机电设备 2004年第1期 — 39 —
应用单片机测试蓄电池剩余电量
Application of Single Chip Computer in Measuring Residual
Electricity Quantity of Accumulators
王宗亮，董国保，刘建东
（海军潜艇学院 青岛266042）
摘 要 介绍利用单片机在线测量蓄电池剩余电量的方法．该方法通过测量蓄电池内阻，推算出其剩余电量．
关键词 单片机 在线测量 蓄电池 剩余电量
Abstract The paper introduces the method of using single chip computer in online measurement of residual electricity quantity of accumulators. This method calculates the residual electricity quantity through measuring internal resistance of the accumulator.
Keywords single chip computer, online measurement, accumulator, residual electricity quantity
蓄电池的荷电量与整个供电系统的可靠性密切相关，蓄电池剩余电量越多，系统可靠性越高，否则则相反．对于一些重要的用电领域，例如信息处理中心，如果能在既不消耗蓄电池能量，又不影响用电设备正常工作的条件下，实现蓄电池剩余电量的在线监测，具有重要意义．
预测蓄电池剩余电量的常用方法有：密度法、开路电压法、放电法、内阻法．前三种方法测量精度较低且不适合密封蓄电池的在线测量，实际应用也较难．内阻法对被测蓄电池的影响很小，由于蓄电池完全充电（充满）和完全放电（放完）时，其内阻相差（2～4）倍左右，因此，用内阻法预测蓄电池剩余电量有较高的精度，正逐步得到实际应用．
1 内阻法测量原理 1.1 蓄电池等效模型
蓄电池交流等效阻抗Z 模型如图1所示．
图1 蓄电池交流等效阻抗模型
图中：R 1、R 2—正、负电极的极化电阻；
C 1、C 2—正、负电极的极化电容； L —引线电感； R Ω—蓄电池欧姆电阻．
蓄电池欧姆电阻表征了电池的荷电程度．但为了简化测量通常从等效阻抗Z 中仅分离纯电阻R （R 由R Ω、R 1、R 2组成），R 与R Ω呈线性关系，故可用R 间接地表征电池荷电程度． 1.2 四线法内阻测量
由于蓄电池内阻很小，一般为十万分之几欧姆，因此测量线的阻抗就不可忽略，为此采用四线法测量，即将驱动电流回路和感应电压电路分开．内阻四线法测量原理如图2所示，其中R S 为取样电阻．
图2 内阻四线法测量原理图
测量蓄电池内阻的方法是：在蓄电池两端施加一个电流源i s ，然后检测蓄电池端电压V 0，以及i s 和V 0两者的夹角θ．三者之间的关系如图3所示．
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图3 i s 和V 0相位图
由图2可知：
s o i V
Z = （1）
θcos Z R = （2） R 即为需要获取的蓄电池内阻． 1.3 剩余电量测量原理
蓄电池的实际使用和研究表明，蓄电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性，通过测量蓄电池内阻可较准确地预测其剩余电量．蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线如图4所示．
具体实施办法是：给蓄电池充满电，然后以常用的放电率对电池放电，记录放电过程中内阻与电量的大小．当蓄电池放电完毕（密度降到正常情况下需要充电的密度值），就可获得完整的放电曲线，即剩余电量与蓄电池内阻之间的关系．将此曲线存入EPROM 中，在以后测试同型号同规格的蓄电池时，单片机将根据在线测得的蓄电池内阻值，通过查表计算，得出其剩余电量值．
图4 蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线
2 硬件设计 2.1 设计结构框图
实现上述剩余电量预测的设计结构框图如图5所示．该设计框图主要由音频信号发生器、耦合驱动电路、差动放大电路、滤波网络、整流电路、相位检测电路、电压和电流取样电路、模拟转换开关、A/D 转换器、单片机、LCD 显示器及键盘组成．
图5 设计结构图
为获得较高的剩余电量预测精度，被测电阻值必须有足够多的有效位数，为此我们取4位有效数字，这样就要求A/D 转换器必须在14位以上．由于蓄电池内阻、电压均为变化缓慢的低时变信号，所以只需选低速串行A/D 转换器，为此选用AD7715．AD7715为16位A/D 转换器，具有自校零、自校量程功能，具有很高的测量精度，另外还有SPI 接口，便于与单片机高速通信．
单片机采用Atmel 公司的新一代Risc 单片机，该单片机具有以下的优越性能：
（1）120条精简指令，且大多数指令执行时间是单时钟周期；
（2）在8MHz 时钟下，每条指令执行时间仅为125ns ；
（3）片内有8kB Flash 程序存储器（闪存）、512字节EPROM 数据存储器、512字节RAM 存储器；
（4）除拥有普通异步串行通信接口外，还有SPI 接口，SPI 数据传送速率最高达2.5Mb/s ；
（5）拥有PWM 发生器、模拟电压比较器以及定时器． 2.2 软件设计
软件工作的主要流程图见图6．
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主程序 A/D 中断处理 定时中断处理
图6 软件主要流程框图
3 总 结
从理论上说，只要调整电流源幅度，内阻法可适用于各种容量的蓄电池测量．因此用内阻法来预测蓄电池的剩余电量具有良好的通用性和实用性．
作者简介：王宗亮 男 助教 主要从事电工学教学及相关研究．
广州有望实现产业化回收二氧化碳
广州在纳米技术应用方面取得重大突破，由中科院广州化学所孟跃中教授主持开发的“二氧化碳制取全降解塑料”的新技术已完成30吨／年的中试试验，并采用纳米技术高效催化二氧化碳，成功地解决了高成本的难题。
该项目的中试已通过了以中科院院士为首的专家组的验收。
专家组认为，该项目的催化效率处于国际领先水平。
目前，一个年产（3000~5000）吨全降解塑料的工业化装置已进入筹建阶段。
把二氧化碳变成可回收塑料的设想，最先在 1969年由一位日本化学家实现，但由于所用催化剂效率低，且成本太高。
难以用作大规模的工业生产。
其后30年，科学界未能在此方面取得重大进展。
此次广州科学家取得的突破，在国内外引起了巨大的震动。
孟跃中是中科院广州化学研究所“二氧化碳聚合与利用”项目组的首席科学家，他领导的该项目应用了最新的纳米技术，使每克催化剂效率高出此前国际最高水平的两倍，每吨塑料所需催化剂的成本只需200元左右，而每吨塑料成品的成本降至目前市场塑料产品价格的（1／3～ l ／4）。
这种塑料可以用普通工艺进行生产，处理后还可以变成我们日常用的一次性餐具、保鲜薄膜等，有些性能上还要优于现在通用的塑料。
以目前市场上通用的可降解饭盒为例，使用淀粉生产，一个饭盒成本高达0.15元，难以推广；而使用该技术开发的塑料制造一个饭盒的成本仅0.083元，成本相当低，且不会对环境造成“白色污染”。
专家认为，该技术能将工业废气二氧化碳制造成有益环境的可降解塑料，生产出来的塑料具有很好的市场前景，有望成为今后通用的塑料品种。
有关人士算了一笔账，如果以年产10万吨二氧化碳制成的可降解塑料来计算，可以解决3个广州石化公司规模企业的二氧化碳的排放问题（年排放7万吨），而厂房、设备只需投入两亿元，产值将达到20亿元，利税实现8亿元左右。
因此，成功应用该项技术，将极大地促进我国塑料原料来源的多元化，降低对塑料进口的依赖。
转摘自《中国环境报》
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