摘? 要: 利用新一代AVR單片機(AT90S8515)實現蓄電池剩余電量在線測量。該方法通過實時測量蓄電池內阻，推算出其剩余電量。最后給出了實驗結果。
關鍵詞: 單片機? 在線測量 蓄電池? 剩余電量
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蓄電池作為備用電源，已在計算機網絡、通信、電力等領域得到了廣泛的應用。蓄電池的荷電量與整個供電系統的可靠性密切相關，蓄電池剩余電量越高，系統可靠性越高，否則反之。對于一些重要的用電領域，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，實現蓄電池剩余電量的在線監測，將有重要的實際意義。近幾年隨著IT產業的迅速發展，電池的重要性越來越突出，對剩余電量精確預測的需求也越來越迫切。
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，其內阻相差2～4倍左右，因此，用內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 內阻法測量原理
1.1 蓄電池等效模型
蓄電池交流等效阻抗Z模型如圖1所示。
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圖中:R1、R2為正、負電極的極化電阻;
C1、C2為正、負電極的極化電容;
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。但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構成)，R和RΩ之間呈線性關系，故可用R間接地表征電池荷電程度。
1.2 四線法內阻測量
由于蓄電池內阻很小，一般為μΩ～mΩ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，即將驅動電流回路和感應電壓電路分開。內阻四線法測量原理如圖2所示，其中Rs為取樣電阻。
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測量蓄電池內阻的方法是:在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源is，然后檢測電池端電壓V0，以及is和V0兩者之間的夾角θ。三者之間關系如圖3所示。
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由圖3可知:
R即為我們需要獲取的蓄電池內阻。
1.3 剩余電量的測量原理
研究表明，電池的內阻與荷電程度之間有較高的相關性(0.88左右)，通過測量電池內阻可較準確地預測其剩余電量。蓄電池內阻與剩余電量的關系曲線如圖4所示。
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具體實施方法是: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，記錄放電過程中內阻與電量的大小。當蓄電池放電完畢(12V蓄電池放電至10.8V)就可獲得完整的放電曲線，即剩余電量與蓄電池內阻之間的關系。將此曲線存入EPROM中，在以后測試同型號同規格的蓄電池時，單片機將根據在線測到的電池內阻值，通過查表計算，得出其剩余電量值。
2 硬件設計
2.1 儀器結構框圖
為了實現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生器、耦合驅動電路、差動放大器、濾波網絡、整流電路、相位檢測電路、電壓電流取樣電路、模擬轉換開關、A/D轉換器(AD7715)、單片機(AT90S8515)、LCD顯示器及鍵盤等組成。
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需要指出的是，為了獲得較高的剩余電量預測精度，被測內阻必須有足夠有效位數，為此我們取4位有效數字，這樣就要求A/D轉換器必須在14位以上。由于蓄電池內阻、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轉換器，而Σ-Δ類型的A/D轉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轉換器，具有自校零、自校量程功能，具有很高的測量精度，另外還有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越性能:
·120條精簡指令，且大多數指令執行時間是單時鐘周期；
·采用哈費結構，在8MHz時鐘下，每條指令執行時間僅為125ns；
·片內有8KB Flash程序存儲器，512byte EPROM數據存儲器，512byte RAM存儲器；
·除擁有普通異步串行通信接口外，還擁有SPI接口，SPI數據傳送速率最高達2.5Mb/s;
·擁有PWM發生器，模擬電壓比較器以及Watchdog定時器。
2.2 接口設計
單片機與主要外圍器件接口電路如圖6所示。
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(1)口用作鍵盤輸入和外接EPROM存儲器，其中PA0接存儲器時鐘線，PA1接存儲器數據線，PA2～PA7接鍵盤。
(2)口用作A/D轉換和模擬開關通道選擇，其中PB0～PB2用作通道選擇，PB5～PB7連接A/D轉換器對應的SPI口線。
(3)口用作液晶顯示器數據口。
(4)口用作A/D中斷請求和液晶顯示器控制口，其中PD2為A/D轉換器中斷請求，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。
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4 試驗結果
為了驗證設計，我們對研制的兩臺樣機做了全性能測試，測試結果如表1所示。
AVR是一種功能非常強大的單片機，片內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，非常適合在智能儀器儀表中應用。
從理論上說，只要調整音頻電流源幅度，內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。
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參考文獻
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