基于51单片机的蓄电池电导自动测试仪

刘垚友



基于51单片机的蓄电池电导自动测试仪

刘垚友

【摘要】当今社会，蓄电池有着广泛的应用，虽蓄电池作为能源能起到重要作用。蓄电池的品质作为重要指标，需要有效的对其进行检测，考虑到电池的电导与品质之间较强的相关性，设计了本套基于51单片机的电导测试仪对其品质进行检测。该电导测试仪以交流注入法作为基本测量依据，即对待测蓄电池和参考电阻注入交流信号，然后通过对比两者的压降来求得蓄电池的内阻，进而转化为电导。在硬件上，采用功能齐全、操作简单的AT89C51单片机作为控制和显示单元，以ICL8038构成信号发生电路，经放大后再通过幅度和相位检测电路，最终实现电导的实时测量。通过对比测试，该电导测试仪测量迅速、结果准确且稳定性好，能够满足实际的需要，具有一定的应用价值。

【关键词】蓄电池；电导测试仪；交流注入法；幅度检测；相位检测；AT89C51；ICL8038

0　引言

蓄电池的品质是我们使用蓄电池时需要首要考虑的因素，传统的蓄电池品质测试仪价格昂贵，因此有必要设计出一种可测量电池品质的经济可行的方法。电导是描述导体导电能力的物理量，反映了导体传导电流的能力。蓄电池的内部状况如电解液干涸、极板腐蚀等都会引起电池的内阻增大，电导减小，所以通过测量蓄电池的电导值可以很好的反映出电池质量的好坏。蓄电池在各方面的应用十分广泛，尤其是动力系统，通过电导测试仪快速有效地测量蓄电池品质并发现失效电池，对于战场抢修和避免重大事故有着极其重要的意义。

1　系统总体方案设计

1.1测量原理

蓄电池电导的测量通过测量蓄电池的电阻来实现。蓄电池的内阻非常小，一般用微欧或者毫欧表示它，这么小的电阻值要求必须用专用仪器来进行测量。

目前公认的测量电池电阻的有效方法主要有两种，分别是直流放电内阻测量法和交流注入法。交流注入法的原理较为简单，测量的精度也比较高，它可以用来测量几乎所有的电池，最主要的是它可以避免大电流给电池带来的损伤，安全可靠。因此选择交流注入法[1]为理论设计本套电导测试仪系统。

交流注入法原理是，将取样电阻R与待测蓄电池（阻抗为Z）串联，注入交流电流，则此时取样电阻两端的电压VR为：

蓄电池两端的电压VB为：

因此只要能测量出VB和VR两者之间的幅度比g和相位差就可以求得蓄电池的电导G为：

1.2总体设计方案

该电导测试仪系统的总体框图如图1所示。首先由测试信号产生电路产生正弦波信号，该信号的频率要可调，又因为蓄电池的内阻非常小，为保证蓄电池两端电压的正常检测，因此要对信号源产生的信号进行功率放大，下一步要对取样电阻和蓄电池上的激励电压求幅度比和相位差，为了更好的检测，首先对两者的电压进行放大处理，然后接幅度和相位检测电路，最后再接控制单元对数据进行LED显示，通过简单的计算就能得出蓄电池的电导值。

图1　系统总体设计框图

图2　总体电路仿真图

2　各部分硬件设计

2.1控制单元

单片机[2]作为本电导自动测试仪系统的核心，在该系统中单片机要实现的功能主要是控制和显示，首先是幅度比部分，要利用单片机控制A/D转换器工作将所得出的模拟信号准化为数字信号，然后再接LED数码管，用单片机控制显示；其次是相位差部分，要利用单片机内置的计数器测量两路信号的时间差，再送LED数码管进行显示。

2.2正弦信号产生电路的设计

正弦信号可以由很多方法来产生，该系统选择的是用ICL8038芯片[3]产生正弦信号，在ICL8038芯片外围电路的设计中，既要选择合适的电阻来调节波形的失真度，又要选择合适的电容和电阻用来调节产生信号的频率。一般取调节频率的电阻是定值，这样调节电容C的大小可方便的调节输出信号的频率。

2.3功率放大电路

为了使蓄电池两端的电压得到很好的检测，需要对输出信号进行功率放大，本系统中选择LM386功率放大器，LM386[4]的外围电路通过调节1脚和8脚之间的电容来调节增益大小；此外7脚所接的旁路电容是必不可少的，它能起到滤除噪声的作用；输出端所接的电容C6起到隔直和耦合的作用。

2.4差动放大器

由于蓄电池两端的电压幅度较小，所以在幅相检测前要对其两端电压进行放大，选择AD623芯片[5]作为差动放大器，其中AD623芯片的1和8管脚之间接电阻用来调节差模放大的增益。

2.5幅相检测电路

幅度检测首先用峰值检测器检测出信号的峰值，再接A/D转换器将模拟信号转换为数字信号。峰值检测器就是要对信号的峰值进行采集并保持。峰值检测器有三个部分：（1）模拟峰值存储器，即电容器；（2）单项电流开关，即二极管；（3）输入输出缓冲隔离，即运算放大器。运算放大器采用TL082芯片。A/D转换电路，是将模拟量或连续变化的量进行量化，转化为相应的数字量的电路。A/D转换电路采用ADC0808芯片。

本系统采用相位差转换为时间间隔进行测量的方法[6]，先测量出两路信号的时间差，再根据公式计算出相位差。该相位比较器主要由双电压比较器LM393和双D触发器4013组成。

2.6数码管显示

在幅度显示时，用单片机控制DAC0808进行D/A转换和数据输出，同时利用单片机外接D触发器的方式产生方波作为DAC0808的时钟信号，数码管采用动态显示的方式，在三个数码管上分别显示百十个位。在相位显示时，将相位差检测电路得到的时间差脉冲作为控制信号，另外选取一个高频脉冲作为单片机的计数脉冲，通过读取计数的个数结合高频脉冲的周期就可以算出时间差，再根据公式算出相位差的大小。

3　系统仿真结果

本系统选用Proteus7.8作为仿真软件，选用Keilm Vision2作为编程软件。

将所有部分电路连接起来就得到了整体的电路图，用小电阻代替蓄电池进行仿真，通过调节电阻的大小，将系统测出的电导值与理论值进行比较，得到的数据记录于表1中，表中放大倍数为小电阻两端电压放大倍数，幅度比为放大后小电阻两端电压与参考电阻两端电压的比值，仿真中参考电阻统一取10，增益调节电阻统一取为1K，即放大倍数为100.8倍。

从表1的数据看出：由于是用电阻代替蓄电池，没有容抗特性，所以相位差部分的值始终为零。分析相对误差可知，用该系统测出的小电阻的电导值与理论值的误差全部在1%以下，并且当阻值大于0.025时，相对误差更是降到了0.5%以下，这是由于随着阻值的增加，数码管显示位数限制所引起的误差会逐渐减少，精度会更高。

4　结论

通过仿真结果看出本套电导测试仪可以较为准确的测量出蓄电池的电导值。但该系统存在一些改进的方面，首先是信号发生器产生信号频率的调节，ICL8038的频率如果是通过调频电压输入端口输入电压来调节，通过矩阵键盘来控制单片机输出电压大小，再经过D/A转换器后输入信号发生器，能够更方便的调节到所需要的频率；其次是在芯片的选择上，可选择更为高档的芯片，得到的结果会更精确。该系统能够准确的测量出蓄电池的电导，进而判断蓄电池的品质，能够快速有效的发现失效电池，对于部队的战场抢修和避免重大事故的发生有着重要意义。

参考文献

[1]赵建领,薛圆圆.51单片机开发与应用技术详解[M].电子工业出版社,2009.

[2]夏勇.蓄电池内阻在线监测装置的研究[J].通信电源技术,2003,12(6):35-38.

[3]白炳良,吴木端等.基于ICL8038函数信号发生器的设计[J].大学物理实验,2008,3(1):57-61.

[4]黄菊.基于LM386集成功率放大电路的制作与调试[J].无线互联科技,2013,7:108.

[5]韩跃平,李瑞江.差动放大电路输出波形的实验测试方法[J].现代电子技术,2015,6(12):132-138.

[6]杨灿平,杜宇人.一种高精度相位测量方法方法[J].现代电子技术,2007,3(16):144.

刘垚友（1993—），男，山东潍坊人，大学本科在读，主要研究方向：电子测量技术。

作者简介：