铅酸蓄电池充电容量检测系统设计

收稿日期:2001-06 作者简介:贺乃宝(1967-),男,江苏淮安人,讲师,硕士,主要从事微机测控及智能仪表的教学和研究。

铅酸蓄电池充电容量检测系统设计
贺乃宝1,高倩2
(11淮海工学院,江苏连云港222005;21连云港市电线电缆总厂,江苏连云港222005)
摘要:介绍一种检测蓄电池充电容量的系统。

该系统由8031单片机、并行I/O 接口和数据输出显示电路组成。

经实验证明,系统具有良好的实时性,检测结果准确性高。

关键词:8031单片机;容量检测;A/D 转换;铅酸蓄电池
Design of the Testing System of Lead Acid B attery C apacity
HE Nai -bao ,G AO Qian
(11Department of E lectrical Engineering ,Huaihai Institute of T echnology ,Lianyungang 222005,China ;
21LianyungangMunicipal Wire and Cable G eneral Factory ,Lianyungang 222005,China )
Abstract :The paper introduces a designing method of testing the charge capacity of battery.The system em ploys the 8031chip com puter ,the I/O inter face ,and the circuit of displaying the data output.The experiment proves that this system is accurate in testing.
K ey w ords :8031single chip com puter ;test the capacity ;A/D converter ;lead acid battery
1　硬件电路设计
1.1　蓄电池容量OC V 测量原理
测量蓄电池容量的方法有比重计法、高率放电法、湿度法和OC V (开路电压)法等。

比重计法通过检测电解液比重的增加或减少,粗略地判定蓄电池充放电程度。

此方法需人工检测,其误差较大。

高电率放电计法通过测量大负荷下的端电压来判断蓄电池的容量。

由于不同型号放电计,其放电电流和端电压值不一样,故此法费时费力。

湿度法借助于湿度传感器将蓄电池充电放电过程中电解液相对湿度的变化转化为阻抗值的变化,来确定蓄电池容量,目前应用较少。

而OC V 法通过测试蓄电池的开路电压来显示蓄电池的容量,它不依赖于电池尺寸大小和放电速度,能在较短时间里推算出蓄电池在充电后很长时间才能得到的稳定开路电压值;其次这个模型能适合不同型号的蓄电池。

因为蓄电池的开路电压与时间t 是一种曲线关系,新模型把时间t 转换成另一个变量x =lg t 。

充电过程中蓄电池的开路电压与x 的特性关系如图1所示。

根据特性曲线可得方程
V OC =M ・X p +V 0(1)其中:M ———起始直线的斜率;X p ———两直线交点处的值;V 0———t =1min ,X =0时的端电压数值。

把V 0和t =5min 、X =0.7时的电压值V 0.7代入上式,
M =(V 0.7-V 0)/0.7
(2)
不同型号的电池,其X P 的值不一样。

为了使系统具有较强通用性,取其统计的平均值,选X P =1.60。

图1　开路电压与X 关系
这样V OC =1.60・M +V 0(3)
预测开路电压,只要在图1恢复特性曲线中线性区域内,任取两点电压值,即可求得M 。

假设第一个
取样电压V 0(t =1min ,x =0),则在线性区域内取t s ,(1min 〈t s 〈10min ,即0〈X s 〈1)时,有
M =
V s -V 0
X s
(4)
M 3X P =1.60(V S -V 0)/X S
取1.60/X S =2n n =0.1.2……
有　X S =1.60 (t s =39.8min ),n =0 X S =0.8 (t s =6.3min ),n =1
X S =0.4
(t s =2.51min ),n =2
………………………
所以,在t s 的取值中,t s =6.3min 是最适合要求的,即,M 3X P =2(V s -V 0)。

故
V OC =2(V S -V 0)+V 0=2V S -V 0(5)
V s =V (t =6.3min ),V 0=V (t =1min )
—
43—仪表技术2001年第5期
因为电池的容量显示范围从0～100,而电压范围从1.75～2.00,所以,可以得到误差分析公式如下:
误差=V (实际)-V (计算)
0.25
3100%
(6)实验测量数据如下:
V 0
V 0.7
M
V OC (实际)
V OC (计算)
误差分析
1.929 1.9380.0129 1.953 1.949 1.6%1.972
1.984
0.0171
2.011
1.999
4.8%
此时推算的电池开路电压值,与其经过一段时间后电池恢复到稳定状态时的开路电压值基本吻合,达到预测的目的。

1.2　测量电路设计
本系统采用OC V 法测量蓄电池容量,因所采集的信号是电压,故可以直接接入模/数转换器。

A/D 选用双积分5G 14433,它结构简单,外接元件少,抗干扰能力强。

其电压量程选2V ;被测铅酸蓄电池系6V 系列,故通过1/3电压衰减器得信号电压。

基准电压由5G 1403高精度集成稳压器提供。

8031采用下降沿中断,图2中把E OC 反相接到I NT 0端(E OC 与DU 连在一起),反相器选用施密特触发器。

每次A/D 转换完毕,输出的E OC 脉冲加到DU 。

8031响应中断,判别P1口上的信号是否有位选通信号。

如有,就将Q 0～Q 3输出的数据存放在相应的数据缓冲区20H -21H 单元中。

1.3　8031单片机系统硬件设计
本系统的硬件电路图如图2所示,主要由单片微处理器8031CPU ,8D 锁存器74LS373,8K B 的程序存储器EPROM2764,并行I/O 接口8255A 、5G 14433A/D 转换器,3
只LE D 数码管,2片集成驱动器BIC8718及其晶振与复位电路组成。

在图2硬件电路图中,以8031CPU 为核心,对脉冲输入量进行采集,对各输入/出接口进行控制,利用8031片内RAM 进行数据存储和运算,同时其片内RAM 还作为数据缓冲区和显示缓冲区使用。

8031的P0口设计成双向数据/地址端口,经缓冲器373与程序存储器2764相连,高位地址和片
图2　硬件电路原理图
选信号由P2口提供。

P1口采集A/D 转换的数据,I NT 0为A/D 转换结束的中断输入。

在电路图中,8K 内存的程序存储器用来存放应用程序,由于本系统没有外扩随机数据存储器RAM 及其他接口芯片,故在电路中可将EPROM2764片选端(CE )直接接地。

图3　系统程序框图
本系统的显示电路由8225A 并行扩展口、集成驱
动器BIC8718和共阴极LE D 组成。

为了实现LE D 显示器的动态扫描,除了要给显示器提供段控外,还要进行位控。

由于8031P2口余下的I/O 口线不够用,因此扩展了并行I/O 接口8255A ,由A0,A1控制端口选择信号,用以控制LE D ,其P B 口输出位选信号,PA 口输出段选信号,工作于方式0,PA 、P B 设定为输出方式,命令控制字为80H ,量程显示为0～100。

外部复位电路由R1、R2,以及开关组成,用于对系统进行复位操作。

系统的时钟振荡电路由晶振XT A L 和C1、C2组成,提供6MH z 的振荡频率。

2　软件设计
预测开路电压用软件实现,用给定的硬件和软件
去访问电池的终端电压。

将所测的
开路电压以BC D 码形式存放在20H 、21H 地址中。

在开路电压与蓄电池容量之间用查表方式完成,经过数码转换,通过单片机在显示器上显示容量。

本系统的应用程序由一个主程序和若干子程序构成,它们存放在EPROM2764中,主程序的功能用于对系统进行初始化、中断响应和显示。

(下转第37页)
续表
引脚输入功 能
D 7/A LL
对构造好的所有通道进行转换,在连续的
RD 脉冲作用下从构造好的最低通道开始读数据
1
仅对A 0～A 2指定的通道转换,一个单独的
RD 脉冲读转换结果
3　测量电路与程序设计
以MAX155工作在I/O 模式为例,本文给出一个
典型的应用电路。

图1由单片机AT 89C51、8通道模数转换器MAX155和键盘显示电路(图中未画出)组成。

图1中选用内部电压基准V REF =+2.5V ,REFOUT 端通过电解电容C 1和瓷片电容C 2旁路到模拟地。

MODE 端开路,使MAX155工作在I/O 模式。

C LK 端接AT 89C51的A LE 端,由A LE 端提供外部时钟信号。

设AT 89C51晶振频率f OSC =12MH z ,则f C L K
=f A LE =f OSC /6=2MH z ,其转换时间t CONV =18N/f C L K (其中N 为被转换的通道数)。

所以一个通道的转换时间为t 1=18×
1/2MH z =9
μs 。

图1中,MAX155的BUSY 端接AT 89C51的P 16端,用查询法控制整个转换过程;MAX155的CS 端接
AT 89C51的P 26,写转换类型控制字和读ADC RAM 数
图1　高速数据采集系统应用电路
据的地址为BF00H 。

图1中,-5V 电源由IC L7660提供。

本文以MAX155通道AI N0和AI N1设置为差分双极性、通道AI N2设置为单端双极性、通道AI N3设置为单端单极性为例给出应用程序。

单极性工作时,MAX155输出的数据代码是二进制数,1LS B =V REF /256;双极性工作时,其输出数据代码是2的补码形式的二进制数,1LS B =2V REF /256。

其中,LS B 为单位数据代码对应的电压值。

ORG 0000H
S JMP V L
ORG 0030H
V L :M OV
DPTR ,#0BF00H M OV A ,#70H ;AIN021,差分双极性
M OVX @DPTR ,A M OV A ,#32H ;AIN2,单端双极性
M OVX @DPTR ,A M OV A ,#03H ;AIN3,单端单极性,同时启动一次伪转换,更新结构寄存器内容
M OVX @DPTR ,A V L1:JNB
96H ,V L1;伪转换结果?M OV A ,#03H ;开始转换
M OVX @DPTR ,A V L2:JNB
94H ,V L2;转换结束?M OVX
A ,@DPTR
M OV 30H ,A ;读通道AIN021测量值,存入30H M OVX A ,@DPTR
M OV 31H ,A ;读通道AIN2测量值,存入31H M OVX A ,@DPTR
M OV
32H ,A ;读通道AIN3测量值,存入32H
V L3:S JMP V L3
E ND
参考文献:
[1]M AXI M 产品资料全集[M].(美国)美信集成
产品公司,2000.
[2]张友德,等.单片微型机原理、应用与实验
[M].复旦大学出版社,1998.
(郁红编发)
(上接第35页)
子程序的功能主要有数据采集,开路电压的数据
处理,数码转换和查表等。

3　应用与结语
在本容量测量系统中,对6V 系列铅酸蓄电池进行了检测。

结果表明,误差小于5%,完全满足设计需要。

另外,利用OC V 法来确定蓄电池容量,方法简便,尤其是对于电动交通工具来说,具有直接的可操作性。

同时,通过对蓄电池的电量显示,能够充分了解电动机
车的剩余燃料,为电动交通工具的安全可靠地运行提
供保障。

参考文献:
[1]贺乃宝.电动交通工具中的铅酸蓄电池容量检测的方法与
应用[D].河海大学硕士学位论文,2000.
[2]J ・H ・Aylor ,A ・Thieme and B ・W ・Johns on.A battery S tate 2of 2
charge Indicator for E lectric Wheelchair [J ].IEEE T ransactions on Industrial E lectronics ,Oct.1992.
(郁红编发)。