- 充電電池容量測試儀實(shí)現(xiàn)方案
- 電池容量測試儀采用89S51作為控制芯片
- 采用三極管進(jìn)行控制
電池容量是衡量電池質(zhì)量的重要指標(biāo)。充電電池的容量測試有很多的方法。可以依據(jù)電池的放電曲線，進(jìn)行短時間放電，從而粗略得出電池容量。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是快速，但是充電電池的放電曲線并不具有普遍性，很多劣質(zhì)電池放電初期電壓也很平穩(wěn)，一旦進(jìn)入中后期，電壓下降非常迅速，所以采用這種方法得出的結(jié)論將非常不準(zhǔn)確的。最可靠最準(zhǔn)確無誤的還是以標(biāo)準(zhǔn)電流放電，全程測量實(shí)際放電時間的方式。不同的放電電流，充電電池最終能夠釋放出的電量是不同的，有一定的差距。蓄電池的容量標(biāo)注都是有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的。目前使用最多的是10小時率放電容量與20小時率放電容量兩種。10小時率放電容量就是電池以恒定電流放電，至電量耗盡放電時間能夠維持10個小時左右，這個電流就被稱作10小時率電流(衡量電量用盡的標(biāo)準(zhǔn)，不能以電池放電端電壓降低到零為準(zhǔn)。電池過度放電，會導(dǎo)致電池容量減少，無法恢復(fù)，乃至提早損壞、完全失效。所以每種電池放電終止電壓都有嚴(yán)格的規(guī)定，這個可以查閱相關(guān)資料。過度放電與過度充電是造成充電電池不能達(dá)到使用年限、提前報廢的主要原因)。實(shí)時放電的測量方法最大的缺點(diǎn)就是費(fèi)時費(fèi)力，因為耗時久這樣測量精度也很容易受到各種外部因素的影響。測量過程中如果用10小時率電流持續(xù)放電時間至少都要在5個小時以上，作這樣長時間的測試更需要足夠的耐心與精力以及充裕的時間。科技的發(fā)展是非常迅速，今天單片機(jī)已經(jīng)非常普及了。通過單片機(jī)程序控制對放電時間，深度進(jìn)行自動化控制，就很容易精準(zhǔn)測出電池的實(shí)際容量，實(shí)現(xiàn)整個過程的自動控制。模擬實(shí)際放電測量容量的方法雖然對能源有一點(diǎn)浪費(fèi)，但是對于1A、2A以下的小容量充電電池還是完全可行的，對大容量電池進(jìn)行抽樣檢查也是很有必要。
下面介紹的電池容量測試儀采用89S51作為控制芯片，圖1就是硬件的電路原理圖。
圖1 硬件的電路原理圖
這個電池容量測試儀由放電電路、單片機(jī)控制計時兩個完全獨(dú)立部分組合而成。單片機(jī)部分制作費(fèi)時費(fèi)力，而且市面上單片機(jī)已很普及，沒必要親手制作，隨便找一片51單片機(jī)實(shí)驗板就可以了。放電電路則是比較簡單的，僅由四五只元件構(gòu)成。單片機(jī)部分主要負(fù)責(zé)對放電時間計時，最終得到一組可靠的數(shù)據(jù)，用于電池性能的考量。
這種放電電路的實(shí)質(zhì)就是一模擬可控硅。當(dāng)我們將待測電池接入電路相應(yīng)位置時，點(diǎn)按啟動鍵，如果電池尚有余量，則電池兩端放電電壓將維持在設(shè)定值以上，三極管VT1就會瞬間飽和，電池通過電阻R2進(jìn)行放電。這種電路有可靠精確陡峭的開關(guān)特性，VT1絕對工作于飽和截止兩種狀態(tài)之下。通過可調(diào)電阻對開關(guān)電路臨界值(即充電電池放電終止電壓)進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定，便可適應(yīng)于各種不同類型充電電池的全程保護(hù)放電。由于個人的應(yīng)用不需要非常精準(zhǔn)的測試結(jié)果，所以實(shí)際測試中電池模擬放電原則上還是以快些為好，只需要得到一個大致的電池容量。為了較快完成電池測試過程，這里的電路設(shè)計采用兩小時率電流進(jìn)行放電。通過對各種電池測量結(jié)果的橫向比較，容量的差異還是顯而易見的，以此作為衡量電池優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，就已經(jīng)足夠了。這里以1000mAH、1.2V規(guī)格鎳氫電池測試為例，放電電流500mA就需要采用2Ω的放電電阻，電池終止放電電壓應(yīng)控制在1V以上。放電終止電壓通過可調(diào)電阻R1來調(diào)節(jié)設(shè)定。普通可調(diào)電阻精度較差，且容易產(chǎn)生漂移，會導(dǎo)致設(shè)定好的終止電壓隨時間推移以及使用環(huán)境變化產(chǎn)生較大的波動。為了保證放電終止電壓的精準(zhǔn)且易于設(shè)定，R1可以使用3296系列精密可調(diào)電位器。3296多圈可調(diào)精密電位器的可調(diào)范圍一般在50T，所以每圈的調(diào)節(jié)范圍為2%，每轉(zhuǎn)動一度，阻值變化大約0.005%，所以很容易調(diào)節(jié)獲得一個精確、穩(wěn)定的阻值。
終止電壓的設(shè)定必須在實(shí)際放電過程中進(jìn)行，負(fù)載電阻R2阻值變動，已經(jīng)設(shè)定的終止電壓也會隨之改變，需要重新設(shè)置。具體的調(diào)試方法就不再詳述了，參考一下相關(guān)資料。
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這個放電電路不需要單獨(dú)的工作電源，而且與電池種類沒有相關(guān)性，完全可以適應(yīng)鎘鎳、鎳氫、鋰電池、鉛酸電池各種類型蓄電池的保護(hù)性放電，只是需要根據(jù)電池類型以及容量大小重新設(shè)置電路的終止電壓及放電電流。如果電池容量相對較高，那么三極管VT1、VT2的耗散功率也要相應(yīng)加大一些，同時不要忘了加大負(fù)載電阻R2的功率。
圖2是放電電路的印刷電路圖，元件數(shù)量少，很容易制作。
圖2 印刷電路圖
各種電池兩小時率電流放電能夠維持的放電時間一般都是在1.5小時以下的。這里單片機(jī)計時系統(tǒng)使用秒計時，4位LED數(shù)碼管顯示。最大計時時間9999秒，大約2.7小時。
圖1單只LED數(shù)碼管內(nèi)部都是由8只發(fā)光管組合而成，分別作為8的7段字型部分，以及一位小數(shù)點(diǎn)。這里使用的是共陽極數(shù)碼管，內(nèi)部8只發(fā)光管的陽極是并連共同引出的，作為使能控制。
在實(shí)際電路中，L1就是第一只數(shù)碼管的共陽極端。單片機(jī)的輸出、輸入接口數(shù)量都很有限，所以4位LED數(shù)碼管驅(qū)動都是使用動態(tài)顯示的方式。4只獨(dú)立數(shù)碼管LED的內(nèi)部a、b、c、d、e、f、g、dp這8段發(fā)光管相對應(yīng)的陰極都是并連的。統(tǒng)一由單片機(jī)P0口8位輸出進(jìn)行驅(qū)動。數(shù)碼管要顯示出數(shù)碼還必須在共陽極端同時施加正電壓才行。所以要讓4位中某一數(shù)碼管進(jìn)行顯示，只要在P0口輸出字型碼的同時，給這位數(shù)碼管共陽極端加上正電壓就行了，當(dāng)然與此同時其他三位數(shù)碼管的共陽極端要保持低電壓，才不致顯示出現(xiàn)混亂。數(shù)碼管共陽極端驅(qū)動電流較大，所以采用了三極管進(jìn)行控制。以第一只數(shù)碼管為例，在P0端口輸出字型碼的同時，P37輸出低電平，三極管T4導(dǎo)通，則共陽極端L1就得到高電平了，數(shù)字就會顯示在第一只數(shù)碼管上了。
程序設(shè)計是以單片機(jī)P37口作為計時控制端子，P37口輸入低電平，計時程序啟動，4只數(shù)碼管顯示時間。放電電路中按下啟動按鍵，放電過程觸發(fā)，VT1導(dǎo)通，電池端電壓降落到放電電阻R2兩端，A端對地為高電平，通過電阻R4迫使三極管VT3導(dǎo)通，P37口電平就被拉低了，單片機(jī)計時程序啟動。電池電壓降到終止電壓以后，放電電路自動關(guān)閉，A端電壓消失，VT3恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)，計時程序停止，數(shù)碼管維持顯示當(dāng)前持續(xù)時間。
如要進(jìn)入下次測試，首先按動單片機(jī)復(fù)位鍵，當(dāng)前計時清零，等待下一次測試開始。
程序設(shè)計比較簡單。它的大致流程如下：初始化，P3端口置位，設(shè)立常量a為時間計數(shù)器，依次對a的十進(jìn)制數(shù)值各位進(jìn)行提取，順序輸送到P0端口，P2端口中的P24、P25、P26、P27各位是依次作為四位數(shù)碼管的使能控制端，通過P2端口的配合，就可以完成對各位數(shù)碼管的驅(qū)動，時間的動態(tài)顯示。程序進(jìn)行中要不斷地檢測P3端口數(shù)值以決定計時狀態(tài)：如果電池處于放電過程之中，三極管VT3導(dǎo)通，將迫使P37端口電壓降到零，P3端口值就是127，單片機(jī)程序檢測到這一結(jié)果，時間常量a將自動加1，指示期間放電時間已經(jīng)延續(xù)1秒種了。這1秒鐘的時間精確計算是比較麻煩的。計時程序是一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，每一周期耗用時間都是一致的。所以在使用keil軟件調(diào)試過程中，通過對時間計數(shù)寄存器sec的觀察計算，可以得出一次循環(huán)大致需要的時間。以此為據(jù)再通過適當(dāng)改變延時子程序循環(huán)次數(shù)將常量a計時周期控制在1秒以下，剩余微小的時間差就可以通過插補(bǔ)空指令來校正了。計時精度只要控制在千分之一以下就可以了。在51單片機(jī)使用11.0592MHz晶體振蕩器的情況下，指令周期大約1.085微秒，所以將計時精度控制在千分之一以下問題不大。誤差總是會有的，只能通過精確計算來控制了，也可以通過更換更高頻率的晶體振蕩器提高單片機(jī)時鐘頻率的方法來進(jìn)一步提高計時的精度。如果放電過程中，意外原因或者人為終止放電過程，P37端口變?yōu)楦唠娖剑绦蜓h(huán)依舊會進(jìn)行下去，只是時間常量a停止自動加一，時間顯示維持不變。
編譯后，寫入單片機(jī)內(nèi)部，做好放電電路部分與51單片機(jī)的連接，便可投入使用。
電池接入后，按動輕觸按鍵“啟動”，就會進(jìn)入一次容量測試過程，期間電池取出接入，都不會影響到單片機(jī)計時。電池放電完畢，單片機(jī)數(shù)碼管顯示鎖定，給出總放電持續(xù)時間，單位為秒。可以自行人工計算放電小時數(shù)。當(dāng)然也是可以自行對程序進(jìn)行改進(jìn)，直接以小時分鐘形式進(jìn)行顯示。只要單片機(jī)不斷電，數(shù)碼管將持續(xù)顯示當(dāng)前放電時長。如果要進(jìn)入下次測量過程，只需要按動單片機(jī)復(fù)位鍵，數(shù)碼管清零，單片機(jī)程序轉(zhuǎn)入起點(diǎn)，你就可以進(jìn)入新一次的容量測試過程了。
充電電池如果較長時間閑置，它的實(shí)際容量將受到影響，重新啟用第一次能夠釋放的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)注容量，放電電壓也很不平穩(wěn)。至少要經(jīng)過三次以上的充電放電循環(huán)，電池完全激活，容量才能恢復(fù)到應(yīng)有的水平。充分考慮這種因素的影響，所以容量測試一般采取多次平均的方式，或者循環(huán)充放電三次以后放電持續(xù)時間為準(zhǔn)，以此衡量電池容量才算是恰當(dāng)。
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#include “reg51.h”
char
code disp[]={40，235，50，162，225，164，36，234，32，160};
//字形碼
void delay(unsigned int dt)
{ unsigned int j=0;
for(;dt>0;dt--)
{ for(j=0;j<125;j++)
{;}
}
}
void main()
{ int a，b，c，led1，led2，led3，led4;
P3=255;
a=0;
for(;;)
{b=a;
led1=b%10;
P2=239;
P0=disp[led1];
delay(6);
P2=255;
b=b/10;
led2=b%10;
P2=223;
P0=disp[led2];
delay(6);
P2=255;
b=b/10;
led3=b%10;
P2=191;
P0=disp[led3];
delay(6);
P2=255;
b=b/10;
led4=b%10;
P2=127;
P0=disp[led4];
delay(6);
P2=255;
for(c=44;c>0;c--)
{
P2=239;
P0=disp[led1];
delay(5);
P2=255;
P2=223;
P0=disp[led2];
delay(5);
P2=255;
P2=191;
P0=disp[led3];
delay(5);
P2=255;
P2=127;
P0=disp[led4];
delay(5);
P2=255;
}
if(P3==127)
delay(3);
if(P3==127)
a=a+1;
else a=a;
}
}
