基于单片机的车辆蓄电池报警器设计

　　0 引 言

　　蓄电池是汽车上的重要部件，不仅为发动机启动提供动力，而且为用电设备提供电能，并存储充电系统的多余电能，蓄电池技术状态的好坏直接影响汽车的正常运行。实际工作生活中，蓄电池技术状况的检查手段比较落后，特别就一般车辆而言，缺少在线、直观、实时的反映蓄电池技术状况的仪器仪表，多数为无法启动车辆时才送检，通常因蓄电池保管不善、保养不及时、放电过度而早期损坏。为了解决对车辆蓄电池技术状况的实时监测问题，做到及时对需要充电的蓄电池进行充电，对需要维护修理的蓄电池进行维护保养，研制一款能对车辆蓄电池的技术状态检测报警的蓄电池报警器有实际意义。

　　车辆蓄电池报警器要能实现的基本功能包括：特定条件下蓄电池剩余电量指示，蓄电池内阻大报警，充电电压过高报警，非规范启动（单次起动时间超过5 s 、两次启动间隔时间少于15s、连续启动次数超过3 次）发动机提示报警。而且根据实际使用条件，报警器要轻便、实用、直观、可靠，并且做到不影响车辆性能，安装简单，适用性好。

　　1 检测方法的选择

　　蓄电池剩余电量的指示是报警器的一个主要功能，合理的选择蓄电池剩余电量检测方法成为报警器设计的关键。常见的蓄电池剩余电量的检测方法有：密度法、开路电压法、放电法、内阻法、库仑计法等。选择的原则是要能够满足整体功能的设计要求，并考虑使用环境、条件以及成本等因素。

　　1.1 蓄电池剩余电量常见检测方法

　　●密度法：蓄电池剩余电量和其内部电解液密度密切相关，通过测量电解液的密度值，即可间接推算其剩余电量。电解液密度随蓄电池放电程度的增加而按比例下降。

　　充足电的蓄电池到放电终了，电解液密度约下降0.16,即电解液密度下降0.04,蓄电池约下降25%[1].通常用吸液管密度计测量电解液密度，用温度计测出电解液温度，再根据标准温度进行换算。只能离线人工检测。

　　●开路电压法：蓄电池的荷电程度跟蓄电池电解液密度密切相关，而根据能斯特方程的描述电解液浓度和温度变化会引起电池电动势的变化。因此，通过测量蓄电池的端电压，也可以推算出蓄电池的剩余电量。

　　●放电法：通过对蓄电池施加一负载，计算单位时间内的电池端电压变化率，根据变化率的大小推算剩余电量，变化量小意味着剩余电量大，否则反之。为了实现在线测量，缩短测量时间，需要对蓄电池大电流放电，而大电流放电对蓄电池将会产生严重损伤，严重影响电池的使用寿命[2].

　　●内阻法：内阻与电池容量的相关性非常好，相关系数可以达到8 8 % .因此，通过测量电池内阻可较准确地预测其剩余电量。蓄电池完全充电（充满）和完全放电（放完）时，其内阻相差2 ~4 倍左右。随着电池充电过程的进行，内阻逐步减小；随着放电过程的进行，内阻逐步增大。

　　另外，随着电池老化，其内阻也逐渐增大，其剩余电量也随之下降。其测量原理如下：在蓄电池两端施加一恒定的交流音频电流源Is,然后检测电池端电压Vo 以及Is 和Vo 两者之间的夹角θ。通过公式Z =Vo/Io,R=Zcos θ，即可得到电池内阻值，从而得到剩余电量。内阻法4 线制接线，精确度相对高。

　　●库仑计法：通过对流入/ 流出电池的总电流进行积分，得到的净电荷数即为剩余容量。库仑计电路一般使用一个阻值非常低的串联电阻作为检流电阻，通过检测检流电阻上的压降反推电流，再通过电流对时间的积分来计算电量变化。电池初始容量可以预置，也可由完整充电周期来统计学习。Maxim 公司提供一系列精确的智能电池电量计芯片，如DS2780,在一块芯片内集成了库仑计、温度传感、电池电压检测、时钟和非易失存储器，能够对电池电量进行精确计算。

　　1.2 报警器选择开路电压法

　　1.2.1 开路电压法的局限性

　　● 对于不同厂商生产的电池，其开路电压与容量之间的关系有差异。

　　●只有通过测量电池空载时的开路电压才能获得相对准确的结果，而在运行时由于负载电流在内阻上产生的压降将影响开路电压的测量精度。

　　●蓄电池在充电（以及大电流放电）后会产生虚高（与虚低）现象，主要原因是充电时电解质浓度分布不均匀而形成表面电荷，表面电荷将提高蓄电池电压而引起虚高现象。表面电荷可通过短时低电流放电消除，也可在蓄电池静置几个小时后自行消除。

　　1.2.2 选择开路（端）电压法的理由

　　●与其他使用蓄电池的方式不同，汽车蓄电池在启动时有一个大电流放电，而在引擎正常运转后会带动发电机向蓄电池充电。所以对蓄电池剩余电量的关心是在点火启动前，而在点火开关和附属电器设备关闭时的端电压可以近似为开路电压，此时通过开路电压法来判断剩余电量是可行、恰到好处的。而在点火以及充电过程中则可通过端电压曲线的变化来分析判断内阻大，充电电压过高，非规范启动电机等技术状态并伺机报警。

　　● 与其他任何方法相比开路（端）电压法对蓄电池的影响最小，只需两根线并接到蓄电池上，同时作为报警器的电源和检测信号的输入，安装最简便；不需要对蓄电池改动或增加附件，适应性好，互换性强。

　　●由于蓄电池端电压变化率（约为30 %~40 %）远小于其内阻变化率（相差2 ~4 倍），因此采用开路电压法的精确度无法与内阻法相比。但报警器的使用环境并不要求很高精确度，而开路电压法能够满足精度要求，并且电路简单，成本低。

　　通过对各种检测方法的分析比较，综合考虑报警器实际使用条件，安装，成本等因素，我们选择开路（端）电压法作为报警器的基本检测方法。

　　2 系统设计 

　　报警器采用以微处理器（MCU）为核心，包括分压取样与信号调理单元，A/D 转换模块单元、电源单元、显示及报警输出单元、按键与设置单元构成。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图[page]

　　2.1 硬件设计

　　2.1.1 MCU（微控制器）与ADC模块。

　　MCU 选用T I（德州仪器）公司的低功耗1 6 位单片机MSP430F427,它的主要特点：

　　●低工作电压范围：1.8V~3.6V;

　　●超低功耗：400 A at 1MHz,3.0V;

　　●16-Bit RISC指令体系，125nS指令周期；

　　●32KB Flash Memory,1KB RAM Memory;

　　●3个独立的16-Bit Sigma-Delta A/D,带差分PGA输入；

　　●16 位定时器TIMER_A（3 捕获/ 比较寄存器）；

　　●串行通信接口（UART），通过软件选择异步UART 或同步SPI;

　　●电源电压管理/ 监控；

　　●串行在线编程，无需外部编程电压；

　　●安全熔丝可编程代码保护。

　　由于MSP430F427具有上述功能特点，完全满足蓄电池报警器功能需求，而且不需要另加A / D 转换器，既节约了成本、降低功耗，又简化了电路板的布线，有利于提高可靠性。

　　2.1.2 分压取样与信号调理电路。

　　通过两个精密电阻组成分压电路，由运算放大器完成信号调理，分压取样与信号调理电路图如图2 所示。

图2 分压取样与信号调理电路

　　2.1.3 驱动与输出电路。

　　考虑到MCU（微控制器）I/O 口的驱动能力，对蜂鸣器与L E D 发光管均用一个三极管完成驱动，驱动与输出电路如图3 所示。

图3 驱动与输出电路

　　2.1.4 电源电路模块。

　　主要选用一个宽电压输入的DC/DC 转换模块完成，其参数输入电压：9~36V,输出电压3.3V,输出电流600mA.

　　电路如图4 所示。

图4 电源模块电路[page]

　　2.2 软件设计

　　蓄电池报警器软件采用模块化设计，分成main ,B T _timer,SD16 三个模块。每个模块由C 语言编程的若干子程序块组成。其中包括主程序，数据采集及处理子程序，显示子程序，超限判断及报警子程序，中断处理子程序等。

　　2.2.1 main模块。

　　Main 模块由系统主程序与PORT 中断程序组成，主程序用于完成自检和初始化。自检包括RAM 工作区、A /D 转换器及其模拟采样通道、显示模块等的自检。初始化将对仪器初始状态给予设定，包括定时器和串口的设定及分配、中断系统的开放、看门狗的启动等，系统初始化完成后进入LPM0 低功耗模式。PORT 中断处理程序完成对按键输入的处理。

　　2.2.2 BT_timer模块。

　　BT_timer 模块由BT_timer 初始化程序，BT_timer 中断处理程序，LED 显示处理程序组成，其中BT_timer 初始化程序主要完成对基本定时器的初始化，设定的定时周期为250ms;BT_timer 中断处理程序完成报警后1 分钟报警解除处理，刷新LED 处理，定时启动SD16 模块等功能，其程序流程图如图5 所示。LED 显示处理程序，主要根据程序的显示字，显示模式字来完成对L E D ,蜂鸣器硬件操作，包括显示、闪烁、鸣叫等。

图5 BT_timer中断处理程序

　　2.2.3 SD16模块。

　　SD16 模块主要包括SD16模块初始化程序，SD16（ADC）中断处理程序。SD16模块初始化程序主要完成MSP430 内置数/ 模转换模块SD16 的初始化设置；SD16（ADC）中断处理程序，主要完成电压数据采集，处理，判定，显示字与显示模式字的修改等功能，该程序是数据处理的核心程序。

　　SD16 中断处理程序流程图如图6 所示。

图6 SD16中断处理程序流程图

　　2.2.4 报警判定处理。

　　设立一个"先进先出"的缓冲队列，存放端电压值随时间变化曲线。依据缓冲队列中的电压采样值监测车辆蓄电池电压范围，判断蓄电池启动、内阻大、充电等状态变化并伺机报警。当端电压值超过或低于门限值达3000ms,即做高（低）报警；如端电压值单位时间内下降幅度较大，则意味着蓄电池性能变差，做内阻大报警；如端电压值单位时间内变化超过一定值，则可判别发动机启动，充电等状态，在单次起动时间超过5 s 、相邻两次启动时间少于1 5 s、连续启动次数超过3 次时，做非规范启动报警。

　　3 结束语

　　产品设计中的技术路线选择，以满足设计功能基础上的合用性为原则，同时综合考虑实际使用条件，安装，成本等因素。

　　以上设计的报警器结构紧凑小巧，安装方便，使用直观，功能齐全，为驾、修人员提供一个方便的车辆蓄电池监测手段，产品已投入实际使用。

参考文献:

[1]. MSP430  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MSP430+_490166.html.
[2]. Maxim  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/Maxim+_1062568.html.
[3]. MSP430F427 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MSP430F42700.html.