彭育強(qiáng) 張薇琳
廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東廣州,510650
基于STC單片機(jī)的蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
彭育強(qiáng) 張薇琳
廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東廣州,510650
本文提出一種采用STC2C5A60S2為核心控制器,利用模擬量轉(zhuǎn)換器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等檢測(cè)電路,實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池電壓、溫度、內(nèi)阻等物理量的監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有操作簡(jiǎn)便、可靠性高、測(cè)量結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)。
蓄電池;STC單片機(jī);狀態(tài)檢測(cè)
蓄電池在眾多重要設(shè)備系統(tǒng)中起到不間斷提供電源的重任,但是目前在很多場(chǎng)合蓄電池實(shí)際上處于一種長(zhǎng)期完全不維護(hù)狀態(tài)。長(zhǎng)期不維護(hù)的蓄電池組容易因漏液、過(guò)放、發(fā)熱等因素導(dǎo)致失效,由此可能引發(fā)設(shè)備系統(tǒng)的重大故障。因此,設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)便的方法對(duì)蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常有必要的。
本檢測(cè)系統(tǒng)利用STC單片機(jī)作為核心控制器,結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)處理電路等實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè),利用液晶顯示屏來(lái)顯示蓄電池實(shí)時(shí)溫度、蓄電池電壓、蓄電池內(nèi)阻等檢測(cè)參數(shù)。
本蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)由蓄電池工作電路、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊以及顯示監(jiān)控模塊組成,系統(tǒng)總體框架如下圖所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2.1 STC2C5A60S2控制器
蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)宜設(shè)計(jì)成手持式便攜設(shè)備,應(yīng)選用小型輕便的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。STC2C5A60S2系列單片機(jī)較傳統(tǒng)8051速度快8-12倍,是高速、低功耗、抗干擾強(qiáng)的新一代8051單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。除此之外,該控制器內(nèi)部設(shè)備非常豐富,如內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250k/s)等,有效地降低了檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本及設(shè)計(jì)難度,符合檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)易操作及便攜式低成本的要求。
2.2 數(shù)據(jù)處理模塊
在充放電的電路中,電壓經(jīng)過(guò)整流器的整流,然而在實(shí)際使用過(guò)程中,電路中的電壓依然存在著波動(dòng)變化,將會(huì)對(duì)電壓數(shù)據(jù)的采集造成一定的影響,并且在在整流電路輸出電壓之后仍然存在著一些諧波分量。為了去除噪聲對(duì)控制系統(tǒng)的干擾,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,本系統(tǒng)采用π型整流濾波電路對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)采用AD620放大器對(duì)溫度信號(hào)、電流信號(hào)等進(jìn)行放大,其增益可達(dá)到1-10000且具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功耗低、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。
2.3 數(shù)據(jù)采集控制模塊
數(shù)據(jù)采集控制模塊決定了檢測(cè)系統(tǒng)的精度,AD轉(zhuǎn)換電路又是數(shù)據(jù)采集控制模塊的核心,因此AD芯片的選擇決定了檢測(cè)系統(tǒng)的精度水平。在此選用高精度、低功耗的雙通道16位差分的AD7705芯片。該芯片采用CMOS結(jié)構(gòu),確保器件的低功耗以及掉電模式下的低損耗,AD7705芯片16位能夠滿足檢測(cè)系統(tǒng)0.1%-0.5%毫伏的精度要求,此外該芯片還包括系統(tǒng)校準(zhǔn)和自校準(zhǔn)選項(xiàng),通過(guò)該選項(xiàng)可以芯片本身及系統(tǒng)帶來(lái)的增益和偏移誤差。
圖2 AD7705功能框圖
檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括蓄電池電壓、溫度、內(nèi)阻測(cè)量電路以及各測(cè)量電路與AD轉(zhuǎn)換電路之間的連接等。
3.1 電壓測(cè)量電路
蓄電池充電過(guò)程中電壓已經(jīng)經(jīng)過(guò)整流器進(jìn)行整流,不過(guò)電壓依然存在著一定的起伏變化,會(huì)影響到蓄電池電壓數(shù)據(jù)的采集精度。因此為了提高蓄電池兩端電壓的穩(wěn)定性和提高數(shù)據(jù)的采集精度,在此采用單向橋式π型全波整流濾波電路,同時(shí)采用OP07電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)電路前、后級(jí)之間的隔離。
經(jīng)過(guò)整流電路和電壓跟隨器的處理后可以得到較為穩(wěn)定的電壓信號(hào),電壓范圍在1.75V-2.4V之間,可以將該電壓信號(hào)直接送至AD7705指定的通道,將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后便于處理器進(jìn)行處理。
3.2 溫度測(cè)量電路
在工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用最多的溫度測(cè)量傳感器是PT100,該傳感器測(cè)量精度高、性能可靠穩(wěn)定。本溫度測(cè)量電路中采用三線制電路接法,該接法的優(yōu)點(diǎn)是PT100兩邊橋臂上的導(dǎo)線長(zhǎng)度相同,能夠消除接入導(dǎo)線的電阻,其測(cè)量精度比二線制測(cè)量電路高很多。但其轉(zhuǎn)換為的電壓信號(hào)范圍比較小,需要利用AD620進(jìn)行信號(hào)放大處理,放大倍數(shù)由相應(yīng)的變阻器決定,電路設(shè)計(jì)圖由下圖所示。
圖3 三線制橋式測(cè)溫電路圖
3.3 內(nèi)阻測(cè)量電路
蓄電池的內(nèi)阻很小,并且在不同狀態(tài)下其內(nèi)阻值不一樣,一般將電池內(nèi)阻分為充電狀態(tài)內(nèi)阻和放電狀態(tài)內(nèi)阻。通常情況下放電狀態(tài)下的內(nèi)阻不穩(wěn)定,測(cè)量結(jié)果亦超出正常電阻值;充電狀態(tài)下內(nèi)阻比較穩(wěn)定,具有較為實(shí)際的使用意義。
通過(guò)對(duì)蓄電池的阻抗譜分析處理,建立蓄電池內(nèi)阻等效電路并簡(jiǎn)化內(nèi)阻模型即可簡(jiǎn)化內(nèi)阻的分析與計(jì)算,如圖4所示。本檢測(cè)系統(tǒng)采用交流注入法測(cè)量?jī)?nèi)阻,通過(guò)對(duì)蓄電池注入恒定頻率和恒定幅值的交流信號(hào)IS,檢測(cè)出蓄電池所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)V0,同時(shí)將IS 、V0的相位差?測(cè)量出,根據(jù)歐姆定律Z= V0/IS,R=Zcos?可以推算出實(shí)際內(nèi)阻R。本系統(tǒng)中選用ICL8038高精度的波形產(chǎn)生芯片,它能夠生成穩(wěn)定的0.001HZ至300KHZ的高精度方波、鋸齒波和正弦波等,設(shè)計(jì)電路如圖4所示。
圖4 蓄電池交流阻抗測(cè)量電路原理圖
圖5 激勵(lì)信號(hào)源原理圖
通過(guò)電路可以看出,調(diào)整電路中的R1、R2和C的大小可以得到所需頻率的正弦波信號(hào),通過(guò)調(diào)整R3的值能夠調(diào)整正弦波的幅值,進(jìn)一步得到所需幅值的信號(hào),同時(shí)利用UA741跟隨器來(lái)增加激勵(lì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)力。
3.4 AD7705數(shù)據(jù)采集電路
本系統(tǒng)需要監(jiān)控蓄電池的電壓、溫度以及內(nèi)阻參數(shù),因此系統(tǒng)需設(shè)計(jì)電壓、溫度級(jí)內(nèi)阻的采集電路,在此采用16位雙通道差分輸入串行輸出AD7705轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬數(shù)字采樣,其與STC2C5A60S2控制器的連接線路根據(jù)AD7705的管腳功能將SCLK、DIN、DRDY、DOUT引進(jìn)與單片機(jī)相應(yīng)的控制口相連用于采集電壓、溫度信號(hào)以及用于內(nèi)阻的測(cè)量。
采用本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)兩節(jié)蓄電池進(jìn)行測(cè)試,蓄電池容量為:12V,7.0Ah。分別測(cè)得電池電壓、溫度、內(nèi)阻結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果可看出經(jīng)過(guò)本測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量電壓參數(shù)為12.71,使用萬(wàn)用表測(cè)量值為12.70,測(cè)量結(jié)果誤差小于2%;電池溫度誤差小于0.8%。測(cè)試結(jié)果可看出測(cè)量精度滿足實(shí)際工作需求,在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試運(yùn)行后,系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。
表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖
[1]STC2C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)[s],2011:8-9.
[2]仇國(guó)慶.AD7705/7706在儀器儀表中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2001(6):43-4.
[3]黃膠,劉修峰,陸曉春,丁彥,吳明春.嵌入式智能磷酸根分析儀的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2011(1):73-75.
[4]李巍,于復(fù)生,孫永亮,王雪,魏志國(guó).基于STC單片機(jī)的蓄電池檢測(cè)修復(fù)儀的研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2009(4):313-316.
孟榮愛.基于ARM的蓄電池檢測(cè)儀的研制[D].山東:山東輕工業(yè)學(xué)院,2012.
彭育強(qiáng)/1987年生/男/碩士/助理實(shí)驗(yàn)師/研究方向?yàn)榭刂乒こ?/p>