華紅艷，宋偉，孫珍珍，王藝，張海青（.鄭州航空工業管理學院；.鄭州大通專利商標代理有限公司，鄭州450000）

基于單片機的蓄電池監測系統研究與設計

華紅艷1，宋偉1，孫珍珍1，王藝1，張海青2
（1.鄭州航空工業管理學院；2.鄭州大通專利商標代理有限公司，鄭州450000）

針對蓄電池的基本工作情況，分析和研究了蓄電池的主要性能指標及檢測方法，介紹了關鍵的測量原理與算法以及系統硬件與軟件的設計；通過實時監測蓄電池的充放電參數，確保蓄電池正常工作，也便于發現損壞的或者性能顯著降低的蓄電池，有益于蓄電池的維護。

蓄電池；單片機；在線監測

0　引言

目前，許多設備諸如電動自行車、電動汽車電源系統中蓄電池在線監測問題越來越為人們所關注，這些電源的關鍵部件是大功率蓄電池組。由于蓄電池組是由多個單體蓄電池串聯組成的，單個蓄電池故障就會影響到整個系統，所以對蓄電池組進行定期檢測和在線實時監測，及時發現性能降低的電池，將可提高電源的可靠性。通過預測可以對蓄電池容量隨時進行估計，快速而全面地評估蓄電池的狀況，以便及早發現蓄電池的潛伏性故障，從而提前對蓄電池運行狀況做出診斷，避免和減少事故，保證蓄電池組供電系統的安全穩定運行。

1　系統研究指標

研究蓄電池在線監測系統的關鍵是正確監測端電壓、電池的剩余電量和電池溫度，估算出電動勢、電池內阻，從而對電動車的用電進行管理以及防止電動車運行時產生對電池的傷害。蓄電池的端電壓是在正負極上實際測得的電壓。蓄電池的工作狀態不同，端電壓也不同。當蓄電池放電時，它的端電壓為U=E－IR。蓄電池的剩余電量與蓄電池的端電壓之間有一定的關系，因此蓄電池剩余電量是在一定的條件下通過與端電壓之間的關系取得的。蓄電池體的溫度是蓄電池的重要標志參數，對電池的性能有很大影響。當電池溫度過高時勢必影響到電池的工作效率和壽命，故溫度的測量不可少。本文以鉛酸蓄電池為研究對象，由于鉛酸電池本身的特殊性，其荷電狀態受放電電流、本身退化等諸多因素的影響，本文通過對蓄電池的內阻和電動勢測量，采用了一種特殊的直流檢測法，希望提高對蓄電池體溫度、電池電動勢、電池內阻及剩余電量測量的精度。另外這種方法不研究蓄電池的相對比較復雜的內部化學機制，簡單易行。

2　系統測量原理

2.1內阻和電動勢測量與計算

系統的測量模塊對蓄電池的電壓測量的電路原理圖如圖1所示。

其中，R1為電池內阻，E為電池電動勢,U1、U2分別為Q1截止和Q1導通時的端電壓，I1、I2分別為流入測量模塊的電流，I21為流過R2的電流，I22為R6的電流。

由此可求出蓄電池的內阻和電動勢：

其中R2、R5、R6的電阻值為已知，且電路中R5= R6、R7=R8，測量模塊需要測量的量有端電壓U1、U2，晶體管Q1導通時電壓Uc。系統將電流傳感器串聯接在測量電路上，精確測量電路電流I1、I2。單片機通過P1.0～P1.3管腳控制多路選擇器CD4051的輸入A、B、C，來分別選通8通道中的X1、X2、X4通道電路通道，并控制晶體管Q1的導通與截止，從而測量出U1、U2、UC。單片機輸入控制與通道輸出的對應關系如表1所示。

表1　 CD4051輸入與測量輸出的對應關系表

測得的各參數經運算放大器和高速光耦，進行隔離放大后接到A/D轉換電路進行A/D轉換。

2.2剩余電量的測量

蓄電池的剩余電量是指在放電允許的范圍內，蓄電池某一時刻剩余的容量，它是隨時間變化而變化的量，同時也是衡量蓄電池優劣的主要指標。通過實驗發現，鉛酸蓄電池的剩余容量C與端電壓U之間的關系如表2和圖2所示。

表2　蓄電池剩余容量與端電壓對照表

對交流負載而言，無論蓄電池的充電狀態如何，蓄電池放電一段時間后，其剩余容量與其端電壓的關系基本是線性的。當蓄電池充滿電時，端電壓為13.5V左右。當蓄電池的剩余容量低于20%時，即其端電壓低于11V左右時，蓄電池基本已不對外放電。

2.3溫度測量

電池溫度測量是采用DSl8B20數字溫度傳感器貼于電池外殼的方法，通過在線測量電池的溫度，找出溫度異常的電池。DS18B20通過內部溫度寄存器接收一個受溫度系數影響的振蕩器輸出的脈沖個數直接影響到數字溫度數據。收到溫度轉換命令后，DS18B20的內部數字化溫度轉換器將溫度數據以二進制形式儲存到16位快速暫存器中，二進制數據中前5位是符號位，如果測得的溫度為正值，這5位為0，只要將測到的數值乘于0.0625，即可得到實際溫度；如果溫度為負值，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0.0625，即可得到實際溫度。溫度各進制數據轉換的關系如表3所示。

表3　溫度與轉換數據的關系

DS18B20的數據線DQ與單片機P1.7管腳相連接，實現溫度的傳輸，溫度測量電路的接口電路圖如圖3所示。

3　系統的硬件設計

本系統以單片機AT89C52為控制核心，擁有多路相互獨立的測量模塊，在實際測量時只需插入即可實現測量。測量電路輸出信號是模擬信號，要經過A／D轉換才能送到單片機進行處理，并且和測得的溫度一起通過液晶模塊LCDl2864進行現場顯示。當電池狀態達到極限時，會在液晶屏幕上顯示報警狀態，同時進行語音報警。為防止很多不確定的因素導致程序的混亂發生，利用可編程看門狗定時器X25043來保護系統。系統還可以人為地通過按鍵設定電池剩余電量提示、溫度報警上下限。各模塊電路相互協調，依據主控制器發出命令做出相應的反應。

3.1系統硬件結構

系統的硬件結構分為兩大部分：核心控制單元和功能模塊單元，即主控制器AT89C52、電壓電流測量、A／D轉換、鍵盤電路、抗干擾電路、溫度測量、液晶顯示、語音報警。設計蓄電池自動監測系統硬件框圖如圖4所示。

3.2顯示及報警模塊

蓄電池自動監測系統采用了液晶模塊LCD12864，LCD12864可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，且低電壓低功耗，電源電壓（VDD為+3.0V～+5.5V），工作溫度為0℃～+55℃。74LS245的選通和傳輸方向由單片機的P2.6和P2.7控制，來驅動LCD12864正常顯示。液晶模塊上的RS、R/W、E引腳分別由單片機的P3.2、P3.3和P3.4控制，實現單片機對液晶模塊的讀寫操作，顯示蓄電池的各參數和蓄電池表面溫度值。當系統當前的測試端電壓低于預先設定的下限值時，液晶屏出現“電量不足”警告；當系統當前采集的溫度值高于預先設定的上限值時，液晶屏立即顯示“溫度過高”提示。

將需要語音播報的內容事先錄制到語音芯片中，監測系統運行時，語音模塊將監測的數據（這其中包括電池剩余電量值、當前采集的溫度值）和預先設定電池剩余電量提示下限、溫度報警上下限進行對比，當達到設定的值時，便可實現自動的語音提示或報警。液晶顯示電路如圖5所示。

4　系統軟件設計

本設計的軟件設計采用了功能模塊化設計方法，系統程序主要包括以下幾個方面：初始化、按鍵處理、溫度測量、電壓電流測量、轉換計算、語音報警和顯示等子程序。子程序與相關電路是對應的，很好地實現了系統軟硬件之間的協調統一。系統軟件設計的程序流程圖如圖6所示。

5　結束語

本系統采用模塊化設計，整個系統軟件結構清晰，具有很好的可擴展性能。采用蓄電池電壓和內阻綜合判斷蓄電池的性能，具有較高的可靠性。由于控制電路元器件少、電路簡單、自動化程度高、易于操作，通過直觀地顯示避免了人工計算，幫助用戶更迅速、準確地對蓄電池充放電和更換出現問題的部件，便于及時有效地開展維護，也降低了蓄電池維修錯誤的風險。

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(責任編輯：趙建周）

The Research and Design of Monitoring System of Storage Battery Based on Single Chip

HUA Hong-yan1,SONG Wei1,SUN Zhen-zhen1,WANG Yi1,ZHANG Hai-qing2
（1.Zhengzhou Institute Of Aeronautical Industry Management,Department of Electronic Engineering；2.Zhengzhou Datong patent and Trademark Agency Co.Ltd.Zhengzhou 450015，China)

This paper analyzes and studies the main performance index and test method of battery,according to the basic working condition of storage battery,battery charge and discharge parameters monitor in real time,this paper introduces the key measuring principle and algorithm,comes up with the design of hardware and software system and tests the running state of through the display device.Thus,the system ensures the normal work of the battery,finds out the damaged battery or the battery whose performance reduce significantly and is conducive to the maintenance of the battery.

storage battery;single chip;on-line monitoring

TP912

A

1673-2928（2015）02-0008-04

2014-09-20

華紅艷（1963-），女，鄭州航空工業管理學院教授，研究方向：電氣自動化控制。