蓄电池剩余电量测量与分析系统

廖春萍,刘华珠,邓顺娇

（东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东东莞,523808）

蓄电池剩余电量测量与分析系统

廖春萍,刘华珠*,邓顺娇

（东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东东莞,523808）

设计一种基于内阻法监测蓄电池剩余电量的系统，首先通过单片机驱动内部AD模块来采样蓄电池上的开路电压和短路电流，然后计算得出蓄电池的剩余电量，并将结果显示在液晶显示器上。将电池的各种参数存入单片机内部的EEPROM存储器中，使用单片机内部的FLASH来模拟EEPROM可以最大限度地节省硬件成本。

内阻法；蓄电池；监测；剩余电量

0 引言

近几年，随着芯片的集成度和制造工艺的发展，生产出了速度更快，计算能力更强的单片机，这使得蓄电池余量检测手段有了大幅度的提升。目前主要有四种常用方法来预测蓄电池的电量剩余情况，分别是：密度法、放电法、开路电压法、内阻法。其中密度法、放电法和开路电压法的测量准确度相对较低，而且难以在线实时测量密封蓄电池，因此其实际使用难度相对较大。内阻法被测电池受到的影响将非常小，而且其内阻在完全充满和完全放电时的差别非常大，大约相差是2到4倍左右。因此，用内阻法可以较为准确的预测蓄电池的剩余电量，并且这个方法正在逐渐实现广泛应用。

1 系统方案制定

电池检测的特性决定它应该一个小型的电子系统，不需要太多的资源，结构简单，对成本控制的要求比较高。51系列单片机和LCD12864液晶从上市到如今经历了很长的时间和检验，已经得到了市场的充分认可。因此选择8位增强型51单片机STC12C5A60S2作为整个系统的主控芯片，选择小型的LCD12864液晶作为显示设备，以保证设计的低成本。系统整体设计方案如图1所示。

图1 系统框图

这个方案在蓄电池剩余电量的检测上，采用内阻法来进行测量，首先通过一次放电过程记录下来每个内阻值对应的蓄电池的剩余电量是多少，然后保存在单片机的内部FLASH中。在测量的时候首先继电器将负载断开，单片机通过内部的10位AD采集蓄电池的开路电压。接着驱动继电器吸合，将负载接入蓄电池中，测得负载两端的电压从而测出此时的电流，再将开路电压除以这个电流得出一个总的阻值，用总的阻值减去负载的电阻值即得到蓄电池的内阻。下面图2为内阻法分析电路图。

图2 负载接入电路图

2 蓄电池剩余电量检测系统硬件电路设计

2.1 单片机最小系统的设计

单片机最小系统外接的晶振是12MHz，根据计算可以知道两个机器周期即为两个微秒。这个时间非常的短暂，短暂到无论使用何种方式，只要按下了复位的按钮，这个高电平时间都会大于两个微秒的，也就是说，当按下复位按钮的时候，单片机则会百分之百被复位。基于以上分析，采用RC串联形式来实现复位电路设计，在电容电阻的串联电路中，将复位按钮并接在电容器的两端。利用三要素法来对这个过程的分析可以得到，按下按钮后单片机的RESET管脚上会产生持续的0.11秒的低电平，这个时间远大于上述的两微妙。在本的设计中，单片机工作时钟由外部的12MHz晶振提供，晶振两端并接的是两个33PF的瓷片电容。

2.2 蓄电池剩余电量检测系统电源部分设计

在整个电路设计里面LCD1602是能耗最高的器件，大约要消耗200mW的功率，四个整流二极管自身消耗的功率大概在160mW，再算上电路中其它的一些器件的概率消耗，整个系统的功耗大约为0.32W，7805三端稳压器能够提供1.5A的最大电流，折算成功率大约为7.5W，远远大于电路需要的0.32W。电源的输入部分采用470uF电容器滤掉线路中的低频扰动，后面的瓷片电容滤除电源里面的高频扰动。

2.3 内阻测量电路设计

单片机首先控制P11口输出高电平，此时Q1三极管截止，继电器断开。单片机此时控制P12脚进行AD检测，测得蓄电池的开路电压值。然后单片机控制P11输出低电平，继电器吸合，蓄电池通过R3负载电阻放电，此时单片机读取P12口和P13口的AD转换值，P12口的值减去P13口的值即为R3电阻上精确的压降，通过这个压降除以R3的电阻值即可得到此时线路上的电流值。用第一次测得的开路电压除以电流再减去R3的阻值即可得到此刻的蓄电池的内阻。在剩余使用时间的预测上，虽然蓄电池所带的负载特性随着温度等因素会不断变化，而且电池本身的内阻也非线性变化，但是可以通过以下方法对其剩余持续时间进行估算设电池的输出功率为(VA)，电池的电压为(V)，负载电流为(A)，剩余容量为(AH)，则蓄电池的剩余持续时间(H)可用以下公式进行估算：

3 蓄电池剩余电量检测程序设计

表1 剩余电量-内阻对应关系表

图3 蓄电池剩余电量检测程序流程图

蓄电池剩余电量检测程序流程图如下图3所示：

剩余电量检测程序是通过定时器定时，当定时时间到达后首选断开继电器，测得蓄电池的开路电压值，然后驱动继电器吸合，测得蓄电池的带负载电流值。然后将开路电压减去P12口测得的电压除上第二次测得的电流值得出一个总的阻值，用这个总的阻值减去外部的负载电阻值即为蓄电池的内阻值[5]。

实际测试得出剩余电量在40%以上时，曲线几乎不变，跌到40%下方曲线开始进行变化，剩余电量-内阻对应关系如下表1所示：

4 结束语

蓄电池剩余电量的多少会对供电系统的可靠性产生直接影响，并且会决定整个供电系统是否能正常工作。基于单片机的蓄电池电量检测方法对供电系统的影响较小，方便简单且精确度较高。因此，蓄电池电量检测方法的研究是很有实际意义的。

[1] 方小斌．电池内阻检测方法的研究[J]．通信电源技术，2013年05期

[2]刘守义．单片机应用技术（第三版）[M]．西安电子科技大学出版社，2016.3．

[3] 陈海宴．51单片机原理及应用[M]．北京航空航天大学出版社，2010．

[4] 吕景美．基于WSN的蓄电池组内阻在线检测系统设计[J]．电源技术，2014．

[5] 华红艳．基于单片机的蓄电池检测系统研究与设计[J]．安阳工学院学报，2015．

Measurement and analysis system of battery residual quantity

Liao Chunping,Liu Huazhu*,Deng Shunjiao
(School of electronic engineering and intelligent engineering,Dongguan University of Technology,Donggu an,Guangdong,523808)

The design of a system of surplus electricity resistance monitoring battery based, first through the microcontroller drive internal AD module to sample the open circuit voltage and short circuit current on the battery,then calculated the residual capacity of battery,and the results are displayed on the LCD monitor.The various parameters of the battery into the microcontroller's internal EEPROM memory,the use of the microcontroller inside the FLASH to simulate the EEPROM can maximize the cost savings.

resistance method;battery;residual capacity monitoring

广东省科技计划项目（2014A050503068；2015A010103019）

廖春萍(1989-11)，广东徐闻人，助理工程师，主要从事信息处理研究。