基于51单片机的新型蓄电池容量检测仪



基于51单片机的新型蓄电池容量检测仪

夏桂书

（中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川广汉618307）

摘要：为对蓄电池进行准确的容量测试，设计一种基于51单片机的新型蓄电池容量检测仪。该装置通过恒流电路控制蓄电池的放电，然后通过A/D转换采样，采集并存储蓄电池在放电过程中的放电电压值样本得到放电曲线，计算出被测蓄电池的准确容量，通过蓄电池电压能够快速估算出该时刻对应电池剩余容量值。测试结果表明：该容量检测仪精度良好，测量误差在1%以内，能够快速准确判定蓄电池剩余容量，具有较高的实用性与推广价值。

关键词：蓄电池；容量检测；MOSFET晶体管；快速测量；51单片机

收到修改稿日期：2013-06-03

0　引言

目前各类蓄电池广泛运用于生活与生产当中，已经成为当今社会必不可少的一部分。在使用蓄电池的过程中常常需要了解蓄电池的实际容量，因此需要对蓄电池能够进行简单容量测试的仪器。对蓄电池的容量进行测试，目前最可靠的方法是对蓄电池进行一次完整的放电测试[1]。这种测试方法准确可靠，但费时费力，并且对于一次性电池无法进行测试。因此，本文针对传统测试方法的弊端，设计了一种简单、实用、经济性比较高的蓄电池容量检测仪器。

1　测试原理

1.1容量判定的原理

根据蓄电池的原理和实际验证，可以知道，同一蓄电池的容量与蓄电池的当前电压直接相关。根据这一原理，对于不同蓄电池，由于其电压-容量的特性不同，可通过测试得到被测蓄电池的电压-容量特性曲线，然后得到蓄电池的放电曲线来判定蓄电池当前实际容量。对于一次性蓄电池，由于同一批生产的蓄电池特性相似，可通过随机选取测试，得到该批蓄电池的电压-容量特性，从而能够快速判定容量[2]。

1.2系统总体设计

系统总体设计思路采用单片机控制恒流电路对蓄电池进行恒流放电，单片机通过A/D转换电路采集实际的放电电流，通过单片机对放电电流和放电时间的积分运算可求得放出的电量。

系统以STC89C52RC单片机为核心，通过矩阵键盘设置放电电流和选择不同的蓄电池以及工作模式；通过A/D转换电路检测实际工作电流和当前被测蓄电池电压[3]；单片机控制D/A转换电路的输出电压到恒流模块，从而控制输出电流，完成对输出电流的设置和调节；并且系统可通过液晶实时显示当前电流、电压和工作状态，能够准确显示当前放电量；通过存储器可存储多组被测曲线，实现快速测量[4-6]。系统框图如图1所示。

图1　系统框图

2　系统硬件电路设计

2.1单片机控制和液晶显示电路设计

系统采用STC89C52RC单片机作为控制核心，该单片机是宏晶科技推出的以8051为内核的新一代51单片机。作为传统8051内核的增强型单片机，STC89C52RC单片机具备超强的抗干扰能力，运用在电气系统中，满足复杂电磁环境下可靠性的要求。同时该单片机内部MAX810复位电路，免去外接复位电路，简化系统设计。单片机上已集成有大容量的ROM和RAM存储器，为程序设计和数据处理提供充足的空间。

液晶显示电路选用并行驱动的LCD1602液晶。LCD1602采用并行方式与单片机通信，数据传输方式简单，易于使用，虽然其使用占用较多的I/O口，但本系统中采用的单片机能够提供足够的资源与其连接，所以采用此方案是理想的选择。且由于其强大的集成度，与显示相关的功能都集成在模块上，能够直接与单片机连接通信。单片机和液晶显示接口示意图如图2所示。

2.2恒流控制电路

系统的恒流部分应用电流负反馈控制原理，采用运算放大器和MOSFET进行设计。电路如图3所示。

图2　单片机和液晶显示接口示意图

图3　恒流部分电路

其工作原理是：VIN+为被测蓄电池，DAC端由单片机输入设定放电电流对应的电压值，当U1的反相输入端的电压值小于其同相输入端电压值时，U1的输出电压增加；则使Q1的栅极电压增大，工作在恒流区的Q1的电流增大；当电流增大时，该电流在R2上产生的压降增加，这个电压输入运放U2进行放大，使得U2输出电压增加，当U1的两输入端电压相同时，电路工作状态稳定，输出电流达到恒定值[7]。

由于某些蓄电池的电压较小，为了在测试低电压的蓄电池时仍能提供较大的负载电流，电路设计时尽量减小回路电阻，选用了低导通电阻的IRFP260场效应管，同时采样电阻选用阻值为0.01 Ω的无感精密电阻。当电流较小时，采样电阻上的压降较小，难以测量，需对其进行放大。图3中U2构成的放大电路，放大倍数通过R3和R4设定。

由U2的输出电压与U2输入电压的关系：

因为当电流恒定时有Uin=U2out，所以式（4）可改写为

2.3电压检测和电流检测电路

为实现蓄电池放电电流和电压的监测和显示，系统在设计时加入电压和电流检测电路，通过MAX1241模数转换芯片，将检测到的模拟信号转换后传送给单片机，完成实时监控或容量判定。

电流测量通过检流电阻对放电电流进行检测，检流电阻将放电的电流信号转换为便于采集的电压信号，再经放大电路对检测到的电压信号放大。由式（3）可知，图3中U2的输出电压与负载电流呈比例关系，因此通过模数转换电路，检测U2输出端ADC端口的电压，经单片机运算得到实际电流。

电压测量通过电阻比例分压实现。由于设计被测蓄电池的最大电压VIN+为24 V，高于A/D转换电路的测量范围0~2.5 V，因此需要对被测电压进行等比例缩小。分压电阻RH与RL的选择根据最大输入电压和A/D转换电路的最大测量电压有：

由于测量范围略大于输出范围，可求得分压电阻RH与RL的比值N为

因此比值N应大于8.6倍，为了方便计算，RH取标称值180kΩ，RL取20kΩ。

2.4模数转换电路设计

系统采用MAXIM公司生产的MAX1241芯片作为A/D转换电路的核心芯片。该芯片为单端输入的12位串行模数转换芯片，具有12位的分辨率，因此可对电压电流信号进行精确采样[8-11]。

2.5数模转换电路设计

系统设计时为达到较高的电流和电压设置精度，因此选用了AD5320这种12位高精度数模转换芯片。

AD5320采用三线SPI接口，与单片机通信连接简单，具有较高的转换速率和准确度。AD5320的供电电压是2.7~5.5V，它的内部包含一个高精度的2.5 V电压基准，设计时可以省去外部基准，同时也能达到更高的精度。

2.6数据存储器和键盘电路

为了方便数据输入和系统设置，系统设计了键盘输入电路。电路采用矩阵键盘作为输入控制部分。矩阵键盘具有占用I/O口少、连接简单、使用方便的特点。为了进一步简化按键电路的设计，系统还采用MM74C922专用矩阵键盘管理芯片来管理键盘，简化程序设计，把复杂的键盘扫描程序交给硬件处理，单片机只需读取扫描结果即可。

为了对测试数据进行存储，需设计存储电路，对测试的蓄电池放电曲线进行存储。系统选用AT24C16作为外部存储器。该芯片具有16K的存储空间，通过单片机直接操作内部数据，系统断电后仍能够将数据长时间保存。较大的存储空间可以对组数据存储，满足不同蓄电池快速测试的需求。

3　系统软件设计

系统软件包括硬件电路的驱动程序、键盘输入检测、输出控制和模式设定等功能的实现。

3.1系统主程序

主程序流程图如图4所示，当系统工作后，各个硬件模块初始化，设定芯片的工作状态和初始输出值；然后等待用户按键输入，系统根据输入设定工作模式的不同，进入相应的工作模式设定中；在普通模式和智能模式下，设定电压电流，开始放电过程；在快速模式下选择蓄电池型号后，直接判定容量。系统软件的主流程图如图4所示。

图4　主程序流程图

3.2系统的工作模式设定

为实现蓄电池检测的多种工作模式，程序设计时，根据需要输入相应的工作模式。

在普通模式下，设置放电电流和放电截止电压。设置完成后，系统根据设定的放电电流开始工作。当系统检测到蓄电池电压低于截止电压时，放电完成，等待用户下一步操作。放电过程中，单片机根据实时采集到的电压和电流信号，做积分运算，即可得到蓄电池的容量，建立容量和电压的关系曲线，并存储在存储器中。在这种模式下，系统根据用户设定的电压和电流工作，适用于各种蓄电池的放电，放电过程中实时显示容量和电压，并能将数据存储。

这种工作模式，能够保证蓄电池完成一次完整的放电过程，且能够保护蓄电池不会因过放而损伤蓄电池。

智能模式下，系统已经存储了多种蓄电池的放电特性，直接选择蓄电池种类、蓄电池电压和放电电流，即可对蓄电池进行智能放电，到达该种类电池的截至电压自动停止放电。这种模式对已知种类的电池，可以快速完成设定，不必再查询放电参数。

快速测试模式，对已经做过放电曲线测试的蓄电池，可以采用快速测试模式。该模式根据已有的放电曲线，通过电压-容量关系，测量电池电压直接判定剩余容量。该模式可对已有数据的电池快速判定，对同一批次的一次性电池也有效。

4　系统功能测试

采用镍氢电池作为被测蓄电池，将电池接到电子负载的被测端，首先测试负载电流的准确性。调节负载设定不同的负载电流，万用表实测电流和系统显示的电流进行比较。测试数据如表1所示。

表1　电流准确性测试

从表1可以看出，系统的负载电流准确性较高，特别是电流较大时，相对误差较小。

测试完电流的准确性后，接下来测试容量判定的准确性。首先对多组蓄电池进行标定，然后各蓄电池在不同的电压下进行快速测试，最后进行精确测试，与快速测试结果对比。测试数据如表2所示。

由表2可见，快速测试的结果与精确测试结果误差较小，满足对容量快速判定的要求。

5　结束语

通过测试可以看出，该蓄电池容量测试仪器完成了预定的设计功能，能够快速准确检测蓄电池容量，具有精度高、稳定性好、使用简单、经济性好的特点，满足使用要求，具有很强的应用推广价值。

参考文献

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[11] 张岳同.太阳能电池板综合测试系统的研究[D] .合肥：合肥工业大学，2012.

表2　容量测试结果

New intelligent battery capacity detector based on 51 MCU

XIA Gui-shu

（Aviation Engineering Institute，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307，China）

Abstract:The new intelligent battery capacity detector based on 51 MCU is proposed for testing the battery capacity accurately. This device controls the battery discharge through the constant current circuit，and then the voltage value during its discharge process is measured and the signal is converted by A/D converter. After that，51 MCU can give the discharge curve and calculate battery capacity accurately. Besides，the current charge state of the battery is figured out according to the voltage value in a quick mode. The result shows that the new capacity detector is with high accuracy and the measurement error is within 1% . Because of this characteristic，the new detector can quickly and accurately determine the remaining battery capacity，so it has high practicality and promotional value.

Key words:battery；capacity detection；MOSFET；quick measurement；51 MCU

基金项目：国家自然科学基金委员会与中国民航总局联合资助项目（U1233202）中国民航飞行学院科研项目（J2007-20）

收稿日期：2013-04-06；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.019

文章编号：1674-5124（2013）05-0068-04

文献标志码：A

中图分类号：TM912；TM930.114；TP368.2；TP274

作者简介：夏桂书（1968-），女，四川眉山市人，高级实验师，硕士，研究方向为电工电子技术与计算机应用技术。