基于單片機技術堿錳電池性能檢測儀的設計

周 蕓，范 麗

(西安工業大學，西安 710021)

1 引言

堿錳電池作為現代的高性能電池，具有很高的性價比，其發展速度驚人。為了保證其內在質量，在出廠前，對其性能進行檢測是必不可少的。開路電壓和短路電流是檢查堿錳電池最常用的二參數［1］。開路電壓檢測時電池處于高阻態，誤差較小［3］。對于短路電流，測量時，除了電池的內阻外，外接電路的電阻應該等于零。但是這是不可能的，因為如果外接電路電阻為零，就不能測得電流的數值了。經過筆者查閱大量的資料發現，前幾年很多學者研究短路電流時，用的是四線制結合小電阻放電的方法［3］，但是并未考慮 GB7112—86中規定的測量短路回路的電阻要小于10mΩ［2］。在此提出了一種全新的堿錳電池檢測方法，采用MAX4070雙向，高邊，緊湊型電流檢測放大器，克服了常規方法的缺點，實現短路電流的高精度測量。基于此將設計一種以STC90C516RD+單片機為控制核心的全自動快速堿錳電池性能檢測儀。

2 相關理論技術及開發環境

2.1 相關理論技術

單片機作為高新技術之一，以其體積小，功能強大，價格低廉等優勢，獲得很好的性價比，廣泛應用于各種儀表儀器領域以及工業自動化控制中［2］。堿錳電池性能檢測儀使用單片機作為其核心，主要用于控制檢測裝置的工作，以及和上位機進行通信，將數據通過串口傳至上位機。設計該系統主要用到的相關技術是:單片機接口技術、抗干擾技術、顯示技術、電子線路設計技術。

2.2 開發環境

設計該系統的開發環境包括硬件方面和軟件方面。硬件方面包括:電路原理圖和PCB圖設計軟件Altium designer 09，將程序燒寫入單片機的燒寫軟件STC_ISP_V488;軟件方面包括:單片機程序編寫調試軟件Keil C等。

3 檢測儀硬件電路設計

3.1 硬件電路組成

該裝置的硬件電路包括:電池電流電壓檢測電路、按鍵電路、數據采集電路、LED顯示電路、串口通信電路。硬件電路邏輯圖如圖1。下面主要講述檢測電路和數據采集電路。

圖1 硬件電路邏輯圖

3.2 開路電壓，短路電流檢測電路

對于電池開路電壓的檢測技術，國內外現已比較成熟，而且誤差也小。但是目前電池短路電流的檢測技術還不是很完善，很難達到GB7112—86里的回路電阻小于10mΩ的要求。前人有研究過，是將十個MOS管并聯，使其回路電阻小于10mΩ［2］。這樣有點浪費成本。因為不同的測量時間就可以得到不同的短路電流。接通時間短，其短路電流讀數就大;接通時間長，則測得的電流就會小一些。而且溫度也能影響短路電流值。并且電池直接短路，對電池的損壞會很大。考慮到以上的影響因素，該設計將對同一批次的電池在相同溫度下進行短路電流測量。其中采用電流檢測放大器MAX4070，可提高測量精度。其響應時間、線性度、漂移等指標均很理想，且能適合大范圍大電流的測量，經過驗證和測試，很好的滿足設計要求。如圖2為開路電壓、短路電流檢測電路［4－6］。參考芯片資料上的推薦組件值，本設計Rsense準備選用5mΩ的康銅電阻(該電阻熱穩定性好，漂移小)，當電池符合標準時，在理想情況下短路電流為10A，選用MAX4070的100倍增益得到Vout為5V的標準輸出。而5V是模數轉換器PCF8591的參考電壓值，此情況下，轉換的精度是最高的。由于GB7112—86要求，檢測短路電流的回路電阻需要小于10mΩ，選用上述電阻串聯上兩個并聯的MOS管IRF3205，一個MOS導通電阻為8mΩ，兩個并聯為4mΩ，加起來是9mΩ，所以能滿足國標要求。當然為了獲得更精確的值以及更符合芯片的要求，在設計電路時加上了保護電路，使用兩個肖特基二極管并聯，用于電壓鉗位，來限制該點的電壓值。從而使得輸出電壓更穩定，對電路起保護作用。在MAX4070后，接了一個電壓跟隨器可以提高原來電路帶負載的能力，用作緩沖作用。

MOS管是為了切換開路電壓和短路電流檢測的。當MOS管導通時檢測短路電流，不導通時檢測開路電壓。

數模轉換芯片，運用了PCF8591，它是單電源低功耗8位CMOS數據采集器件，具有4個模擬輸入，一個模擬輸出和串行I2C總線接口。3個地址引腳A0，A1和A2用于編程硬件地址，允許8個器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件的地址、控制和數據通過兩線雙向I2C總線傳輸。

圖2 開路電壓，短路電流檢測電路圖

3.3 信號隔離電路

檢測電路中，MOS管電路和MOS管的驅動部分如果處于同一個電源系統下，當MOS管電路發生意外時，就有可能影響到驅動部分的電路，從而影響整個系統的工作。所以考慮用光耦將MOS管電路部分與MOS管驅動部分相隔開，那么即使MOS管部分有問題也不會影響到其他部分的問題出現。如圖3，R45和R44，Q3三個元件來驅動光耦，用三極管的主要目的是提供給光耦開啟所需的充足電流。當P1.4口為高電平時，Q3三極管導通，光耦內部二極管被導通，有電流流過二極管內部，光耦右側的三極管被導通，所以CTL_TEST端被拉低，檢測電流電路中的MOS管不被導通，開始檢測開路電壓。反之就開始檢測短路電流［5］。

3.4 按鍵電路

該設計為了節省光耦器件和I/O口資源，采用了74LS148這種8－3編碼器，只有當EI低，有按鍵按下時才開始編碼，因為設計中只需要六個鍵盤，所以0、7輸入口不使用給以高電平處理。根據真值表可以確定如果按下K1鍵，則輸入口就是1011111，則輸出為110，導通兩個光耦，單片機的 P1.3，P1.2，P1.1口的電平為001，則單片機識別第一個鍵盤被按下，執行相應的動作。以此類推。按鍵電路如圖4［4］。

圖3 信號隔離電路圖

另外，編碼器的輸出口和單片機的I/O口用光耦器件相連，起到一個隔離作用。

圖4 按鍵電路

4 檢測儀軟件設計

該設計通過Keil uVision4集成開發環境設計實現單片機控制程序，簡單測試系統，編譯后生成Hex文件寫入單片機進行硬件部分工作。

單片機控制部分由初始化模塊、按鍵管理模塊、電池參數檢測模塊、AD轉換模塊、顯示模塊等五部分組成。軟件流程總框圖如圖5所示。

(1)初始化模塊是在單片機上電復位后，首先進行系統參數，I/O口、各變量存儲單元、狀態變量等初始化。

(2)鍵盤模塊，采用74LS148編碼器，節省I/O口，并且軟件編程極為方便。當按下哪個鍵時，對應單片機的I/O就是哪個數字。

(3)電池參數檢測模塊采用P1.4口來控制短路電流和開路電壓的檢測，P1.4口為高電平時，MOS管不導通，電路處于開路狀態，檢測的是開路電壓;P1.4為低電平時，MOS管導通，電路處于短路狀態，檢測的是短路電流。

(4)AD轉化模塊，本模塊采用的數模轉換器是PCF8591。它是靠I2C總線的數據線SDL和時鐘線SCL與CPU聯系，由軟件決定電壓和電流數據的采集時間和數據的存儲以及送去顯示。執行代碼如下:

(5)選用八位共陰極數碼管動態顯示電池的開路電壓和短路電流值，還可以顯示當時的電池總數和正次品數。段選是用74HC573來控制的，因為單片機可以控制鎖存器的鎖存端，進而控制鎖存器的數據輸出。鎖存器的鎖存端由單片機的P1.0口來控制。位選使用74LS138譯碼器來驅動，38譯碼器可以節省單片機的I/O口，它的三個輸入端分別由單片機的 P2.2，P2.3，P2.4 口來控制。

該系統在軟件中還采用了數字濾波技術中的算術平均濾波，來提高抗干擾性。

圖5 軟件流程總圖

5 結 束 語

該堿錳電池檢測儀操作簡單，測量精度高，開路電壓的測量范圍:0－1.8V，開路電壓分辨率為0.008V。短路電流的測量范圍:2－10A，短路電流的測量分辨率為0.04A。并且本系統采用AT24C02的掉電保護功能，防止數據丟失，以及采用了軟硬結合的抗干擾技術，提高系統的可靠性。

［1］王力臻，馬鳳菊，谷書華，等.短路電流極其影響因素［J］.電池，1999，26(6):1 －2.

［2］于海峰.電池性能快速檢測系統的研究［D］.哈爾濱:東北林業大學，2001.

［3］楊明.堿錳電池在線質量檢測技術研究［D］.天津:河北工業大學，2002.

［4］Sergio Franco.Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits［M］.Xi’an:Xi’an jiaotong University Press，2009.

［5］郭天祥.新概念51單片機C語言教程［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［6］華成英，童詩白.模擬電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社，2006.