基于ＬＭ７４１的汽车蓄电池低电量报警系统设计

刘方　林素敏　单鱼洋

摘要：以蓄电池为研究对象，提出了基于LM741的汽车蓄电池低电量报警系统的设计，重点对低电量报警装置的系统组成和工作原理进行分析，并结合实际验证了此设计方案是可行的，为后续的蓄电池管理起到借鉴作用。

关键词：蓄电池;低电量;报警系统

中图分类号：U467.3         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）11-0118-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.11.029           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of low power alarm system for automobile battery based on LM741

LIU Fang1，LIN Su-min1，SHAN Yu-yang2

（1.Department of Electromechanical Engineering，Yangling Vocational & Technical College，Yangling 712100，Shannxi，China;

2.Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering，Xian University Technology，Xian 710048，China）

Absrtact： Taking battery as the research object， this paper puts forward the design of low power alarm system of automobile battery based on LM741， and analyzes the system composition and working principle of low power alarm device. The design scheme is proved to be correct and feasible， which can be used for reference for the subsequent battery management.

Key words： battery; low power; alarm system

近年来，随着新技术的不断发展，蓄电池作为电源不仅在交通（铁路、地铁、船舶）[1-5]、发电[6，7]、通讯[8，9]、航天[10，11]、化工[12]、传统汽车[13]等行业发挥着重要的作用，而且也已经开始作为动力电源或动力辅助电源应用于电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）领域[14]。与一次性充电电池相比，蓄电池两个显著的特点是多次循环利用和高效节能[15-18]。汽车在未启动时必须依靠蓄电池给启动机供电直至拖动发动机转动。当蓄电池电压不足或者蓄电池发生损坏时，就难以提供足够的动力，导致发动机不能运行。例如，行驶过程中，驾驶员并不能准确地判断蓄电池工作状况，只能通过感觉、观察等方式进行判断，这样往往會造成误判，甚至会引发严重的后果。因此，如果能对蓄电池电量及蓄电池装置的状态进行实时监控的话，不但是对设备的保护，更重要的是对安全的保障。

蓄电池电量是保证其正常工作的基本条件。任何电器设备必须在电压稳定的情况下才能正常工作，蓄电池也一样，其输出电压会随蓄电池电压的降低而降低，这样就会对为其供电的设备产生严重的影响。本系统就针对此种情况设计了汽车蓄电池低电量报警系统，当蓄电池电压降低到一定极限值时，电路通过安装声光信号报警系统判断蓄电池是否正常工作，提醒用户采取相应的措施（即再次充电或更换电池）。

1  LM741的工作原理

LM741为双电源集成运算放大器，是美国国家半导体公司的产品，通常被应用于汽车放大电路中，或者在汽车电路中用作电压比较器。图1为LM741的引脚图及其各引脚的功能。该系统中LM741工作于非线性区，构成电压比较器。其功能是对送到集成运放输入端的两个信号（模拟输入信号和参考信号）进行比较，并在输出端以高、低电平的形式得到结果。它的两个输入电压中，一个是基准电压，另一个是被比较的输入电压，当两个电压不相等时，集成运放输出的电压不是等于正电源电压就是等于零，即在输出端只输出两种电压值，正电源电压或者零。图2为同相输入的电压比较器及其电压传输曲线。集成运放的同相输入端和反相输入端分别引入的是输入信号ui和参考电压信号Uref。LM741作为电压比较器使用时就是比较的输入电压和参考电压之间的大小，当ui>Uref时，集成运放输出高电平，即uo=UCC;当ui

2  系统总体方案设计

汽车蓄电池低电量报警系统主要由基准电源电路、取样电路、电压比较器电路和输出电路4部分组成。基准电源电路由稳压管和限流电阻组成，加到电压比较器的反相输入端，并为其提供基准电压;取样电路由两个电阻串联组成，形成串联分压作用，作为整个电路的输入信号，且取蓄电池电压的一部分和基准电压相比较;电压比较器电路通过比较基准电源电路的电压和取样电路电压的大小来判断输出高电平还是低电平;输出电路通过接受到的电压比较器的输出电压，判断发光二极管是否处于导通状态，从而发出报警信号，提示蓄电池电量过低。该报警系统的结构如图3所示。

3  系统硬件电路设计

汽车蓄电池低电量报警系统硬件电路如图4所示，该系统主要包括电压比较器LM741、电阻、稳压管及LED等部分。

3.1  基準电源电路

基准电源电路由限流电阻R2与稳压管VDZ两部分组成，该系统把稳压管的稳定电压作为比较器LM741的基准电压，并将其连接到LM741的反相输入端。其中R2=100 k？赘，稳定电压值为5 V。

3.2  取样电路

R1、R3串联连接组成取样电路，接在LM741的同相输入端。R1、R3阻值相等，均取100 k？赘，形成串联分压，中间点为取样电压，即取蓄电池电压的一部分作为检测电压也即输入电压。

3.3  输出电路

R4和LED构成输出电路，R4=1 k？赘，起到限流的作用。根据电压比较器输出端的电压值确定LED是导通还是截止，即利用发光二极管是否发光达到电路报警的目的。

3.4  报警原理

当蓄电池电压高于10 V，也即取样电路的电压超过5 V时，输入信号电压高于基准电压，则LM741输出高电平，此时输出电压为蓄电池电压（10～12 V）。由图4可以看出， 6引脚电位明显高于7引脚电位，致使发光二极管因承受反向电压而不发光，表示蓄电池电压正常，报警作用不启用;当蓄电池电压低于10 V时，输入信号电压（小于5 V）低于基准电压，则LM741输出低电平，即输出电压为零，此时7引脚电位高于6引脚电位，LED因承受正向电压而导通，发光提示蓄电池电量过低，报警作用启动。

3.5  系统接线图

图5为汽车蓄电池低电量报警系统接线结构。把汽车蓄电池通过汽车钥匙开关接到电压比较装置，并为汽车电路负载（照明系统、仪表系统等）提供电源，当蓄电池电压正常时，负载电压正常，车辆能正常启动，仪表系统等能正常显示和工作;当蓄电池电压过低时，电压比较装置通过比较判断，发出灯光报警信号，同时电源电压达不到系统所需电压水平，相应的照明、仪表等系统将不会运转。

4  系统试验结果

根据以上分析，将汽车蓄电池接于所设计的硬件电路中做报警试验（表1）。从表1可以看出，当蓄电池电压低于10 V时，报警指示灯点亮，当蓄电池电压高于10 V时，报警指示灯熄灭。因此，该电路可满足在蓄电池电压低于10 V时报警，直至蓄电池再次被充电至10 V以上时停止报警，蓄电池输出电压在10 V以上时报警系统不起作用，充分说明该电路的设计方案是正确可行的。

5  结论

试验所设计的基于电压比较器LM741的汽车蓄电池低电量报警系统结构简单，便于操作。经试验验证，在应用过程中效果良好，能够起到对汽车蓄电池组的科学管理作用，具有较高的参考价值。

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