劉垚友

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基于51單片機的蓄電池電導自動測試儀

劉垚友

【摘要】當今社會，蓄電池有著廣泛的應用，雖蓄電池作為能源能起到重要作用。蓄電池的品質作為重要指標，需要有效的對其進行檢測，考慮到電池的電導與品質之間較強的相關性，設計了本套基于51單片機的電導測試儀對其品質進行檢測。該電導測試儀以交流注入法作為基本測量依據(jù)，即對待測蓄電池和參考電阻注入交流信號，然后通過對比兩者的壓降來求得蓄電池的內阻，進而轉化為電導。在硬件上，采用功能齊全、操作簡單的AT89C51單片機作為控制和顯示單元，以ICL8038構成信號發(fā)生電路，經(jīng)放大后再通過幅度和相位檢測電路，最終實現(xiàn)電導的實時測量。通過對比測試，該電導測試儀測量迅速、結果準確且穩(wěn)定性好，能夠滿足實際的需要，具有一定的應用價值。

【關鍵詞】蓄電池；電導測試儀；交流注入法；幅度檢測；相位檢測；AT89C51；ICL8038

0　引言

蓄電池的品質是我們使用蓄電池時需要首要考慮的因素，傳統(tǒng)的蓄電池品質測試儀價格昂貴，因此有必要設計出一種可測量電池品質的經(jīng)濟可行的方法。電導是描述導體導電能力的物理量，反映了導體傳導電流的能力。蓄電池的內部狀況如電解液干涸、極板腐蝕等都會引起電池的內阻增大，電導減小，所以通過測量蓄電池的電導值可以很好的反映出電池質量的好壞。蓄電池在各方面的應用十分廣泛，尤其是動力系統(tǒng)，通過電導測試儀快速有效地測量蓄電池品質并發(fā)現(xiàn)失效電池，對于戰(zhàn)場搶修和避免重大事故有著極其重要的意義。

1　系統(tǒng)總體方案設計

1.1測量原理

蓄電池電導的測量通過測量蓄電池的電阻來實現(xiàn)。蓄電池的內阻非常小，一般用微歐或者毫歐表示它，這么小的電阻值要求必須用專用儀器來進行測量。

目前公認的測量電池電阻的有效方法主要有兩種，分別是直流放電內阻測量法和交流注入法。交流注入法的原理較為簡單，測量的精度也比較高，它可以用來測量幾乎所有的電池，最主要的是它可以避免大電流給電池帶來的損傷，安全可靠。因此選擇交流注入法[1]為理論設計本套電導測試儀系統(tǒng)。

交流注入法原理是，將取樣電阻R與待測蓄電池（阻抗為Z）串聯(lián)，注入交流電流，則此時取樣電阻兩端的電壓VR為：

蓄電池兩端的電壓VB為：

因此只要能測量出VB和VR兩者之間的幅度比g和相位差就可以求得蓄電池的電導G為：

1.2總體設計方案

該電導測試儀系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。首先由測試信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生正弦波信號，該信號的頻率要可調，又因為蓄電池的內阻非常小，為保證蓄電池兩端電壓的正常檢測，因此要對信號源產(chǎn)生的信號進行功率放大，下一步要對取樣電阻和蓄電池上的激勵電壓求幅度比和相位差，為了更好的檢測，首先對兩者的電壓進行放大處理，然后接幅度和相位檢測電路，最后再接控制單元對數(shù)據(jù)進行LED顯示，通過簡單的計算就能得出蓄電池的電導值。

圖1　系統(tǒng)總體設計框圖

圖2　總體電路仿真圖

2　各部分硬件設計

2.1控制單元

單片機[2]作為本電導自動測試儀系統(tǒng)的核心，在該系統(tǒng)中單片機要實現(xiàn)的功能主要是控制和顯示，首先是幅度比部分，要利用單片機控制A/D轉換器工作將所得出的模擬信號準化為數(shù)字信號，然后再接LED數(shù)碼管，用單片機控制顯示；其次是相位差部分，要利用單片機內置的計數(shù)器測量兩路信號的時間差，再送LED數(shù)碼管進行顯示。

2.2正弦信號產(chǎn)生電路的設計

正弦信號可以由很多方法來產(chǎn)生，該系統(tǒng)選擇的是用ICL8038芯片[3]產(chǎn)生正弦信號，在ICL8038芯片外圍電路的設計中，既要選擇合適的電阻來調節(jié)波形的失真度，又要選擇合適的電容和電阻用來調節(jié)產(chǎn)生信號的頻率。一般取調節(jié)頻率的電阻是定值，這樣調節(jié)電容C的大小可方便的調節(jié)輸出信號的頻率。

2.3功率放大電路

為了使蓄電池兩端的電壓得到很好的檢測，需要對輸出信號進行功率放大，本系統(tǒng)中選擇LM386功率放大器，LM386[4]的外圍電路通過調節(jié)1腳和8腳之間的電容來調節(jié)增益大?。淮送?腳所接的旁路電容是必不可少的，它能起到濾除噪聲的作用；輸出端所接的電容C6起到隔直和耦合的作用。

2.4差動放大器

由于蓄電池兩端的電壓幅度較小，所以在幅相檢測前要對其兩端電壓進行放大，選擇AD623芯片[5]作為差動放大器，其中AD623芯片的1和8管腳之間接電阻用來調節(jié)差模放大的增益。

2.5幅相檢測電路

幅度檢測首先用峰值檢測器檢測出信號的峰值，再接A/D轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號。峰值檢測器就是要對信號的峰值進行采集并保持。峰值檢測器有三個部分：（1）模擬峰值存儲器，即電容器；（2）單項電流開關，即二極管；（3）輸入輸出緩沖隔離，即運算放大器。運算放大器采用TL082芯片。A/D轉換電路，是將模擬量或連續(xù)變化的量進行量化，轉化為相應的數(shù)字量的電路。A/D轉換電路采用ADC0808芯片。

本系統(tǒng)采用相位差轉換為時間間隔進行測量的方法[6]，先測量出兩路信號的時間差，再根據(jù)公式計算出相位差。該相位比較器主要由雙電壓比較器LM393和雙D觸發(fā)器4013組成。

2.6數(shù)碼管顯示

在幅度顯示時，用單片機控制DAC0808進行D/A轉換和數(shù)據(jù)輸出，同時利用單片機外接D觸發(fā)器的方式產(chǎn)生方波作為DAC0808的時鐘信號，數(shù)碼管采用動態(tài)顯示的方式，在三個數(shù)碼管上分別顯示百十個位。在相位顯示時，將相位差檢測電路得到的時間差脈沖作為控制信號，另外選取一個高頻脈沖作為單片機的計數(shù)脈沖，通過讀取計數(shù)的個數(shù)結合高頻脈沖的周期就可以算出時間差，再根據(jù)公式算出相位差的大小。

3　系統(tǒng)仿真結果

本系統(tǒng)選用Proteus7.8作為仿真軟件，選用Keilm Vision2作為編程軟件。

將所有部分電路連接起來就得到了整體的電路圖，用小電阻代替蓄電池進行仿真，通過調節(jié)電阻的大小，將系統(tǒng)測出的電導值與理論值進行比較，得到的數(shù)據(jù)記錄于表1中，表中放大倍數(shù)為小電阻兩端電壓放大倍數(shù)，幅度比為放大后小電阻兩端電壓與參考電阻兩端電壓的比值，仿真中參考電阻統(tǒng)一取10，增益調節(jié)電阻統(tǒng)一取為1K，即放大倍數(shù)為100.8倍。

從表1的數(shù)據(jù)看出：由于是用電阻代替蓄電池，沒有容抗特性，所以相位差部分的值始終為零。分析相對誤差可知，用該系統(tǒng)測出的小電阻的電導值與理論值的誤差全部在1%以下，并且當阻值大于0.025時，相對誤差更是降到了0.5%以下，這是由于隨著阻值的增加，數(shù)碼管顯示位數(shù)限制所引起的誤差會逐漸減少，精度會更高。

4　結論

通過仿真結果看出本套電導測試儀可以較為準確的測量出蓄電池的電導值。但該系統(tǒng)存在一些改進的方面，首先是信號發(fā)生器產(chǎn)生信號頻率的調節(jié)，ICL8038的頻率如果是通過調頻電壓輸入端口輸入電壓來調節(jié)，通過矩陣鍵盤來控制單片機輸出電壓大小，再經(jīng)過D/A轉換器后輸入信號發(fā)生器，能夠更方便的調節(jié)到所需要的頻率；其次是在芯片的選擇上，可選擇更為高檔的芯片，得到的結果會更精確。該系統(tǒng)能夠準確的測量出蓄電池的電導，進而判斷蓄電池的品質，能夠快速有效的發(fā)現(xiàn)失效電池，對于部隊的戰(zhàn)場搶修和避免重大事故的發(fā)生有著重要意義。

參考文獻

[1]趙建領,薛圓圓.51單片機開發(fā)與應用技術詳解[M].電子工業(yè)出版社,2009.

[2]夏勇.蓄電池內阻在線監(jiān)測裝置的研究[J].通信電源技術,2003,12(6):35-38.

[3]白炳良,吳木端等.基于ICL8038函數(shù)信號發(fā)生器的設計[J].大學物理實驗,2008,3(1):57-61.

[4]黃菊.基于LM386集成功率放大電路的制作與調試[J].無線互聯(lián)科技,2013,7:108.

[5]韓躍平,李瑞江.差動放大電路輸出波形的實驗測試方法[J].現(xiàn)代電子技術,2015,6(12):132-138.

[6]楊燦平,杜宇人.一種高精度相位測量方法方法[J].現(xiàn)代電子技術,2007,3(16):144.

劉垚友（1993—），男，山東濰坊人，大學本科在讀，主要研究方向：電子測量技術。

作者簡介：