怎樣利用AVR單片機來測試蓄電池的剩余電量？

蓄電池作為備用電源，已在計算機網(wǎng)絡、通訊、電力等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。蓄電池的荷電量與整個供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)，蓄電池剩余電量越高，系統(tǒng)可靠性越高，否則反之。對于一些重要的用電領(lǐng)域，例如信息處理中心，如果能在既不消耗蓄電池的能量，又不影響用電設備正常工作的條件下，實現(xiàn)蓄電池剩余電量的在線監(jiān)測，將有重要的實際意義。近幾年隨著IT產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電池的重要性越來越突出，對剩余電量精確預測的需求越來越迫切。

預測蓄電池剩余電量的常見方法有：密度法、開路電壓法、放電法、內(nèi)阻法。前三種方法測量精度較低且不適合密封蓄電池的在線測量，故較難實用。內(nèi)阻法對被測蓄電池的影響很小，且蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內(nèi)阻相差2－4倍左右，因此，用內(nèi)阻法預測蓄電池剩余電量有較高的精度，正逐步得到實際應用。

1 內(nèi)阻法測量原理

1.1 蓄電池等效模型

蓄電池交流待效阻抗Z模型如圖1所示。

圖中：R1、R2為正、負電極的極化電阻;

C1、C2為正、負電極和極化電容;

L為引線電感;

RΩ為電池歐姆電阻。

蓄電池歐姆電阻RΩ表征了電池的荷電程度。便為了簡化測量通常從等效阻抗Z中僅分離純電阻R（R由RΩ、R1、R2構(gòu)成），R和RΩ之間呈線性關(guān)系， 故可用R間接地表征電池荷電程度。

1. 2 四線法內(nèi)阻測量

由于蓄電池內(nèi)阻很小，一般為uΩ－Ωm級，因此測量線的阻抗就變得不可忽略，為此采用四線法測量，即將驅(qū)動電流回路和感應電壓電路分開。內(nèi)阻四線法測量原理圖如圖2所示，其中R2為取樣電阻。

測量蓄電池內(nèi)阻的方法是：在蓄電池的兩端施加一恒定的交流音頻電流源is，然后檢測電池兩端電壓Vo，以及is和V0兩者之間的夾角θ。三者之間關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知：Z＝Vo/io

R=Zcosθ

R即為我們需要獲取的蓄池內(nèi)阻。

1.3 剩余電量的測量原理

研究表明，電池的內(nèi)阻與荷電程度之間有較高的相關(guān)性（0.88左右），通過測量電池內(nèi)阻可較準確地預測其剩余電量。蓄電池內(nèi)阻與剩余電量的關(guān)系曲線如圖4所示。

具體實施的方法是：將蓄電池充滿電（以12V蓄電池為例，充電至13.8V，浮充電流至10mA。）然后以0.1C放電率對電池放電，記錄放電過程中內(nèi)阻與電量的大小。當蓄電池放電完畢（12V蓄電池放電至10.8V）可獲得完整的放電曲線，即剩余電量與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系。將此曲線存入EPROM中，在以后測試同型號同規(guī)格的蓄電池時，單片機將根據(jù)在線測到的電池內(nèi)阻值，通過查表計算，得出其剩余電量值。

2 硬件設計

2.1 儀器結(jié)構(gòu)框圖

為了實現(xiàn)上述剩余電量預測方法，我們研制的測試儀器硬件框圖如圖5所示。該儀器主要由音頻信號發(fā)生器、耦合驅(qū)動器、差動放大器、濾波網(wǎng)絡、整流電路、相位檢測電路、電壓電流取樣電路、模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換器（AD7715）、單片機（AT90S8515）、LCD顯示器及鍵盤等組成。

需要指出的是，為了獲得較高的剩余電量預測精度，被測內(nèi)阻必須有足夠有效位數(shù)，為此我們?nèi)?位有效數(shù)字，這樣就要求A／D轉(zhuǎn)換器必須在14位以上。由于蓄電池內(nèi)阻、電壓均為變化緩慢的低時變信號，故我們只需選低速串行A／D轉(zhuǎn)換器，而∑－△類型的A／D轉(zhuǎn)換器就能很好地滿足我們的要求，為此我們選AD7715。AD7715為16位A／D轉(zhuǎn)換器，具有自校零、自校量程功能，具有很高的測量精度，另外SPI接口，便于與單片機高速通信。

單片機為Atmel公司的新一代Risc單片機（AT90S8515），該單片機具有如下優(yōu)越性能：

120條精簡令，且大多指令執(zhí)行時間是單時鐘周期;

采用哈費結(jié)構(gòu)，在8MHz時鐘下，每條指令執(zhí)行進間僅為125ns;

片內(nèi)有8KB Flash程序存儲器，512byte EPROM數(shù)據(jù)存儲器，512byte RAM存儲器;

除擁有普通異步通信接口外，還擁有SPI接口，SPI數(shù)據(jù)傳送速率高達2.5Mb/s;

擁有PWM發(fā)生器，模擬電壓比較器以及Watehdog定時器。

2.2 接口設計

單片機與主要外圍器件接口電路圖6所示。

（1）PA口用作鍵盤輸入和外接EPROM存儲器，其中PA0接存儲器時鐘線，PAI接存儲器數(shù)據(jù)線，PA2∽PA7 接鍵盤。

（2） PB口用作A／D轉(zhuǎn)換和模擬開關(guān)通道選擇，其中PBO∽PB2用作通道線，PB5∽PB7連接A／D轉(zhuǎn)換器對應的SPI口線。

（3） PC口用作液晶顯示器數(shù)據(jù)口。

（4） PD口用作A／D中請求和液晶顯示器控制口，其中PD2為A／D轉(zhuǎn)換器中請求，PD5為液晶顯示器片選信號，PD6為讀寫選擇信號，PD7為使能信號。

3 軟件設計

測試儀器的主要程序流程圖如圖7～9所示。

4 測驗結(jié)果

為了驗證設計，我人對研制的兩臺樣要做了全性能測試，測試結(jié)果如表1所示。

AVR是一種功能非常強大的單片機，片內(nèi)不僅集成了許多外圍接口功能電路，而且運算速度快、功耗低、可靠性高，非常適合中智能儀器儀表中應用。

從理論上說，只要調(diào)整音頻電流源幅度，內(nèi)阻法可適用各種容量的蓄電池測量。該方法也同樣適用Ni－Mh、Ni－Cd及Li電池，因此用內(nèi)阻法來預測蓄電池的剩余電量具有良好的通用性和實用性。