志斌單片機的蓄電池性能檢測(終稿)修改版0

1、. . . . 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）學(xué)院（系）： 電子與電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程與其自動化 學(xué) 生： 王志賓 指導(dǎo)教師： 唐曉燕 完成日期 2011 年 5 月28 / 34本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的蓄電池性能測試電路的設(shè)計Test Circuit of Accumulators Function Based on MCU總計： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 頁表 格： 0 個插 圖 ： 18 幅本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）基于單片機的蓄電池性能測試電路的設(shè)計Test Circuit of Accumulators Function Based on MCU學(xué) 院（系）： 電子與電

2、氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程與其自動化 學(xué) 生 姓 名：王志賓學(xué) 號： 097409028指 導(dǎo) 教 師（職稱）：唐曉燕（講師） 評 閱 教 師：完 成 日 期：基于單片機的蓄電池性能測試電路的設(shè)計電氣工程與其自動化專業(yè) 王志賓摘 要 閥控鉛酸蓄電池作為后備電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，交通、通信和軍事領(lǐng)域。如何高效率管理這些蓄電池，提高后備電源系統(tǒng)的可靠性是一個很現(xiàn)實的重要課題。因此，本課題設(shè)計一基于單片機的蓄電池性能檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用精密電阻和電池構(gòu)成串聯(lián)電路，用交流注入法對蓄電池注入微弱正弦波信號，通過對輸出響應(yīng)進行一系列的放大、幅相檢測、AD轉(zhuǎn)換和采集，然后根據(jù)測量到的電壓比來推算電池

3、阻。試驗結(jié)果表明：該方法能夠被有效地用于鉛酸電池阻測量，測量結(jié)果穩(wěn)定有效。關(guān)鍵詞幅相檢測；AD轉(zhuǎn)換；單片機；電池阻Test Circuit of Accumulators Function Based on MCUElectrical Engineering and Automation SpecialtyWANGZhibinAbstract:Valve control of lead-acid batteries as a backup power supply has been widely used in industrial production, transportation, co

4、mmunications and military areas. How to efficient management these batteries, improve the reliability of backup power system is a very realistic important topic. Therefore, the subject is based on single chip design a battery performance testing system. The system adopts the precise resistance and b

5、attery constitute a series circuit, using ac injection method to inject weak battery sine wave signal, a series of output response by the amplification, amplitude and phase detection, AD transform and acquisition, and then based on the measured resistance calculation battery voltage board. Test resu

6、lts show that the method can be used effectively as lead-acid battery resistance measurement, the measured results stable and effective. Key words:Amplitude and phase detection; AD transform; SCM; battery resistance 目 錄1引言11.1研究背景11.2蓄電池研究現(xiàn)狀11.3蓄電池的性能指標21.4蓄電池性能的判斷因素32測試方法研究42.1阻參數(shù)的相對性與絕對性42.2蓄電池阻與容

7、量的關(guān)系52.3蓄電池等效電路52.4方案的探討62.5交流法73硬件電路的設(shè)計83.1總體框架83.2主處理器模塊103.3探測電路123.4差分放大電路133.4.1 INA321芯片簡化圖133.4.2 INA2321電路圖143.5幅相檢測電路143.5.1 AD8302介紹143.5.2 AD8302電路圖153.6模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計163.6.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD0809163.6.2 ADC0809與單片機的接口電路173.7液晶顯示183.7.1 LCD1602介紹183.7.2 LCD1602與單片機的接口電路204軟件部分214.1 主程序214.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序224.

8、3 LCD1602初始化部分23結(jié)束語25參考文獻26致271 引言1.1 研究背景閥控鉛酸蓄電池(Valve Regulated Lead Acid BatteryVRLAB)作為后備電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，交通、通信和軍事領(lǐng)域。如何高效率管理這些蓄電池，提高后備電源系統(tǒng)的可靠性是一個很現(xiàn)實的重要課題?，F(xiàn)代社會在能源日益緊的情況下，太陽能、風(fēng)能等新能源的開發(fā)，電動汽車或混合動力汽車的出現(xiàn)，能有效緩解能源緊的局面，這就進一步引發(fā)了對具有高能量儲備性能的VRLAB的巨大需求。對動力型VRLAB電池組進行實時有效的監(jiān)測管理是提高系統(tǒng)可靠性必不可少的重要方法。本課題的研究設(shè)計具有非常廣闊的發(fā)展前

9、景和巨大的經(jīng)濟價值。1.2 蓄電池研究現(xiàn)狀目前測量蓄電池性能方法很多，常見的有以下幾種：第一種方法是通過檢測電解液密度確定蓄電池剩余容量，這也是鉛酸蓄電池檢測普遍采用的方法。電解液密度在充電過程中逐漸變高，放電過程中逐漸降低。通過測量電解液的密度可判斷蓄電池的充放電程度。第二種方法是高電率放電法判斷蓄電池剩余容量，它是通過測量大負荷下的端電壓來判斷蓄電池的剩余容量。它是模擬啟動機啟動時的負載，測出蓄電池在大電流放電時的端電壓，根據(jù)端電壓變化來判定蓄電池的技術(shù)狀態(tài)。此方法能檢測蓄電池有無故障與向啟動機基與單片機的船用蓄電池智能檢測系統(tǒng)供電的能力，但不能測量正在充電和剛充完電的蓄電池。第三種方法是

10、濕度法檢側(cè)蓄電池的容量，濕度法是借助固體電化學(xué)濕度傳感器，在蓄電池充放電過程中，將電解液相對濕度變化轉(zhuǎn)化為傳感器阻抗值的變化來確定蓄電池的容量。相對濕度小時，阻抗較大，反之阻抗較小。這種方法只是剛剛提出，還沒有看到真正的應(yīng)用。第四種方法是利用蓄電池的阻抗求算蓄電池的剩余容量，這種方法多用來測量密封的蓄電池。它是利用蓄電池充電過程中阻抗值升高，放電過程中阻抗值降低的特性，從被測量電池的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)預(yù)示電池的容量。交流電橋法測量是在忽略濃差極化因素下進行的，因為電池對交流信號既有電阻特性又有電容特性，使得所測電池阻隨頻率變化而變化。目前電池阻的測量方式主要有兩種：直流放電法和交流阻抗法直流放電法以

11、理想直流電路為基礎(chǔ)，對蓄電池進行瞬間大電流放電(一般為幾十到上百安培)，然后測量電池兩端的瞬問壓降，再通過歐姆定律計算出電池阻。該方法簡單、易于實現(xiàn)，在實踐中得到了一定的應(yīng)用。但該方法必須在靜態(tài)或脫機的情況下進行，無法實現(xiàn)在線測量，且蓄電池組放出的瞬間電流較大，對蓄電池組和負載均會造成較大沖擊，影響電池使用。此外，測量結(jié)果穩(wěn)定性不佳，一般適用于對測量精度和安全性要求不高的場合。交流阻抗法是一種以小幅值的正弦波電流或者電壓信號作為激勵源，注入蓄電池，通過測定其響應(yīng)信號來推算電池阻。交流阻抗法既不是穩(wěn)態(tài)法，也不是暫態(tài)法，而是在一個穩(wěn)態(tài)下施加一個小的擾動，是一種準穩(wěn)態(tài)方法。該方法的優(yōu)點在于在線測量可

12、避免小擾動對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，擾動與系統(tǒng)的響應(yīng)之間保持近似線性關(guān)系。然而，目前這種方法在實現(xiàn)上較為困難，仍有值得改進之處。本文中基于交流阻抗法，給出一種易于實現(xiàn)的阻測量方法，并通過實驗驗征了方法的有效性。1.3 蓄電池的性能指標（1）安全性能安全性能指標不合格的蓄電池是不可接受的，其中影響最大的是爆炸和漏液。爆炸和漏液的發(fā)生主要與蓄電池的壓、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計（比如安全閥失效）與應(yīng)當禁止的不正確操作有關(guān)。（2）額定容量為了蓄電池的容量，定義了蓄電池的額定容量。額定容量是蓄電池制造的時候，規(guī)定蓄電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的電量，其單位為Ah。使用條件不同，蓄電池能夠放出的容量也不同。（3

13、）阻蓄電池的阻是指電流流過蓄電池部時所受的阻力，鉛酸蓄電池的阻很小，需要用專門的儀器才可以測得到比較準確的結(jié)果。一般所指的蓄電池阻是充電態(tài)阻，即蓄電池充滿電時的阻。與之對應(yīng)的是放電態(tài)阻，并且不太穩(wěn)定。蓄電池的阻越大，蓄電池自身消耗掉的能量越多，其使用效率越低。阻很大的蓄電池在充電時發(fā)熱很厲害，使蓄電池的溫度急劇上升，對蓄電池和充電器的影響都很大。隨著蓄電池使用次數(shù)的增多，由于電解液的消耗與蓄電池部化學(xué)物質(zhì)活性的降低，蓄電池的阻會有不同程度的增大，質(zhì)量越差的蓄電池增大的越快。蓄電池部阻抗會因放電量增加而增大，尤其是在放電終止時阻抗最大，主要因為放電的進行使得極板產(chǎn)生不良導(dǎo)體硫酸鉛以與電解液比重下

14、降，故放電后務(wù)必馬上充電。若任其持續(xù)放電，則硫酸鉛形成安定的白色結(jié)晶（即硫化現(xiàn)象）后，即使充電，極板的活性物質(zhì)亦無法恢復(fù)原狀，從而將縮短蓄電池的使用壽命。（4）循環(huán)壽命循環(huán)壽命是指蓄電池可經(jīng)歷的重復(fù)充放電次數(shù)。蓄電池的壽命和容量成反比關(guān)系，循環(huán)壽命還與充放電條件密切相關(guān)，一般充電電流越大（充電速度越快），循環(huán)壽命越短。（5）蓄電池的額定電壓國家標準規(guī)定的蓄電池電壓值為額定電壓，用V表示。（6）電解液電解液是由高純度硫酸和純水組成的無色透明的稀硫酸，它和陰、陽極板起化學(xué)作用，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，同時在蓄電池部起導(dǎo)電作用。1.4 蓄電池性能的判斷因素（1）使用環(huán)境溫度對蓄電池的影響。 目前電廠、供

15、電局使用的絕大多數(shù)為閥控密封鉛酸蓄電池，其最佳工作溫度為25，由于其采用密封結(jié)構(gòu)，其部熱量很難散失。升高10，蓄電池的壽命將減少12。所以在蓄電池安裝時也要注意，每節(jié)電池間要保持至少厘米的間距，這樣有利于通風(fēng)。（2）過充電對蓄電池的影響 閥控式密封鉛蓄電池一直都是處于浮充狀態(tài)下工作的，浮充電壓選擇是否妥當對電池壽命影響極大。浮充電壓選得偏高或電池溫度升高時，若沒有與時將浮充電壓調(diào)下來，就會造成過充加速電池的失水，導(dǎo)致電池的容量下降。 在電池均充時，均充電壓過高或環(huán)境溫度過高會引起蓄電池部液體溫度升高，由于閥控式蓄電池采用密封結(jié)構(gòu)，熱量不易排除，進而也會導(dǎo)致“熱失控”現(xiàn)象的發(fā)生，降低電池的容量。

16、（3）過放電對蓄電池的影響 蓄電池的放電也是有嚴格規(guī)定的，蓄電池對負載放電時不能低于規(guī)定的終止電壓，若低于此值則會對蓄電池產(chǎn)生過放，從而導(dǎo)致蓄電池活性物質(zhì)降低而影響其性能與使用壽命，而且很難恢復(fù)。（4）充電設(shè)備的輸出質(zhì)量對蓄電池的影響 目前大量使用的閥控式密封鉛酸蓄電池不同于鉛酸蓄電池或鎘鎳蓄電池，其阻更小，對充電設(shè)備的輸出性能指標要求更高。充電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運行時，紋波系數(shù)較大將引起蓄電池長期處于脈動充電放電狀態(tài)，從而加速了蓄電池老化過程，影響蓄電池的使用壽命，同時，由于閥控式密封鉛酸蓄電池采用貧液或少液結(jié)構(gòu)，一次過充或過放，都有可能嚴重損壞蓄電池，新型蓄電池的出現(xiàn)對充電設(shè)備在調(diào)節(jié)精度、自

17、動化程度、可靠性等方面提出了新的要求。因此，充電設(shè)備的性能好壞將直接影響蓄電池與整個直流系統(tǒng)的安全運行。 蓄電池的結(jié)構(gòu)特殊，除漏液、鼓包外，無法從外觀判斷其性能的好壞，所以衡量其性能的唯一標準就是通過核對性放電來測試其實際容量。1.5 本論文所做的主要工作本設(shè)計主要包括探測電路、差分放大電路、幅相檢測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主處理器模塊以與液晶顯示部分。經(jīng)探測電路取得蓄電池兩端電壓，經(jīng)過差分放大電路將微弱的電壓信號進行放大，在幅相檢測電路中測得與參考電壓的比值和相位差，送入主處理器模塊進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果在液晶顯示中顯示蓄電池性能。2 測試方法研究根據(jù)大量試驗發(fā)現(xiàn)，蓄電池的阻可以反映出一個蓄

18、電池的好與壞。通過測量蓄電池阻來判斷蓄電池容量和性能經(jīng)濟可靠，操作方便，近年來已引起國外的普遍重視。單體電池的阻與其剩余容量以與性能狀況的關(guān)系不是線性的，但大量實驗結(jié)果以與統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，如果單體電池的阻增加超過某個經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這個電池就不能放出應(yīng)有的容量了。蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其阻相差2-4倍左右。隨著放電過程的進行，阻逐步增大。另外，隨著電池老化，其阻也逐漸增大，剩余容量也隨之下降。由于蓄電池完全充電和完全放電時阻變化率比電池端電壓變化率（端電壓變化率為30%-40%）要大的多，故用測量蓄電池阻R來預(yù)測其剩余容量，要比開路電壓法精確的多。在蓄電池的理論中，始終將蓄電池的

19、阻作為蓄電池的重要參數(shù)加以論述，但在實際中在，如何利用阻參數(shù)的意義上，分歧較多。尤其在用蓄電池的阻監(jiān)測蓄電池性能失效方面，存在諸多爭論。其實采用不同測量標準、不同條件下的測量蓄電池阻，并討論其意義（即與性能、容量等的關(guān)聯(lián)性），由于標準不一，其結(jié)論自然不一。為了便于問題的分析，為此引入阻的相對性、絕對性的概念。2.1阻參數(shù)的相對性與絕對性阻存在相對性與絕對性的兩方面特性，應(yīng)充分認識阻參數(shù)相對特性與絕對特性的意義，從而全面把握阻這一重要參數(shù)。關(guān)于阻參數(shù)的相對性方面是指，在眾多鉛酸蓄電池參數(shù)中，其阻值是一個比較特殊的概念，這主要是因為：（1）首先作為蓄電池阻，其包含了歐姆阻抗和極化阻抗，蓄電池阻是指

20、在某種條件下的數(shù)值，如是充電態(tài)還是放電態(tài)，充、放電的不同階段，阻是不同的，只有在明確其狀態(tài)和明確其測量標準，才能有其具體意義，這是其本質(zhì)的相對性。（2）作為測量手段和方法的不同，由于測量原理不同，其包含的意義也不盡一樣。這是因為測量方法和手段，對于歐姆阻抗和極化阻抗而言，在采用不同測量方法和手段時，各部分在測量值中所占比例差異較大，所以只有在明確其測量標準后，討論才具有現(xiàn)實意義，這是蓄電池阻參數(shù)測量方面相對性。幾十年來，在實踐中廣泛采用直流放電法，測量蓄電池阻，即使這樣，也同樣是一個相對數(shù)值。雖然大家沿用至今，但仍然不能將其絕對化。近十幾年來，隨著新技術(shù)的涌現(xiàn)，對于阻測量的新方法，也不斷涌出。

21、如果仍然將直流法測量的阻絕對化，則無法接受新的測量手段帶來的對阻意義的理解。關(guān)于阻絕對性是指蓄電池在運行或失效過程中，其阻的變化是絕對的，從以下幾個方面可以明確：（1）在實際應(yīng)用中，目前沒有一個蓄電池性能嚴重衰減或容量嚴重下降，但其阻沒有變化的實例。通過近十年對蓄電池阻的研究與國外相關(guān)機構(gòu)的研究報告，都準確地說明了這一點。（2）在蓄電池失效模式中（尤其是閥控鉛酸蓄電池），無論何種模式的失效，都必然在阻得以體現(xiàn)。正是由于阻的相對性與其變化的絕對性，為實際應(yīng)用帶來了清晰的理論：（1）只有在同一條件下，同一手段方法測量的阻才是討論蓄電池性能的參數(shù)的根本；在此標準下，討論蓄電池阻變化與蓄電池性能或容量

22、存在其關(guān)聯(lián)性，才可能得出準確可靠的結(jié)論。（2）在同一條件下，采用不同手段方法，測量蓄電池阻，阻的含義不盡一樣，其數(shù)值不可能完全一致。但始終以一種手段方法，測量蓄電池不同條件下的阻變化，用以考察蓄電池性能狀況是可行的。（3）在不同條件下，采用不同手段方法，測量蓄電池阻，以期建立蓄電池阻與蓄電池性能或容量衰減的某種關(guān)聯(lián)，是不能成立的。但可以在一樣條件下、一樣手段方法下，測量阻變化值與蓄電池性能狀況或容量衰減建立某種關(guān)聯(lián)，這樣才能清楚地加以分析。2.2 蓄電池阻與容量的關(guān)系在剩余容量高于高于50%的區(qū)間，電池阻幾乎沒有變化，而且?guī)缀醪皇芊烹婋娏鞯挠绊懀划斒Ｓ嗳萘啃∮?0%時，電池阻卻明顯增大，而且放

23、電電流越小，電池阻增加越快。測阻法的優(yōu)點在于對在線使用的蓄電池來說，此法對系統(tǒng)影響最小，并可在電池整個使用周期精確測量。電池阻可以采用很多方法來測，比如：動態(tài)電阻法、交流或直流法。2.3 蓄電池等效電路蓄電池里面是依靠化學(xué)反應(yīng)來提供電能的，阻抗分析是電化學(xué)研究中的常用方法，一般情況下，電池在充電或放電時，其阻R有一下3部分組成，如公式（1）所示 （1）式中的R為歐姆阻；Rc為濃差阻；Re為活化阻。在很多研究方法中，使用圖1來等效蓄電池。圖1蓄電池阻抗等效電路中Lp、Ln。為正負極電感；Rtp和Rtn,是電極離子遷移電阻；Cdlp，、Cdln。是極板雙電層電容；Zwp，Zwn為Warburg阻抗

24、，由離子在電解液和多孔電極中擴散速度決定；Rhf是前面提到的歐姆電阻。蓄電池的阻抗包括歐姆電阻和正負極阻抗，電池阻抗是一個復(fù)阻抗，在其他條件不變的情況下與測試頻率有關(guān)。通常情況的阻是指某一固定頻率下的阻值，一般的阻測試有兩種：測蓄電池的阻測量，如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池，使用的頻率一般為1KHz；用于測鉛酸電池的頻率一般為10-60Hz。2.4 設(shè)計方案論證蓄電池阻的精確測量是有一定的難度的，有幾個原因。第一，蓄電池阻小到毫歐數(shù)量級。第二，精度要求高，重復(fù)性，穩(wěn)定性要好，阻的變化在一個長時間里是很小的，達不到精度，重復(fù)性和穩(wěn)定性的要求，測量是沒有意義的。第三，在線測量，干擾十分嚴重，特別是在

25、同心系統(tǒng)中使用中、還有來自通信設(shè)備的干擾。第四，必須是在線測量，離線測量意義不大。目前測量蓄電池阻的常見方法有密度法、開路電壓法、直流放電法、交流注入法。（1）密度法主要是通過測量蓄電池電解液的密度來估算蓄電池的阻，而現(xiàn)在的蓄電池基本都是封閉式的，無法取得電解液。該方法的適用圍窄并且這種方法在精度上有很大的缺陷。（2）開路電壓法是通過測量蓄電池的端電壓來估計蓄電池的阻，精度很差，甚至得出錯誤的結(jié)論。因為，即使一個容量已變小的蓄電池，在浮充狀態(tài)下其端電壓仍可表現(xiàn)正常。（3）直流放大法就是通過對電池進行瞬間大電流放電，測量電池的瞬間電壓降，通過歐姆定律計算出電池阻。由于瞬間大電流對蓄電池有一定的危

26、害，并且當阻值很小時，在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，給準確測量帶來困難。另外，由于放電過程電壓的變化，需要選擇穩(wěn)定區(qū)域計算電壓變化幅值。實際測量中，直流方法所得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差。（4） 交流法通過對電池注入一個低頻交流電流信號，測出蓄電池兩端的低頻電壓和流過的低頻電流以與兩者的相位差，從而計算出電池阻。交流注入法由于不需要放電，不用處于靜態(tài)或脫機狀態(tài)，可以實現(xiàn)安全在線監(jiān)測管理，避免了對設(shè)備運行安全性的影響。同時對蓄電池施加的低頻信號頻率非常低。電流值也非常小，故不會對電池的性能造成影響，并且不需要負載箱。首先產(chǎn)生一個1KHz的恒定交流激勵信號，交流法通過對蓄電池注入一個交流信號Is，測量

27、出蓄電池兩端的電壓響應(yīng)信號Vo，以與兩者的相位差，由阻抗公式（2）和（3） （2） （3）即可計算出蓄電池的阻抗，進而反映出蓄電池的性能。有以上比較，我們選用交流法，來進行蓄電池性能的測試。2.5 交流法當使用受控電流時電流如公式（4）所示 （4）產(chǎn)生的電壓響應(yīng)如公式 （5）所示 （5） 若使用受控電壓激勵如公式（6）所示 （6）產(chǎn)生的電流響應(yīng)如公式（7）所示 （7） 兩種情況的阻抗均為： 即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗，其模如公式（8）所示 （8）相角為。 一般情況下激勵引起的電壓幅值變化小于10mV，這樣能保證阻抗測量的線性。從理論上講，向電池饋入一個交流電流信號，測量由此信號產(chǎn)生的

28、電壓變化即可測得電池的阻，如公式（9）所示 （9）式中 Vav-為檢測到交流信號的平均值；Iav - 為饋入交流信號的平均值用交流法測量阻時，將一個交流測試信號加在電池上，然后測量出電池的電流（I）和該電流在電池兩端的交流電壓降（V），由此可以推到出阻抗R。由于交流信號頻率一般都選擇得可以忽略電容的影響，測得的數(shù)據(jù)實際上就是電阻，交流法的缺點是易受充電器紋波和其他噪聲源的影響。但是如果選擇適當?shù)臏y試頻率，并采用有效的濾波器，還可以避免電源紋波和其他噪聲的影響的。交流法的有點對在線使用的蓄電池來說，此方法對系統(tǒng)的影響最小，并可在電池的整個使用期精確測量。同時施加的低頻信號頻率非常之低，施加的交流

29、電流也非常小，故不會對蓄電池的性能造成影響，并且不需要負載箱。 當蓄電池處于開路狀態(tài)時，可以近似地認為蓄電池正負極處于平衡電位狀態(tài)。在蓄電池正負極加上恒定的電位差時，就會有滯留在其中流過；如果在此電位差上疊加一個幅度相當小（一般小于10mV）的正弦交流電壓就會有正弦交流電流蟲其中流過，該電流的大小依賴于電極電位和電極表面附近液層中參與電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的濃度。交流電流中依賴于電極電位的這部分是跟交流電壓同相位的，可以用傳輸電阻來表示。依賴于物質(zhì)濃度的這部分交流電流是受反應(yīng)物和生成物擴散過程控制的，Warbug提出這種控制作用可以表示為一個電阻和一個電容串聯(lián)組成的阻抗，該電阻和電容成分跟交流電頻率

30、平方根成正比。如果電化學(xué)反應(yīng)結(jié)果會有一部分物質(zhì)吸附在電極表面，則這部分表面就被覆蓋了，就會對總的交流電流大小有影響，它跟交流電壓的頻率一樣但相位不同，這種影響可以用電阻和電容并聯(lián)組成的電抗來表示。當電池兩級上沒有電化學(xué)反應(yīng)進行時，在正弦交流電壓作用下的交流只用于電極雙重電容的充放電。由于鉛酸蓄電池交流阻抗中有感抗存在，不能采用在復(fù)數(shù)平面圖中相應(yīng)虛部為零時阻抗實部值作為電池阻值，而采用電池阻抗模變化最小的頻率區(qū)域（0.1-10KHz）中阻抗實部的平均值作為電池阻，此時濃差極化的干擾就相對小一些。3 硬件電路的設(shè)計3.1 總體框架在實際使用中，由于饋入信號的幅值有限，電池的阻在微歐或毫歐級，因此，

31、產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微伏級，信號容易受到干擾。尤其是在線測量時，會受到充電機或用電負載的影響。交流法，首先要有一個交流源，原理框圖如圖2所示，交流原，就是提供交流信號，使之注入到蓄電池后能在蓄電池兩端產(chǎn)生一個交流相應(yīng)信號。同時考慮到交流流源與蓄電池串聯(lián)后，蓄電池會產(chǎn)生一個直流信號。為了避免與恒流源影響。故在串聯(lián)電路中串聯(lián)一個電容，電容可以起到隔直流，通交流的作用。其阻值的大小選取，選擇較大電容阻值的，因為選擇較大的電容c，交流信號在其分的電壓降，就少，其阻抗為 1/jc。蓄電池的阻不是純電阻，里面存在有容性成分，故交流信號經(jīng)過蓄電池后相位差會發(fā)生變化。所以要測出蓄電池的阻抗，還要測出相位差。

32、為了測出相位差我們需要一個參考電壓，電阻Ro，就是提供一個參考電壓，R取值1K，流過一個恒定的交流信號，如公式（10）所示 （10）R上產(chǎn)生一個已知的電壓信號，如公式（11）所示 （11）設(shè)計總體框圖如圖2所示 交流源蓄電池差分放大AD8302幅相檢測A/D采樣單片機LCD顯示圖2 設(shè)計總體框圖因為交流信號經(jīng)過蓄電池后，在蓄電池兩端的相應(yīng)信號十分微弱，直接取值不方便，并且如果直接取值還攜帶有直流信號，故我們選擇一個差分放大器，其輸入信號就是蓄電池兩端的的信號，經(jīng)過差分放大。得到蓄電池兩端的交流相應(yīng)電壓信號，并且此時已經(jīng)將直流信號去掉。同樣我們對已知的參考信號R兩端的信號作為輸入信號也經(jīng)過差分放

33、大器。所以，我們就需要兩個完全一樣的差分放大器，放大器我們選用INA2321芯片，INA2321放大器一塊芯片里面有兩個完全一樣的放大器。故經(jīng)過INA2321后，信號放樣的倍數(shù)。放大后的信號經(jīng)過AD8302幅相檢測芯片可以得到兩個輸入信號的幅度之比和兩輸入信號的相位差。假設(shè)幅度之比為q,則蓄電池兩端的相應(yīng)電壓信號如公式（12）所示 （12）帶入阻抗公式（2）和（3），其中Vo=Umax= qARo，Is=Imax=A 得公式（13） R=qRocos （13）在單片機里數(shù)據(jù)處理后，送入LCD顯示。直觀現(xiàn)實出來蓄電池性能的好壞。3.2 主處理器模塊AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只

34、讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器， AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。（1）主要特性與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片振蕩器

35、和時鐘電路 AT89C51引腳如圖3所示圖3 AT89C51引腳（2）管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故

36、。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出

37、4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高

38、電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN

39、有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。本設(shè)計采用的處理器模塊如圖4所示圖4 主處理器模塊3.3 探測電路此電路就是連接蓄電池的直接電路，伸出的兩根線，分別如蓄電池的正負極相接，即可完成。該部分電路如圖4所示圖5 探

40、測電路3.4 差分放大電路放大器芯片INA2321是INA321系列輸入輸出電壓圍可以達到電源電壓的提供的微功耗 CMOS 儀表放大器，可以單電源以與雙電源。INA321 系列提供低成本、低噪聲、微功耗的差分信號的放大器 40A 的電流消耗。 當芯片關(guān)閉，該INA321 有靜態(tài)電流小于 1A。在幾納秒返回到正常工作，關(guān)機功能，可以在使INA321 得到最佳應(yīng)用，低功耗電池或多路復(fù)用。在部增益配置為 5V/V，INA321 提供了靈活的外接電阻可以得到靈活的增益。3.4.1 INA321芯片簡化圖該芯片引腳如圖5所示圖6 INA321芯片引腳引腳5、6分別與1接上電阻R1和R2，電阻阻值的不同可

41、以得到不同的增益，如公式（14）所示 （14）3.4.2 INA2321電路圖INA2321芯片有兩個這樣的，接法與之類似，其INA2321芯片的外圍連接電路如圖6，引腳3和2接蓄電池兩端的信號，引腳5和6接已知電阻Ro兩端的信號。作為差分放大器的輸入信號。輸出端為引腳13和9。此放大電路濾出了直流成分的影響，而且解決了，相應(yīng)信號微弱，難易采集的問題，其中根據(jù)實際情況，圖中電阻R7、R8、R9、R10的阻值選取合適的阻值。但是R7與R10、R9與R8必須分別取值一樣，才能得到一樣的增益。另外，INA2321中兩個放大器存在一樣的環(huán)境中（溫度等），即它們產(chǎn)生一樣的放大倍數(shù)。圖7 差分放大電路3.

42、5 幅相檢測電路本次設(shè)計用的是AD8302，該芯片可以得到兩個輸入信號的幅度之比和兩輸入信號的相位差。3.5.1 AD8302介紹AD8302是ADI公司的用于RF/IF幅度和相位測量的單片集成電路，主要由精密匹配的兩個寬帶對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時測量從低頻到2.7GHz頻率圍的兩輸入信號之間的幅度比和相位差，可應(yīng)用于RF/IF功率放大器線性比的測量、RF功率的精確控制、駐波比測量與遠程系統(tǒng)的監(jiān)視和診斷等。AD8302引腳如圖7所示。AD8302主要有測量、控制器和電平比較器三種工作方式，但其主要的功能是測量幅度和相位。A

43、D8302通過兩個寬度對數(shù)檢波器使幅度測量圍可達60dB，獨立的相位檢測器檢測圍可達180°。圖8 AD8302引腳圖當芯片輸出引腳VMAG和VPHS直接跟芯片反饋設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時，芯片的測量模式將工作在默認的斜率和中心點上(精確幅度測量比例系數(shù)為30mV/dB，精確相位測量比例系數(shù)為10mV/度，中心點為900mV)。另外測量模式下，工作斜率和中心點可以通過引腳MSET和PSET的分壓加以修改。在中心點900mV處其增益是0dB，-30dB-+30dB的增益圍對應(yīng)于0-1.8V的輸出電壓圍；在中心點900mV處其相位為90度，0-180度的相位圍對應(yīng)于1.8-0

44、V的輸出電壓圍。3.5.2 AD8302電路圖AD8302芯片的外圍連接電路如圖8 圖9 幅相檢測電路R1，R2為輸入端電阻。R3為UREF輸出端的負載。C1、C4為交流輸入的耦合電容，C2和C3為濾波電容，C5，C6為電源退耦電容。3.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計3.6.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD0809AD0809芯片引腳如圖9所示圖10 AD0809芯片引腳（1）A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。   工作電壓：+5V；片無時鐘，一般需外加640KHz以下且不低于100KHz的時鐘信號；模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)由8路模擬開關(guān)和3位地址鎖存與譯碼器組成，地址鎖存允許信號ALE將

45、三位地址信號ADDC、ADDB和ADDA進行鎖存，然后由譯碼電路選通其中一路摸信號加到A/D轉(zhuǎn)換部分進行轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器SAR、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、控制與時序電路等，另外具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，其輸出數(shù)據(jù)線可直接連CPU的DB。（2）ADC芯片的控制信號啟動轉(zhuǎn)換信號（START）：是由CPU提供給ADC芯片的，在正脈沖的下降沿轉(zhuǎn)換開始；轉(zhuǎn)換結(jié)束信號（EOC）：一旦啟動轉(zhuǎn)換，EOC立即變低，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出高電平，通知CPU轉(zhuǎn)換已結(jié)束；允許輸出信號（OE）：ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在輸出鎖存器中，并沒有送入數(shù)據(jù)總線上。CPU取數(shù)時，發(fā)出OE

46、信號選通芯片部三態(tài)輸出緩沖器將數(shù)據(jù)輸出。（3）引腳功能D7D0：8位數(shù)據(jù)輸出線IN7IN0：8路模擬信號輸入ADDC、ADDB、ADDA：8路模擬信號輸入通道的地址選擇線ALE：地址鎖存允許，其正跳變鎖存地址選擇線狀態(tài)，經(jīng)譯碼選通對應(yīng)的模擬輸入信號START：啟動信號，上升沿使片所有寄存器清零，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換開始后，此引腳變?yōu)榈碗娖剑D(zhuǎn)換一結(jié)束，此引腳變?yōu)楦唠娖絆E：輸出允許，此引腳為高電平有效，當有效時，芯片部三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存緩沖器被打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果送到D7D0CLOCK：時鐘，最高可達1280KHz，由外部提供REF（+）、REF（-）：參考電壓正極、負極，通常R

47、EF（+）接Vcc，REF（-）接GNDVcc：電源，+5V，GND：地線模擬輸入與數(shù)字量輸出的關(guān)系為N（VIN-VREF（-）×256/（VREF（+）-VREF（-），當VREF（+）+5V，VREF（-）0V，若輸入模擬電壓為2.5V，則轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量N128，即二進制數(shù)：10000000B3.6.2 ADC0809與單片機的接口電路AD0809芯片與單片機的連接如圖10所示圖11 AD0809與單片機的連接圖引腳ADD A 、ADD B、ADD C分別接單片機P2.3、P2.4、P2.5，用來選擇需轉(zhuǎn)換的模擬通道，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與單片機的P1口相連，當OUTPUT ENABLE

48、引腳有效時，單片機讀取轉(zhuǎn)換過的數(shù)據(jù)。 3.7 液晶顯示3.7.1 LCD1602介紹字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。本設(shè)計用的是16*2（16列2行） 模塊。1602可以顯示部常用字符(包括阿拉伯數(shù)字，英文字母大小寫，常用符號和日文假名等)，也可以顯示自定義字符(單或多個字符組成的簡單漢字，符號，圖案等，最多可以產(chǎn)生8個自定義字符)。（1）1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明：第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)

49、整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。（2）1602LCD的指令說明1602液晶模塊

50、的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）指令1：清顯示，指令碼01H,光標復(fù)位到地址00H位置。指令2：光標復(fù)位，光標返回到地址00H。指令3：光標和顯示模式設(shè)置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。指令6：功能

51、設(shè)置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。指令8：DDRAM地址設(shè)置。指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。（3）讀寫操作時序如圖11和12所示：圖12讀操作時序圖13 寫操作時序（4）1602LCD的RAM地址映射液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。160

52、2的部顯示地址如圖13所示。圖14 1602LCD部顯示地址在對液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。1602液晶模塊部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。3.7.2 LCD1602與單片機的接口電路LCD1602與單片機的連接如圖14所示圖15 LCD1602與單片機的連接控制信號由單片機 P2.0P2.2控制，數(shù)據(jù)從P0.0P0.7引入。通過P2.0來選擇是用數(shù)據(jù)

53、寄存器還是指令寄存器，P2.2作為芯片使能端子，P2.1控制芯片是進行讀操作還是寫操作。液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。4 軟件部分該部分主要是關(guān)于A/D轉(zhuǎn)換、單片機、LCD1602的編程。經(jīng)過幅相檢測電路得到電壓比值和相位差，在A/D轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量，送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，最后經(jīng)過顯示器顯示，直觀地觀察蓄電池性能的好壞。4.1 主程序主程序如圖15所示開始LCD初始化調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序延時調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序數(shù)據(jù)處理子程序顯示結(jié)果判定蓄電池性能結(jié)束圖16 主程序主程序剛開始先對液晶顯示器進行初始化設(shè)置，然后調(diào)用轉(zhuǎn)換子程序，先對增益系數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)一段時間再對阻抗角轉(zhuǎn)換，按公式R=qRocos處理數(shù)據(jù),根據(jù)結(jié)果顯示不同