基于AVR單片機(jī)蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)儀的改進(jìn)與設(shè)計(jì)

張利國，竇滿峰，高 靜，陳 剛

（1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710129；2.東北石油大學(xué)，河北秦皇島 066004；3.中國石油測(cè)井有限公司技術(shù)中心，陜西西安 710077）

隨著應(yīng)急電源普遍應(yīng)用，其重要維護(hù)對(duì)象蓄電池成為人們研究的目標(biāo)，與蓄電池容量密切相關(guān)的內(nèi)阻檢測(cè)視為主要研究內(nèi)容，雖然內(nèi)阻檢測(cè)不能直接體現(xiàn)電池的剩余容量，但卻能體現(xiàn)其性能的劣化程度[1]。蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)集中在以下幾個(gè)方面：（1）不同應(yīng)用場(chǎng)合方法的選取[1]；（2）方法的改進(jìn)，文獻(xiàn)[2]中提到將直流放電法進(jìn)行改進(jìn)，提出了二次放電法，鑒相法[3]處理交流注入法中的相位差；（3）檢測(cè)精度的提高，文獻(xiàn)[4]提到DDS技術(shù)應(yīng)用蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)精度。

本文吸取以往的研究經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)消防應(yīng)急電源和民用蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)（電動(dòng)車）應(yīng)用，從便攜式角度出發(fā)，采用交流注入法，優(yōu)化了內(nèi)阻檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)了相位差檢測(cè)方法，將硬件濾波與軟件濾波技術(shù)充分的利用于設(shè)計(jì)中，充分保障了儀表的精準(zhǔn)度。

1 內(nèi)阻檢測(cè)方案

1.1 內(nèi)阻檢測(cè)原理

圖1 內(nèi)阻檢測(cè)原理圖

1.2 內(nèi)阻檢測(cè)方案優(yōu)化

內(nèi)阻采集方案主要包括信號(hào)源、信號(hào)采集和信號(hào)處理。采用交流注入法均涉及到信號(hào)源模塊的設(shè)計(jì)，本方案信號(hào)源采用工頻50 Hz交流電，經(jīng)降壓濾波直接得到，省去了以往信號(hào)源的設(shè)計(jì)和需要解決的功率放大問題；處理器采用8位高檔AVR單片機(jī)ATmega64L，其具有內(nèi)部IO的ADC，可省去外部A/D硬件電路設(shè)計(jì)。因此硬件電路設(shè)計(jì)得到了大大的優(yōu)化。

1.3 數(shù)字移相技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)應(yīng)用

對(duì)于蓄電池上電壓和電流之間的相位差θ的測(cè)量是內(nèi)阻測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵，本文通過數(shù)字移相技術(shù)的理論[5]，提出了一種新的測(cè)量相位差θ的方法，原理框圖如圖2所示。

圖2 相位差θ檢測(cè)原理

工作原理是：作為參考信號(hào)的ua經(jīng)整形后得到方波信號(hào)uA，再利用鎖相技術(shù)對(duì)uA作3 600倍頻，并將此倍頻信號(hào)作為單片機(jī)中的計(jì)數(shù)脈沖，以此來產(chǎn)生測(cè)量移相的實(shí)際值。由于計(jì)數(shù)脈沖是通過鎖相環(huán)產(chǎn)生的，在鎖相環(huán)允許的頻率范圍內(nèi)，計(jì)數(shù)脈沖始終是uA信號(hào)的3 600倍，因此，可以看成是將uA信號(hào)的一個(gè)信號(hào)周期分為了3 600份，且允許uA的頻率可在一個(gè)小的范圍內(nèi)波動(dòng)。若一個(gè)信號(hào)周期為360°，那么在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖即代表0.1°。可記錄uA和uB兩個(gè)信號(hào)的上沿（或下沿）間的脈沖個(gè)數(shù)來獲得兩信號(hào)的相位差θ，單片機(jī)可通過兩個(gè)外部中斷來實(shí)現(xiàn)。

1.4 軟硬件濾波技術(shù)

為提高儀表的測(cè)量精度和較好的魯棒性，設(shè)計(jì)在采用硬件濾波的同時(shí)，也采用了軟件數(shù)字化濾波。為避免采樣數(shù)值波動(dòng)引起顯示跳動(dòng)而產(chǎn)生的誤差，應(yīng)用數(shù)字慣性濾波法[6]抑制采樣數(shù)值的波動(dòng)，即采用AVR單片機(jī)軟件來模擬阻容低通濾波電路，以消除抖動(dòng)及高次諧波分量的影響，實(shí)現(xiàn)數(shù)值穩(wěn)定。

2 儀表硬件設(shè)計(jì)整體方案

內(nèi)阻檢測(cè)儀主要是在提高內(nèi)阻測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，采用8位高檔AVR單片ATmega64L作為MCU，內(nèi)阻儀可實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的檢測(cè)、信號(hào)相位差測(cè)量、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、內(nèi)阻顯示和485通信等功能。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用通用性較強(qiáng)的C語言完成，程序結(jié)構(gòu)清晰，功能實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)容涉及全面，無死機(jī)現(xiàn)象。程序流程圖如圖4所示。主程序完成初始化后判斷是否有鍵按下，如有鍵按下就進(jìn)行按鍵功能處理，處理后轉(zhuǎn)回原結(jié)點(diǎn)繼續(xù)向下進(jìn)行，完成A/D轉(zhuǎn)換、相位檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，最后送液晶顯示。

圖3 整體方案框圖

圖4 主程序通信中斷程序流程圖

3.2 485通信程序設(shè)計(jì)

另外硬件設(shè)計(jì)了485通信接口，數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳。485通信采用工業(yè)通用的Modbus-RTU通信協(xié)議，數(shù)據(jù)可上傳具有此協(xié)議的工控軟件，通信程序采用中斷方式處理，主要包括中斷入口判斷、功能判斷、組織應(yīng)答和發(fā)送應(yīng)答。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

內(nèi)阻檢測(cè)儀用軍品級(jí)千分之一精度電阻進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明此內(nèi)阻檢測(cè)儀的精度可控制在3%以內(nèi)。內(nèi)阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用蓄電池為圣陽SSP12-7（12 V 7.0 Ah），其參考內(nèi)阻為25.0mΩ。實(shí)驗(yàn)條件是將電池1 A充電充滿，再用1 A進(jìn)行放電，放電4 h，測(cè)試放電前內(nèi)阻、放電后內(nèi)阻及結(jié)束電壓，得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于不同塊電池不同次數(shù)的測(cè)量，電池充滿電的初始狀態(tài)蓄電池的一致性較好；

表1 蓄電池放電前后內(nèi)阻測(cè)量數(shù)據(jù)

（2）放電后不同電池的內(nèi)阻和結(jié)束電壓有差異，差異的產(chǎn)生是由于放電電流造成的，可以看出，內(nèi)阻和結(jié)束電壓符合電流大小與放電深度的關(guān)系；

（3）隨著放電的進(jìn)行，蓄電池內(nèi)阻隨之增大，說明其與蓄電池容量有一定的相關(guān)性；

（4）另外，可以斷定如果內(nèi)阻突然增大則預(yù)示著蓄電池的壽命即將終止。

5 結(jié)語

本內(nèi)阻測(cè)試儀器具有獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)，在硬件設(shè)計(jì)中，本著提高設(shè)計(jì)的可靠性和精度的原則，盡可能的采用流行的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)和方法解決實(shí)際問題。本設(shè)計(jì)已經(jīng)在EPS智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行使用，經(jīng)過一段時(shí)間的在線監(jiān)測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，內(nèi)阻檢測(cè)已能夠滿足實(shí)際需要。

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