平均滤波，来提高抗干扰性。

图5 软件流程总图

5 结 束 语

该碱锰电池检测仪操作简单，测量精度高，开路电压的测量范围:0－1.8V，开路电压分辨率为0.008V。短路电流的测量范围:2－10A，短路电流的测量分辨率为0.04A。并且本系统采用AT24C02的掉电保护功能，防止数据丢失，以及采用了软硬结合的抗干扰技术，提高系统的可靠性。

［1］王力臻，马凤菊，谷书华，等.短路电流极其影响因素［J］.电池，1999，26(6):1 －2.

［2］于海峰.电池性能快速检测系统的研究［D］.哈尔滨:东北林业大学，2001.

［3］杨明.碱锰电池在线质量检测技术研究［D］.天津:河北工业大学，2002.

［4］Sergio Franco.Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits［M］.Xi’an:Xi’an jiaotong University Press，2009.

［5］郭天祥.新概念51单片机C语言教程［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［6］华成英，童诗白.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2006.