基于STC单片机的蓄电池检测系统设计

彭育强 张薇琳

广东交通职业技术学院，广东广州，510650

基于STC单片机的蓄电池检测系统设计

彭育强 张薇琳

广东交通职业技术学院，广东广州，510650

本文提出一种采用STC2C5A60S2为核心控制器，利用模拟量转换器构建数据采集模块和数据处理模块等检测电路，实现了对蓄电池电压、温度、内阻等物理量的监测。实验结果表明该方法具有操作简便、可靠性高、测量结果精确等优点。

蓄电池；STC单片机；状态检测

1 引言

蓄电池在众多重要设备系统中起到不间断提供电源的重任，但是目前在很多场合蓄电池实际上处于一种长期完全不维护状态。长期不维护的蓄电池组容易因漏液、过放、发热等因素导致失效，由此可能引发设备系统的重大故障。因此，设计一种简便的方法对蓄电池进行实时监测是非常有必要的。

本检测系统利用STC单片机作为核心控制器，结合A/D转换电路、数据处理电路等实现对蓄电池工作状态的实时检测，利用液晶显示屏来显示蓄电池实时温度、蓄电池电压、蓄电池内阻等检测参数。

2 检测系统总体结构

本蓄电池检测系统由蓄电池工作电路、数据处理模块、数据采集控制模块以及显示监控模块组成，系统总体框架如下图所示。

图1 系统结构示意图

2.1 STC2C5A60S2控制器

蓄电池检测系统宜设计成手持式便携设备，应选用小型轻便的控制器来实现系统的控制要求。STC2C5A60S2系列单片机较传统8051速度快8-12倍，是高速、低功耗、抗干扰强的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051。除此之外，该控制器内部设备非常丰富，如内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换（250k/s）等，有效地降低了检测系统的设计成本及设计难度，符合检测系统简易操作及便携式低成本的要求。

2.2 数据处理模块

在充放电的电路中，电压经过整流器的整流，然而在实际使用过程中，电路中的电压依然存在着波动变化，将会对电压数据的采集造成一定的影响，并且在在整流电路输出电压之后仍然存在着一些谐波分量。为了去除噪声对控制系统的干扰，提高系统的稳定性，本系统采用π型整流滤波电路对检测系统信号进行处理。本系统采用AD620放大器对温度信号、电流信号等进行放大，其增益可达到1-10000且具有设计简单、功耗低、噪声小等优点。

2.3 数据采集控制模块

数据采集控制模块决定了检测系统的精度，AD转换电路又是数据采集控制模块的核心，因此AD芯片的选择决定了检测系统的精度水平。在此选用高精度、低功耗的双通道16位差分的AD7705芯片。该芯片采用CMOS结构，确保器件的低功耗以及掉电模式下的低损耗，AD7705芯片16位能够满足检测系统0.1%-0.5%毫伏的精度要求，此外该芯片还包括系统校准和自校准选项，通过该选项可以芯片本身及系统带来的增益和偏移误差。

图2 AD7705功能框图

3 检测系统设计

检测系统设计主要包括蓄电池电压、温度、内阻测量电路以及各测量电路与AD转换电路之间的连接等。

3.1 电压测量电路

蓄电池充电过程中电压已经经过整流器进行整流，不过电压依然存在着一定的起伏变化，会影响到蓄电池电压数据的采集精度。因此为了提高蓄电池两端电压的稳定性和提高数据的采集精度，在此采用单向桥式π型全波整流滤波电路，同时采用OP07电压跟随器实现电路前、后级之间的隔离。

经过整流电路和电压跟随器的处理后可以得到较为稳定的电压信号，电压范围在1.75V-2.4V之间，可以将该电压信号直接送至AD7705指定的通道，将其变为数字信号后便于处理器进行处理。

3.2 温度测量电路

在工业测量中应用最多的温度测量传感器是PT100，该传感器测量精度高、性能可靠稳定。本温度测量电路中采用三线制电路接法，该接法的优点是PT100两边桥臂上的导线长度相同，能够消除接入导线的电阻，其测量精度比二线制测量电路高很多。但其转换为的电压信号范围比较小，需要利用AD620进行信号放大处理，放大倍数由相应的变阻器决定，电路设计图由下图所示。

图3 三线制桥式测温电路图

3.3 内阻测量电路

蓄电池的内阻很小，并且在不同状态下其内阻值不一样，一般将电池内阻分为充电状态内阻和放电状态内阻。通常情况下放电状态下的内阻不稳定，测量结果亦超出正常电阻值；充电状态下内阻比较稳定，具有较为实际的使用意义。

通过对蓄电池的阻抗谱分析处理，建立蓄电池内阻等效电路并简化内阻模型即可简化内阻的分析与计算，如图4所示。本检测系统采用交流注入法测量内阻，通过对蓄电池注入恒定频率和恒定幅值的交流信号IS,检测出蓄电池所对应的电压信号V0，同时将IS 、V0的相位差ϕ测量出，根据欧姆定律Z= V0/IS，R=Zcosϕ可以推算出实际内阻R。本系统中选用ICL8038高精度的波形产生芯片，它能够生成稳定的0.001HZ至300KHZ的高精度方波、锯齿波和正弦波等，设计电路如图4所示。

图4 蓄电池交流阻抗测量电路原理图

图5 激励信号源原理图

通过电路可以看出，调整电路中的R1、R2和C的大小可以得到所需频率的正弦波信号，通过调整R3的值能够调整正弦波的幅值，进一步得到所需幅值的信号，同时利用UA741跟随器来增加激励信号的驱动力。

3.4 AD7705数据采集电路

本系统需要监控蓄电池的电压、温度以及内阻参数，因此系统需设计电压、温度级内阻的采集电路，在此采用16位双通道差分输入串行输出AD7705转换器进行模拟数字采样，其与STC2C5A60S2控制器的连接线路根据AD7705的管脚功能将SCLK、DIN、DRDY、DOUT引进与单片机相应的控制口相连用于采集电压、温度信号以及用于内阻的测量。

4 测试结果分析

采用本测试系统对两节蓄电池进行测试，蓄电池容量为：12V，7.0Ah。分别测得电池电压、温度、内阻结果如表1所示。测试结果可看出经过本测试系统的测量电压参数为12.71，使用万用表测量值为12.70，测量结果误差小于2%；电池温度误差小于0.8%。测试结果可看出测量精度满足实际工作需求，在经过长时间的测试运行后，系统运行状态良好。

表1 系统测试结果对比图

[1]STC2C5A60S2系列单片机器件手册[s],2011:8-9.

[2]仇国庆.AD7705/7706在仪器仪表中的应用[J].自动化与仪器仪表,2001(6):43-4.

[3]黄胶,刘修峰,陆晓春,丁彦,吴明春.嵌入式智能磷酸根分析仪的设计[J].自动化仪表,2011(1):73-75.

[4]李巍,于复生,孙永亮,王雪,魏志国.基于STC单片机的蓄电池检测修复仪的研究[J].山东建筑大学学报,2009(4)：313-316.

孟荣爱.基于ARM的蓄电池检测仪的研制[D].山东:山东轻工业学院,2012.

彭育强/1987年生/男/硕士/助理实验师/研究方向为控制工程