趙 雁,王志乾
(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033)
作為備用電源,蓄電池已在計算機網(wǎng)絡(luò)、通信、軍工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,其重要性也越來越突出。當(dāng)精密測量儀器在野外工作時,更是離不開電池,而且電池電量對儀器的使用有著重要的影響。如果不能在線對電池的電量進(jìn)行監(jiān)測,將嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行的可靠性,所以對電池剩余電量的預(yù)測和示警也變得越來越迫切[1-3]。
本文針對某電子經(jīng)緯儀的電池組,設(shè)計了一種便攜式的電量監(jiān)測儀,在電池組的充電和放電過程中,實時監(jiān)測電池電量,當(dāng)電池電量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值點時,通過發(fā)光二極管來提醒使用者,而當(dāng)電池電量沒有達(dá)到最低限值時,則通過蜂鳴器告警。
監(jiān)測儀的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)的微處理器選用增強型51單片機C8051F330,它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SoC),高速、流水線結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核與MCS-51指令集完全兼容,但全指令集平均運行速度比MCS-51提高9.5倍。其內(nèi)部有豐富的外設(shè)資源:8 KB可在線編程的Flash存儲器、768 B片內(nèi) RAM、內(nèi)置看門狗、片內(nèi)上電復(fù)位、4個通用16位定時器、真正10位200 kS/s的16通道ADC轉(zhuǎn)換器以及 I2C、UART、SPI總線通信接口等[4]。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖
本系統(tǒng)對電池電量的分壓采集采用C8051F330片內(nèi)的ADC轉(zhuǎn)換器。其目的是:降低整個系統(tǒng)的功耗,防止電路板消耗電池電量比例過大;節(jié)約電路板的面積,防止由于電路板上分立器件走線帶來的不便。
在實際工作中,電池最大電壓為28 V,當(dāng)?shù)陀?0 V時,電子經(jīng)緯儀將無法正常工作。本設(shè)計設(shè)定了3個閾值電壓,分別為:V1(25 V)、V2(22 V)、V3(20 V),當(dāng)微處理器監(jiān)測到電量大于V1時,3個綠色的LED燈亮;當(dāng)電量在 V1和 V2之間時,LED2和 LED3燈亮;當(dāng)電量在 V2和V3之間時,只有 LED3燈亮;當(dāng)電量小于 V3時,紅色的LED4亮,同時蜂鳴器告警。系統(tǒng)的工作狀態(tài)如表1所示。
表1 系統(tǒng)工作狀態(tài)表
C8051F330的主程序采用定時中斷方式,由內(nèi)部定時器2產(chǎn)生頻率為10 Hz的脈沖硬件中斷,程序框圖如圖2所示。
圖2 軟件程序框圖
系統(tǒng)在中斷服務(wù)子程序內(nèi)對A/D采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先采用均值濾波對采進(jìn)來的數(shù)據(jù)求取平均值,濾除由電源的不穩(wěn)定和電路板的噪聲所引起的采樣數(shù)據(jù)的毛刺,從而避免數(shù)據(jù)的抖動;然后將濾波得到的數(shù)值V直接與系統(tǒng)設(shè)定的 3個閾值 V1、V2和 V3進(jìn)行比較,對采樣的電壓進(jìn)行實時定位在某一個狀態(tài)來確定電池電量所處的工作狀態(tài),從而由C8051F330來控制相應(yīng)的LED以及蜂鳴器對用戶做出提示或告警。
按照上述設(shè)計,無論電池充電還是放電,其狀態(tài)的轉(zhuǎn)移是由單一條件閾值決定的,如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖
輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化,都將引起輸出電壓的躍變。但是在實際工作時,由于硬件系統(tǒng)噪聲始終存在,并且電池充放電曲線也不是線性的,即電池本身電壓也存在抖動,而均值濾波只在一定程度上抑制了硬件系統(tǒng)的噪聲,對于電池本身帶來的抖動起不到完全的抑制作用。因此,當(dāng)電壓接近某一個閾值時,系統(tǒng)的狀態(tài)就會頻繁發(fā)生跳變,表現(xiàn)為LED指示燈不停地交替閃爍,影響監(jiān)測儀的正常使用。鑒于這種現(xiàn)象,本系統(tǒng)在軟件上提出一種改進(jìn)方法,即設(shè)定具有滯回特性的閾值條件,如圖4所示。
圖4 改進(jìn)的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖
這種處理方法具有較強的抗干擾能力,即將原來的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的條件由單一閾值變?yōu)橐粋€閾值區(qū)間[VΔV,V+ΔV]。 根據(jù)實際情況,ΔV取 0.1 V。 在這種情況下,采樣的電壓值進(jìn)入某一個狀態(tài)后,若要跳到上一個狀態(tài),需要電壓升高到V+ΔV;若要跳到下一個狀態(tài),則需要電壓降低到下一個閾值V-ΔV。這樣就在軟件上避免了狀態(tài)頻繁跳變的情況,即使出現(xiàn)電壓短暫的抖動也不會影響狀態(tài)的改變。圖5為狀態(tài)轉(zhuǎn)移滯回特性曲線。
本文介紹了一種基于C8051F330的蓄電池電量在線監(jiān)測儀的實現(xiàn)方案,對系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計。通過對軟件處理方法的改進(jìn),采用了具有滯回特性的閾值判斷方法,有效地去除了電源抖動和雜波等造成的干擾。實際應(yīng)用證明,該監(jiān)測儀體積小、成本低、攜帶方便、操作簡單、運行效果良好,達(dá)到了實時監(jiān)測電池電量的目的,能夠滿足用戶的使用要求。
圖5 狀態(tài)滯回特性曲線
[1]李唐兵,姚建剛,李繼光.基于MCU的電能質(zhì)量在線監(jiān)測儀[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(1):23-25.
[2]王宗亮,董國保,劉建東.應(yīng)用單片機測試蓄電池剩余電量[J].機電設(shè)備,2004,21(1):39-41.
[3]徐拓奇,金光.星上電池的均衡控制[J].光學(xué)精密工程,2009,17(3):596-602.
[4]新華龍電子有限公司.C8051F330/1混合信號ISP Flash微控制器數(shù)據(jù)手冊.潘琢金,譯.2003.