AVR单片机在蓄电池剩余电量测试仪中的应用

预测蓄电池剩余电量的常见方法有：密度法、开路电压法、放电法、内阻法。前三种方法测量精度较低且不适合密封蓄电池的在线测量,故较难实用。内阻法对被测蓄电池的影响很小,且蓄电池完全充电（充满）和完全放电（放完）时,其内阻相差2－4倍左右,因此,用内阻法预测蓄电池剩余电量有较高的精度,正逐步得到实际应用。

1 内阻法测量原理

1.1 蓄电池等效模型

蓄电池交流待效阻抗Z模型如图1所示。

图中：R1、R2为正、负电极的极化电阻;

C1、C2为正、负电极和极化电容;

L为引线电感;            

RΩ为电池欧姆电阻。

蓄电池欧姆电阻RΩ表征了电池的荷电程度。便为了简化测量通常从等效阻抗Z中仅分离纯电阻R（R由RΩ、R1、R2构成）,R和RΩ之间呈线性关系, 故可用R间接地表征电池荷电程度。

1. 2 四线法内阻测量

由于蓄电池内阻很小,一般为uΩ－Ωm级,因此测量线的阻抗就变得不可忽略,为此采用四线法测量,即将驱动电流回路和感应电压电路分开。内阻四线法测量原理图如图2所示,其中R2为取样电阻。

测量蓄电池内阻的方法是：在蓄电池的两端施加一恒定的交流音频电流源is,然后检测电池两端电压Vo,以及is和V0两者之间的夹角θ。三者之间关系如图3所示。

由图3可知：Z＝Vo/io

R=Zcosθ

R即为我们需要获取的蓄池内阻。

1.3 剩余电量的测量原理

    研究表明,电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性（0.88左右）,通过测量电池内阻可较准确地预测其剩余电量。蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线如图4所示。

具体实施的方法是：将蓄电池充满电（以12V蓄电池为例,充电至13.8V,浮充电流至10mA。）然后以0.1C放电率对电池放电,记录放电过程中内阻与电量的大小。当蓄电池放电完毕（12V蓄电池放电至10.8V）可获得完整的放电曲线,即剩余电量与蓄电池内阻之间的关系。将此曲线存入EPROM中,在以后测试同型号同规格的蓄电池时,单片机将根据在线测到的电池内阻值,通过查表计算,得出其剩余电量值。

2 硬件设计

2.1 仪器结构框图

为了实现上述剩余电量预测方法,我们研制的测试仪器硬件框图如图5所示。该仪器主要由音频信号发生器、耦合驱动器、差动放大器、滤波网络、整流电路、相位检测电路、电压电流取样电路、模拟转换开关、A／D转换器（AD7715）、单片机（AT90S8515）、LCD显示器及键盘等组成。

    需要指出的是,为了获得较高的剩余电量预测精度,被测内阻必须有足够有效位数,为此我们取4位有效数字,这样就要求A／D转换器必须在14位以上。由于蓄电池内阻、电压均为变化缓慢的低时变信号,故我们只需选低速串行A／D转换器,而∑－△类型的A／D转换器就能很好地满足我们的要求,为此我们选AD7715。AD7715为16位A／D转换器,具有自校零、自校量程功能,具有很高的测量精度,另外SPI接口,便于与单片机高速通信。

单片机为Atmel公司的新一代Risc单片机（AT90S8515）,该单片机具有如下优越性能：

120条精简令,且大多指令执行时间是单时钟周期;

采用哈费结构,在8MHz时钟下,每条指令执行进间仅为125ns;

片内有8KB Flash程序存储器,512byte EPROM数据存储器,512byte RAM存储器;

除拥有普通异步通信接口外,还拥有SPI接口,SPI数据传送速率高达2.5Mb/s;

拥有PWM发生器,模拟电压比较器以及Watehdog定时器。

2.2 接口设计   

单片机与主要外围器件接口电路图6所示。

（1）PA口用作键盘输入和外接EPROM存储器,其中PA0接存储器时钟线,PAI接存储器数据线,PA2∽PA7 接键盘。

（2） PB口用作A／D转换和模拟开关通道选择,其中PBO∽PB2用作通道线,PB5∽PB7连接A／D转换器对应的SPI口线。

（3） PC口用作液晶显示器数据口。

（4） PD口用作A／D中请求和液晶显示器控制口,其中PD2为A／D转换器中请求,PD5为液晶显示器片选信号,PD6为读写选择信号,PD7为使能信号。

3 软件设计

测试仪器的主要程序流程图如图7～9所示。

4 测验结果

为了验证设计,我人对研制的两台样要做了全性能测试,测试结果如表1所示。

AVR是一种功能非常强大的单片机,片内不仅集成了许多外围接口功能电路,而且运算速度快、功耗低、可靠性高,非常适合中智能仪器仪表中应用。

从理论上说,只要调整音频电流源幅度,内阻法可适用各种容量的蓄电池测量。该方法也同样适用Ni－Mh、Ni－Cd及Li电池,因此用内阻法来预测蓄电池的剩余电量具有良好的通用性和实用性。