一種新型的干電池放電特性測量儀

余會娟

（安徽醫學高等專科學校醫學技術系，安徽 合肥230601）

干電池的放電特性測試儀是測量電池加上負載電路后，電池兩端的負荷電壓、電流和放電時間，跟蹤并記錄電池達到電流、電壓預設的下限值，并描繪整個放電過程中負荷電壓隨時間變化的關系，從而準確地反映出電池的容量特性。本設計采用STM32單片機完成對干電池放電特性數據的采集和對其他模塊的控制，采用ULN2803驅動繼電器控制8種負載阻抗的選擇，并設計了相應的驅動電路。通過ARM STM32-cortex-m3單片機可完成電壓的采集并將電壓值直接顯示在液晶1602上。根據歐姆公式計算出電流的測試結果，然后通過ARM STM32-cortex-m3單片機A／D采樣顯示。另外，使用存儲芯片24C02實現了下限電壓和電流值的存儲，用存儲芯片W25X16保存采集到的數據長度，最后通過按鍵來實現各部分功能的控制和顯示；在干電池放電曲線顯示方面，采用32x64點陣加一塊獨立于主控制器的單片機對其進行控制和顯示。此干電池放電特性測試儀原理及外圍電路簡單，便于實現，而且準確度高。

1 系統方案設計

基于ARMSTM32-cortex-m3單片機強大的系統功能和低成本、低功耗的特點，此干電池放電特性測試儀采用其作為主控制器。利用其內置的中斷控制、存儲器保護以及系統的調試和控制功能來完成對干電池放電特性進行準確而可靠的采集。由于要完成至少8種負載阻抗選擇，考慮到軟硬件的合理化分配，采用繼電器ULN2803實現各負載的通斷控制，便于檢測且可靠性強。為了完成對電池的自動加載、自動檢測、循環采樣、自動分析處理采樣結果、記錄電池的各項參數指標和達到特定電壓值所經歷的時間，特設計系統總體框圖，如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 部分單元模塊設計

2．1 按鍵控制模塊

按鍵K1：開啟多個斷續放電和終止測試電壓設置，查看存儲器中存儲的電壓電流值，進行負載選擇并顯示時間；按鍵K2：開啟和關閉電池放電特性的采集；按鍵K3：實現從左到右的數值切換，在主界面時按下可進行電池的串并聯和單節模式的選擇；按鍵K4：在數據設置位中，實現對當前數值加一，在電池模式選擇界面中，可進行切換。按鍵控制電路圖如圖2所示。

2．2 負載電路模塊

給驅動芯片ULN2803的輸入管腳加高電平，使繼電器吸合；加低電平，使繼電器釋放，實現電路的通斷，來完成負載阻抗的選擇。電路負載選擇模塊電路如圖3所示。電路中的按鍵是實現對具有存儲電荷的電子元器件進行放電，來消除對電池特性的影響。

2．3 存儲模塊

數據存儲模塊電路如圖4所示。存儲器24C02是一種采用I2C總線結構的小容量集成存儲電路，組成系統結構簡單，占用空間小，芯片管腳數量少，無需片選信號，允許若干兼容器件共享總線，在此系統設計中主要用于對單獨的預設門限值進行存儲。

存儲芯片W25X16的存儲容量可達到2M的字節，容量大、傳輸速率可達75MHz、低能耗，寬溫度范圍、操作較簡單。它是理想中的大容量存儲芯片，在此系統設計中主要用于對每秒采集的數據進行保存。

2．4 電池檢測模塊

圖3 電路負載選擇模塊電路圖

圖4 數據存儲模塊電路圖

圖5 電池檢測模塊電路圖

電池檢測模塊電路如圖5所示。單片機ARMSTM32-cortex-m3控制U1：ULN2803和U2：ULN2803（電路選擇負載電路中）的輸出端口，分別控制電路中的4個繼電器，實現對電池的串并聯以及單獨電池供電的選擇。電路中的DA1和DA2分別是對電池兩端的電壓、電流進行檢測的檢測點，檢測到的數值通過單片機內部的A／D轉換，得到電壓和電流值，并顯示在液晶顯示屏上。

2．5 顯示模塊

采用LED64＊32點陣屏加1塊高速單片機，專門負責曲線的繪制和處理；它們構成一個獨立的模塊，便于顯示。顯示的方式為：主控制器將待顯示曲線數據送入24C02中暫存，由點陣自帶的控制器從24C02中取出數據，處理繪制于LED64＊32屏上，曲線的函數是放電電壓與時間的關系，顯示在LED64＊32點陣屏上。

3 干電池放電特性測試儀軟件設計

本系統程序設計，以主程序為中心，使用按鍵中斷服務子程序，來切換主程序的工作模式。圖6為系統流程圖。

3．1 電壓采集顯示部分子程序

通過單片機ARMSTM32-cortex-m3控制ULN2803的輸出端口，來控制電路中的4個繼電器，實現對電池的串并聯以及單獨電池供電的選擇。檢測到的數值通過單片機內部的A／D轉換，顯示到1602液晶屏。電壓顯示程序如下：

圖6 系統流程圖

3．2 電流采集顯示部分子程序

采用ULN2803驅動繼電器控制8種負載阻抗的選擇，根據歐姆公式計算出電流的測試結果，然后通過單片機A／D采樣將其顯示出來。電流顯示程序如下：

4 測量結果

打開系統電源，首先通過按下相應的按鍵進入電池選擇界面，對電池（單節電池、兩節串聯、兩節并聯）進行選擇，其次再通過相應的按鍵進入負載選擇界面，對負載進行選擇，選擇完后返回到主界面，按下開啟鍵進入對電池的電壓、電流的放電采集界面，對電池的電壓、電流放電數據進行采集，并將采集的數據顯示在顯示屏上（同時數據被保存在大容量的存儲器中），直接觀察即可得到測試值。測試結果如表1所示。

表1 干電池放電電壓、電流數據測試結果

5 結語

干電池放電特性測試儀主要由電池檢測模塊、繼電器ULN2803驅動模塊、大小容量存儲模塊和液晶顯示模塊組成，采用按鍵選擇測量模式，完成對干電池放電數據的采集處理和終止電壓值的預設。從測試結果看，能夠很好地實現電壓電流值的采集、存儲和顯示。系統還可以在電路布局、抗干擾性等方面進行改進，進一步提高穩定性和可靠性。

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