基于单片机的蓄电池监测系统研究与设计

华红艳，宋伟，孙珍珍，王艺，张海青（.郑州航空工业管理学院；.郑州大通专利商标代理有限公司，郑州450000）

基于单片机的蓄电池监测系统研究与设计

华红艳1，宋伟1，孙珍珍1，王艺1，张海青2
（1.郑州航空工业管理学院；2.郑州大通专利商标代理有限公司，郑州450000）

针对蓄电池的基本工作情况，分析和研究了蓄电池的主要性能指标及检测方法，介绍了关键的测量原理与算法以及系统硬件与软件的设计；通过实时监测蓄电池的充放电参数，确保蓄电池正常工作，也便于发现损坏的或者性能显著降低的蓄电池，有益于蓄电池的维护。

蓄电池；单片机；在线监测

0　引言

目前，许多设备诸如电动自行车、电动汽车电源系统中蓄电池在线监测问题越来越为人们所关注，这些电源的关键部件是大功率蓄电池组。由于蓄电池组是由多个单体蓄电池串联组成的，单个蓄电池故障就会影响到整个系统，所以对蓄电池组进行定期检测和在线实时监测，及时发现性能降低的电池，将可提高电源的可靠性。通过预测可以对蓄电池容量随时进行估计，快速而全面地评估蓄电池的状况，以便及早发现蓄电池的潜伏性故障，从而提前对蓄电池运行状况做出诊断，避免和减少事故，保证蓄电池组供电系统的安全稳定运行。

1　系统研究指标

研究蓄电池在线监测系统的关键是正确监测端电压、电池的剩余电量和电池温度，估算出电动势、电池内阻，从而对电动车的用电进行管理以及防止电动车运行时产生对电池的伤害。蓄电池的端电压是在正负极上实际测得的电压。蓄电池的工作状态不同，端电压也不同。当蓄电池放电时，它的端电压为U=E－IR。蓄电池的剩余电量与蓄电池的端电压之间有一定的关系，因此蓄电池剩余电量是在一定的条件下通过与端电压之间的关系取得的。蓄电池体的温度是蓄电池的重要标志参数，对电池的性能有很大影响。当电池温度过高时势必影响到电池的工作效率和寿命，故温度的测量不可少。本文以铅酸蓄电池为研究对象，由于铅酸电池本身的特殊性，其荷电状态受放电电流、本身退化等诸多因素的影响，本文通过对蓄电池的内阻和电动势测量，采用了一种特殊的直流检测法，希望提高对蓄电池体温度、电池电动势、电池内阻及剩余电量测量的精度。另外这种方法不研究蓄电池的相对比较复杂的内部化学机制，简单易行。

2　系统测量原理

2.1内阻和电动势测量与计算

系统的测量模块对蓄电池的电压测量的电路原理图如图1所示。

其中，R1为电池内阻，E为电池电动势,U1、U2分别为Q1截止和Q1导通时的端电压，I1、I2分别为流入测量模块的电流，I21为流过R2的电流，I22为R6的电流。

由此可求出蓄电池的内阻和电动势：

其中R2、R5、R6的电阻值为已知，且电路中R5= R6、R7=R8，测量模块需要测量的量有端电压U1、U2，晶体管Q1导通时电压Uc。系统将电流传感器串联接在测量电路上，精确测量电路电流I1、I2。单片机通过P1.0～P1.3管脚控制多路选择器CD4051的输入A、B、C，来分别选通8通道中的X1、X2、X4通道电路通道，并控制晶体管Q1的导通与截止，从而测量出U1、U2、UC。单片机输入控制与通道输出的对应关系如表1所示。

表1　 CD4051输入与测量输出的对应关系表

测得的各参数经运算放大器和高速光耦，进行隔离放大后接到A/D转换电路进行A/D转换。

2.2剩余电量的测量

蓄电池的剩余电量是指在放电允许的范围内，蓄电池某一时刻剩余的容量，它是随时间变化而变化的量，同时也是衡量蓄电池优劣的主要指标。通过实验发现，铅酸蓄电池的剩余容量C与端电压U之间的关系如表2和图2所示。

表2　蓄电池剩余容量与端电压对照表

对交流负载而言，无论蓄电池的充电状态如何，蓄电池放电一段时间后，其剩余容量与其端电压的关系基本是线性的。当蓄电池充满电时，端电压为13.5V左右。当蓄电池的剩余容量低于20%时，即其端电压低于11V左右时，蓄电池基本已不对外放电。

2.3温度测量

电池温度测量是采用DSl8B20数字温度传感器贴于电池外壳的方法，通过在线测量电池的温度，找出温度异常的电池。DS18B20通过内部温度寄存器接收一个受温度系数影响的振荡器输出的脉冲个数直接影响到数字温度数据。收到温度转换命令后，DS18B20的内部数字化温度转换器将温度数据以二进制形式储存到16位快速暂存器中，二进制数据中前5位是符号位，如果测得的温度为正值，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625，即可得到实际温度；如果温度为负值，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625，即可得到实际温度。温度各进制数据转换的关系如表3所示。

表3　温度与转换数据的关系

DS18B20的数据线DQ与单片机P1.7管脚相连接，实现温度的传输，温度测量电路的接口电路图如图3所示。

3　系统的硬件设计

本系统以单片机AT89C52为控制核心，拥有多路相互独立的测量模块，在实际测量时只需插入即可实现测量。测量电路输出信号是模拟信号，要经过A／D转换才能送到单片机进行处理，并且和测得的温度一起通过液晶模块LCDl2864进行现场显示。当电池状态达到极限时，会在液晶屏幕上显示报警状态，同时进行语音报警。为防止很多不确定的因素导致程序的混乱发生，利用可编程看门狗定时器X25043来保护系统。系统还可以人为地通过按键设定电池剩余电量提示、温度报警上下限。各模块电路相互协调，依据主控制器发出命令做出相应的反应。

3.1系统硬件结构

系统的硬件结构分为两大部分：核心控制单元和功能模块单元，即主控制器AT89C52、电压电流测量、A／D转换、键盘电路、抗干扰电路、温度测量、液晶显示、语音报警。设计蓄电池自动监测系统硬件框图如图4所示。

3.2显示及报警模块

蓄电池自动监测系统采用了液晶模块LCD12864，LCD12864可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，且低电压低功耗，电源电压（VDD为+3.0V～+5.5V），工作温度为0℃～+55℃。74LS245的选通和传输方向由单片机的P2.6和P2.7控制，来驱动LCD12864正常显示。液晶模块上的RS、R/W、E引脚分别由单片机的P3.2、P3.3和P3.4控制，实现单片机对液晶模块的读写操作，显示蓄电池的各参数和蓄电池表面温度值。当系统当前的测试端电压低于预先设定的下限值时，液晶屏出现“电量不足”警告；当系统当前采集的温度值高于预先设定的上限值时，液晶屏立即显示“温度过高”提示。

将需要语音播报的内容事先录制到语音芯片中，监测系统运行时，语音模块将监测的数据（这其中包括电池剩余电量值、当前采集的温度值）和预先设定电池剩余电量提示下限、温度报警上下限进行对比，当达到设定的值时，便可实现自动的语音提示或报警。液晶显示电路如图5所示。

4　系统软件设计

本设计的软件设计采用了功能模块化设计方法，系统程序主要包括以下几个方面：初始化、按键处理、温度测量、电压电流测量、转换计算、语音报警和显示等子程序。子程序与相关电路是对应的，很好地实现了系统软硬件之间的协调统一。系统软件设计的程序流程图如图6所示。

5　结束语

本系统采用模块化设计，整个系统软件结构清晰，具有很好的可扩展性能。采用蓄电池电压和内阻综合判断蓄电池的性能，具有较高的可靠性。由于控制电路元器件少、电路简单、自动化程度高、易于操作，通过直观地显示避免了人工计算，帮助用户更迅速、准确地对蓄电池充放电和更换出现问题的部件，便于及时有效地开展维护，也降低了蓄电池维修错误的风险。

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(责任编辑：赵建周）

The Research and Design of Monitoring System of Storage Battery Based on Single Chip

HUA Hong-yan1,SONG Wei1,SUN Zhen-zhen1,WANG Yi1,ZHANG Hai-qing2
（1.Zhengzhou Institute Of Aeronautical Industry Management,Department of Electronic Engineering；2.Zhengzhou Datong patent and Trademark Agency Co.Ltd.Zhengzhou 450015，China)

This paper analyzes and studies the main performance index and test method of battery,according to the basic working condition of storage battery,battery charge and discharge parameters monitor in real time,this paper introduces the key measuring principle and algorithm,comes up with the design of hardware and software system and tests the running state of through the display device.Thus,the system ensures the normal work of the battery,finds out the damaged battery or the battery whose performance reduce significantly and is conducive to the maintenance of the battery.

storage battery;single chip;on-line monitoring

TP912

A

1673-2928（2015）02-0008-04

2014-09-20

华红艳（1963-），女，郑州航空工业管理学院教授，研究方向：电气自动化控制。