基于單片機(jī)的車(chē)輛蓄電池報(bào)警器設(shè)計(jì)

0 引 言

蓄電池是汽車(chē)上的重要部件，不僅為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)提供動(dòng)力，而且為用電設(shè)備提供電能，并存儲(chǔ)充電系統(tǒng)的多余電能，蓄電池技術(shù)狀態(tài)的好壞直接影響汽車(chē)的正常運(yùn)行。實(shí)際工作生活中，蓄電池技術(shù)狀況的檢查手段比較落后，特別就一般車(chē)輛而言，缺少在線(xiàn)、直觀(guān)、實(shí)時(shí)的反映蓄電池技術(shù)狀況的儀器儀表，多數(shù)為無(wú)法啟動(dòng)車(chē)輛時(shí)才送檢，通常因蓄電池保管不善、保養(yǎng)不及時(shí)、放電過(guò)度而早期損壞。為了解決對(duì)車(chē)輛蓄電池技術(shù)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，做到及時(shí)對(duì)需要充電的蓄電池進(jìn)行充電，對(duì)需要維護(hù)修理的蓄電池進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，研制一款能對(duì)車(chē)輛蓄電池的技術(shù)狀態(tài)檢測(cè)報(bào)警的蓄電池報(bào)警器有實(shí)際意義。

車(chē)輛蓄電池報(bào)警器要能實(shí)現(xiàn)的基本功能包括：特定條件下蓄電池剩余電量指示，蓄電池內(nèi)阻大報(bào)警，充電電壓過(guò)高報(bào)警，非規(guī)范啟動(dòng)(單次起動(dòng)時(shí)間超過(guò)5 s 、兩次啟動(dòng)間隔時(shí)間少于15s、連續(xù)啟動(dòng)次數(shù)超過(guò)3 次)發(fā)動(dòng)機(jī)提示報(bào)警。而且根據(jù)實(shí)際使用條件，報(bào)警器要輕便、實(shí)用、直觀(guān)、可靠，并且做到不影響車(chē)輛性能，安裝簡(jiǎn)單，適用性好。

1 檢測(cè)方法的選擇

蓄電池剩余電量的指示是報(bào)警器的一個(gè)主要功能，合理的選擇蓄電池剩余電量檢測(cè)方法成為報(bào)警器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。常見(jiàn)的蓄電池剩余電量的檢測(cè)方法有：密度法、開(kāi)路電壓法、放電法、內(nèi)阻法、庫(kù)侖計(jì)法等。選擇的原則是要能夠滿(mǎn)足整體功能的設(shè)計(jì)要求，并考慮使用環(huán)境、條件以及成本等因素。

1.1 蓄電池剩余電量常見(jiàn)檢測(cè)方法

●密度法：蓄電池剩余電量和其內(nèi)部電解液密度密切相關(guān)，通過(guò)測(cè)量電解液的密度值，即可間接推算其剩余電量。電解液密度隨蓄電池放電程度的增加而按比例下降。

充足電的蓄電池到放電終了，電解液密度約下降0.16,即電解液密度下降0.04,蓄電池約下降25%[1].通常用吸液管密度計(jì)測(cè)量電解液密度，用溫度計(jì)測(cè)出電解液溫度，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行換算。只能離線(xiàn)人工檢測(cè)。

●開(kāi)路電壓法：蓄電池的荷電程度跟蓄電池電解液密度密切相關(guān)，而根據(jù)能斯特方程的描述電解液濃度和溫度變化會(huì)引起電池電動(dòng)勢(shì)的變化。因此，通過(guò)測(cè)量蓄電池的端電壓，也可以推算出蓄電池的剩余電量。

●放電法：通過(guò)對(duì)蓄電池施加一負(fù)載，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的電池端電壓變化率，根據(jù)變化率的大小推算剩余電量，變化量小意味著剩余電量大，否則反之。為了實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量，縮短測(cè)量時(shí)間，需要對(duì)蓄電池大電流放電，而大電流放電對(duì)蓄電池將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，嚴(yán)重影響電池的使用壽命[2].

●內(nèi)阻法：內(nèi)阻與電池容量的相關(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到8 8 % .因此，通過(guò)測(cè)量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其剩余電量。蓄電池完全充電(充滿(mǎn))和完全放電(放完)時(shí)，其內(nèi)阻相差2 ~4 倍左右。隨著電池充電過(guò)程的進(jìn)行，內(nèi)阻逐步減小;隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，內(nèi)阻逐步增大。

另外，隨著電池老化，其內(nèi)阻也逐漸增大，其剩余電量也隨之下降。其測(cè)量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源Is,然后檢測(cè)電池端電壓Vo 以及Is 和Vo 兩者之間的夾角θ。通過(guò)公式Z =Vo/Io,R=Zcos θ，即可得到電池內(nèi)阻值，從而得到剩余電量。內(nèi)阻法4 線(xiàn)制接線(xiàn)，精確度相對(duì)高。

●庫(kù)侖計(jì)法：通過(guò)對(duì)流入/ 流出電池的總電流進(jìn)行積分，得到的凈電荷數(shù)即為剩余容量。庫(kù)侖計(jì)電路一般使用一個(gè)阻值非常低的串聯(lián)電阻作為檢流電阻，通過(guò)檢測(cè)檢流電阻上的壓降反推電流，再通過(guò)電流對(duì)時(shí)間的積分來(lái)計(jì)算電量變化。電池初始容量可以預(yù)置，也可由完整充電周期來(lái)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)。Maxim 公司提供一系列精確的智能電池電量計(jì)芯片，如DS2780,在一塊芯片內(nèi)集成了庫(kù)侖計(jì)、溫度傳感、電池電壓檢測(cè)、時(shí)鐘和非易失存儲(chǔ)器，能夠?qū)﹄姵仉娏窟M(jìn)行精確計(jì)算。

1.2 報(bào)警器選擇開(kāi)路電壓法

1.2.1 開(kāi)路電壓法的局限性

● 對(duì)于不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的電池，其開(kāi)路電壓與容量之間的關(guān)系有差異。

●只有通過(guò)測(cè)量電池空載時(shí)的開(kāi)路電壓才能獲得相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果，而在運(yùn)行時(shí)由于負(fù)載電流在內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降將影響開(kāi)路電壓的測(cè)量精度。

●蓄電池在充電(以及大電流放電)后會(huì)產(chǎn)生虛高(與虛低)現(xiàn)象，主要原因是充電時(shí)電解質(zhì)濃度分布不均勻而形成表面電荷，表面電荷將提高蓄電池電壓而引起虛高現(xiàn)象。表面電荷可通過(guò)短時(shí)低電流放電消除，也可在蓄電池靜置幾個(gè)小時(shí)后自行消除。

1.2.2 選擇開(kāi)路(端)電壓法的理由

●與其他使用蓄電池的方式不同，汽車(chē)蓄電池在啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)大電流放電，而在引擎正常運(yùn)轉(zhuǎn)后會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向蓄電池充電。所以對(duì)蓄電池剩余電量的關(guān)心是在點(diǎn)火啟動(dòng)前，而在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)和附屬電器設(shè)備關(guān)閉時(shí)的端電壓可以近似為開(kāi)路電壓，此時(shí)通過(guò)開(kāi)路電壓法來(lái)判斷剩余電量是可行、恰到好處的。而在點(diǎn)火以及充電過(guò)程中則可通過(guò)端電壓曲線(xiàn)的變化來(lái)分析判斷內(nèi)阻大，充電電壓過(guò)高，非規(guī)范啟動(dòng)電機(jī)等技術(shù)狀態(tài)并伺機(jī)報(bào)警。

● 與其他任何方法相比開(kāi)路(端)電壓法對(duì)蓄電池的影響最小，只需兩根線(xiàn)并接到蓄電池上，同時(shí)作為報(bào)警器的電源和檢測(cè)信號(hào)的輸入，安裝最簡(jiǎn)便;不需要對(duì)蓄電池改動(dòng)或增加附件，適應(yīng)性好，互換性強(qiáng)。

●由于蓄電池端電壓變化率(約為30 %~40 %)遠(yuǎn)小于其內(nèi)阻變化率(相差2 ~4 倍)，因此采用開(kāi)路電壓法的精確度無(wú)法與內(nèi)阻法相比。但報(bào)警器的使用環(huán)境并不要求很高精確度，而開(kāi)路電壓法能夠滿(mǎn)足精度要求，并且電路簡(jiǎn)單，成本低。

通過(guò)對(duì)各種檢測(cè)方法的分析比較，綜合考慮報(bào)警器實(shí)際使用條件，安裝，成本等因素，我們選擇開(kāi)路(端)電壓法作為報(bào)警器的基本檢測(cè)方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

報(bào)警器采用以微處理器(MCU)為核心，包括分壓取樣與信號(hào)調(diào)理單元，A/D 轉(zhuǎn)換模塊單元、電源單元、顯示及報(bào)警輸出單元、按鍵與設(shè)置單元構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖[!--empirenews.page--]

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 MCU(微控制器)與ADC模塊。

MCU 選用T I(德州儀器)公司的低功耗1 6 位單片機(jī)MSP430F427,它的主要特點(diǎn)：

●低工作電壓范圍：1.8V~3.6V;

●超低功耗：400 A at 1MHz,3.0V;

●16-Bit RISC指令體系，125nS指令周期;

●32KB Flash Memory,1KB RAM Memory;

●3個(gè)獨(dú)立的16-Bit Sigma-Delta A/D,帶差分PGA輸入;

●16 位定時(shí)器TIMER_A(3 捕獲/ 比較寄存器);

●串行通信接口(UART)，通過(guò)軟件選擇異步UART 或同步SPI;

●電源電壓管理/ 監(jiān)控;

●串行在線(xiàn)編程，無(wú)需外部編程電壓;

●安全熔絲可編程代碼保護(hù)。

由于MSP430F427具有上述功能特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足蓄電池報(bào)警器功能需求，而且不需要另加A / D 轉(zhuǎn)換器，既節(jié)約了成本、降低功耗，又簡(jiǎn)化了電路板的布線(xiàn)，有利于提高可靠性。

2.1.2 分壓取樣與信號(hào)調(diào)理電路。

通過(guò)兩個(gè)精密電阻組成分壓電路，由運(yùn)算放大器完成信號(hào)調(diào)理，分壓取樣與信號(hào)調(diào)理電路圖如圖2 所示。

圖2 分壓取樣與信號(hào)調(diào)理電路

2.1.3 驅(qū)動(dòng)與輸出電路。

考慮到MCU(微控制器)I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)蜂鳴器與L E D 發(fā)光管均用一個(gè)三極管完成驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)與輸出電路如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)與輸出電路

2.1.4 電源電路模塊。

主要選用一個(gè)寬電壓輸入的DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊完成，其參數(shù)輸入電壓：9~36V,輸出電壓3.3V,輸出電流600mA.

電路如圖4 所示。

圖4 電源模塊電路[!--empirenews.page--]

2.2 軟件設(shè)計(jì)

蓄電池報(bào)警器軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分成main ,B T _timer,SD16 三個(gè)模塊。每個(gè)模塊由C 語(yǔ)言編程的若干子程序塊組成。其中包括主程序，數(shù)據(jù)采集及處理子程序，顯示子程序，超限判斷及報(bào)警子程序，中斷處理子程序等。

2.2.1 main模塊。

Main 模塊由系統(tǒng)主程序與PORT 中斷程序組成，主程序用于完成自檢和初始化。自檢包括RAM 工作區(qū)、A /D 轉(zhuǎn)換器及其模擬采樣通道、顯示模塊等的自檢。初始化將對(duì)儀器初始狀態(tài)給予設(shè)定，包括定時(shí)器和串口的設(shè)定及分配、中斷系統(tǒng)的開(kāi)放、看門(mén)狗的啟動(dòng)等，系統(tǒng)初始化完成后進(jìn)入LPM0 低功耗模式。PORT 中斷處理程序完成對(duì)按鍵輸入的處理。

2.2.2 BT_timer模塊。

BT_timer 模塊由BT_timer 初始化程序，BT_timer 中斷處理程序，LED 顯示處理程序組成，其中BT_timer 初始化程序主要完成對(duì)基本定時(shí)器的初始化，設(shè)定的定時(shí)周期為250ms;BT_timer 中斷處理程序完成報(bào)警后1 分鐘報(bào)警解除處理，刷新LED 處理，定時(shí)啟動(dòng)SD16 模塊等功能，其程序流程圖如圖5 所示。LED 顯示處理程序，主要根據(jù)程序的顯示字，顯示模式字來(lái)完成對(duì)L E D ,蜂鳴器硬件操作，包括顯示、閃爍、鳴叫等。

圖5 BT_timer中斷處理程序

2.2.3 SD16模塊。

SD16 模塊主要包括SD16模塊初始化程序，SD16(ADC)中斷處理程序。SD16模塊初始化程序主要完成MSP430 內(nèi)置數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換模塊SD16 的初始化設(shè)置;SD16(ADC)中斷處理程序，主要完成電壓數(shù)據(jù)采集，處理，判定，顯示字與顯示模式字的修改等功能，該程序是數(shù)據(jù)處理的核心程序。

SD16 中斷處理程序流程圖如圖6 所示。

圖6 SD16中斷處理程序流程圖

2.2.4 報(bào)警判定處理。

設(shè)立一個(gè)"先進(jìn)先出"的緩沖隊(duì)列，存放端電壓值隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。依據(jù)緩沖隊(duì)列中的電壓采樣值監(jiān)測(cè)車(chē)輛蓄電池電壓范圍，判斷蓄電池啟動(dòng)、內(nèi)阻大、充電等狀態(tài)變化并伺機(jī)報(bào)警。當(dāng)端電壓值超過(guò)或低于門(mén)限值達(dá)3000ms,即做高(低)報(bào)警;如端電壓值單位時(shí)間內(nèi)下降幅度較大，則意味著蓄電池性能變差，做內(nèi)阻大報(bào)警;如端電壓值單位時(shí)間內(nèi)變化超過(guò)一定值，則可判別發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，充電等狀態(tài)，在單次起動(dòng)時(shí)間超過(guò)5 s 、相鄰兩次啟動(dòng)時(shí)間少于1 5 s、連續(xù)啟動(dòng)次數(shù)超過(guò)3 次時(shí)，做非規(guī)范啟動(dòng)報(bào)警。

3 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的技術(shù)路線(xiàn)選擇，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)功能基礎(chǔ)上的合用性為原則，同時(shí)綜合考慮實(shí)際使用條件，安裝，成本等因素。

以上設(shè)計(jì)的報(bào)警器結(jié)構(gòu)緊湊小巧，安裝方便，使用直觀(guān)，功能齊全，為駕、修人員提供一個(gè)方便的車(chē)輛蓄電池監(jiān)測(cè)手段，產(chǎn)品已投入實(shí)際使用。