鉅大LARGE | 點擊量：605次 | 2021年12月23日
單片機在車輛蓄電池報警器中的設計應用
在分析比較幾種常見蓄電池剩余電量檢測方法的基礎上，介紹了利用MSp430單片機設計車輛蓄電池報警器的工作要點。該報警器實現(xiàn)了特定條件下蓄電池剩余電量指示，蓄電池內(nèi)阻大報警，充電電壓過高報警，非規(guī)范啟動（單次起動時間超過5s、兩次啟動間隔時間少于15s、持續(xù)啟動次數(shù)超過3次）發(fā)動機提示報警等功能，具有實用價值。
蓄電池是汽車上的重要部件，不僅為發(fā)動機啟動供應動力，而且為用電設備供應電能，并存儲充電系統(tǒng)的多余電能，蓄電池技術狀態(tài)的好壞直接影響汽車的正常運行。實際工作生活中，蓄電池技術狀況的檢查手段比較落后，特別就一般車輛而言，缺少在線、直觀、實時的反映蓄電池技術狀況的儀器儀表，多數(shù)為無法啟動車輛時才送檢，通常因蓄電池保管不善、保養(yǎng)不及時、放電過度而早期損壞。為了解決對車輛蓄電池技術狀況的實時監(jiān)測問題，做到及時對要充電的蓄電池進行充電，對要維護修理的蓄電池進行維護保養(yǎng)，研制一款能對車輛蓄電池的技術狀態(tài)檢測報警的蓄電池報警器有實際意義。
車輛蓄電池報警器要能實現(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)阻大報警，充電電壓過高報警，非規(guī)范啟動（單次起動時間超過5s、兩次啟動間隔時間少于15s、持續(xù)啟動次數(shù)超過3次）發(fā)動機提示報警。而且根據(jù)實際使用條件，報警器要輕便、實用、直觀、可靠，并且做到不影響車輛性能，安裝簡單，適用性好。
1檢測方法的選擇
蓄電池剩余電量的指示是報警器的一個重要功能，合理的選擇蓄電池剩余電量檢測方法成為報警器設計的關鍵。常見的蓄電池剩余電量的檢測方法有：密度法、開路電壓法、放電法、內(nèi)阻法、庫侖計法等。選擇的原則是要能夠滿足整體功能的設計要求，并考慮使用環(huán)境、條件以及成本等因素。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.1蓄電池剩余電量常見檢測方法
●密度法：蓄電池剩余電量和其內(nèi)部電解液密度密切相關，通過測量電解液的密度值，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新增而按比例下降。
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測量電解液密度，用溫度計測出電解液溫度，再根據(jù)標準溫度進行換算。只能離線人工檢測。
●開路電壓法：蓄電池的荷電程度跟蓄電池電解液密度密切相關，而根據(jù)能斯特方程的描述電解液濃度和溫度變化會引起電池電動勢的變化。因此，通過測量蓄電池的端電壓，也可以推算出蓄電池的剩余電量。
●放電法：通過對蓄電池施加一負載，計算單位時間內(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。為了實現(xiàn)在線測量，縮短測量時間，要對蓄電池大電流放電，而大電流放電對蓄電池將會出現(xiàn)嚴重損傷，嚴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性非常好，相關系數(shù)可以達到88%.因此，通過測量電池內(nèi)阻可較準確地預測其剩余電量。蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內(nèi)阻相差2~4倍左右。隨著電池充電過程的進行，內(nèi)阻逐步減小；隨著放電過程的進行，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,然后檢測電池端電壓Vo以及Is和Vo兩者之間的夾角θ。通過公式Z=Vo/Io,R=Zcosθ，即可得到電池內(nèi)阻值，從而得到剩余電量。內(nèi)阻法4線制接線，精確度相對高。
●庫侖計法：通過對流入/流出電池的總電流進行積分，得到的凈電荷數(shù)即為剩余容量。庫侖計電路一般使用一個阻值非常低的串聯(lián)電阻作為檢流電阻，通過檢測檢流電阻上的壓降反推電流，再通過電流對時間的積分來計算電量變化。電池初始容量可以預置，也可由完整充電周期來統(tǒng)計學習。Maxim公司供應一系列精確的智能電池電量計芯片，如DS2780,在一塊芯片內(nèi)集成了庫侖計、溫度傳感、電池電壓檢測、時鐘和非易失存儲器，能夠對電池電量進行精確計算。
1.2報警器選擇開路電壓法
1.2.1開路電壓法的局限性
●關于不同廠商生產(chǎn)的電池，其開路電壓與容量之間的關系有差異。
●只有通過測量電池空載時的開路電壓才能獲得相對準確的結果，而在運行時由于負載電流在內(nèi)阻上出現(xiàn)的壓降將影響開路電壓的測量精度。
●蓄電池在充電（以及大電流放電）后會出現(xiàn)虛高（與虛低）現(xiàn)象，重要原因是充電時電解質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。表面電荷可通過短時低電流放電消除，也可在蓄電池靜置幾個小時后自行消除。
1.2.2選擇開路（端）電壓法的理由
●與其他使用蓄電池的方式不同，汽車蓄電池在啟動時有一個大電流放電，而在引擎正常運轉后會帶動發(fā)電機向蓄電池充電。所以對蓄電池剩余電量的關心是在點火啟動前，而在點火開關和附屬電器設備關閉時的端電壓可以近似為開路電壓，此時通過開路電壓法來判斷剩余電量是可行、恰到好處的。而在點火以及充電過程中則可通過端電壓曲線的變化來分析判斷內(nèi)阻大，充電電壓過高，非規(guī)范啟動電機等技術狀態(tài)并伺機報警。
●與其他任何方法相比開路（端）電壓法對蓄電池的影響最小，只需兩根線并接到蓄電池上，同時作為報警器的電源和檢測信號的輸入，安裝最簡便；不要對蓄電池改動或新增附件，適應性好，互換性強。
●由于蓄電池端電壓變化率（約為30%~40%）遠小于其內(nèi)阻變化率（相差2~4倍），因此采用開路電壓法的精確度無法與內(nèi)阻法相比。但報警器的使用環(huán)境并不要求很高精確度，而開路電壓法能夠滿足精度要求，并且電路簡單，成本低。
通過對各種檢測方法的分析比較，綜合考慮報警器實際使用條件，安裝，成本等因素，我們選擇開路（端）電壓法作為報警器的基本檢測方法。[page]
2系統(tǒng)設計
報警器采用以微處理器（MCU）為核心，包括分壓取樣與信號調(diào)理單元，A/D轉換模塊單元、電源單元、顯示及報警輸出單元、按鍵與設置單元構成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
圖1系統(tǒng)原理框圖
2.1硬件設計
2.1.1MCU（微控制器）與ADC模塊。
MCU選用TI（德州儀器）公司的低功耗16位單片機MSp430F427,它的重要特點：
●低工作電壓范圍：1.8V~3.6V;
●超低功耗：400Aat1MHz,3.0V;
●16-BitRISC指令體系，125nS指令周期；
●32KBFlashMemory,1KbrAMMemory;
●3個獨立的16-BitSigma-DeltaA/D,帶差分pGA輸入；
●16位按時器TIMER_A（3捕獲/比較寄存器）；
●串行通信接口（UART），通過軟件選擇異步UART或同步SpI;
●電源電壓管理/監(jiān)控；
●串行在線編程，無需外部編程電壓；
●安全熔絲可編程代碼保護。
由于MSp430F427具有上述功能特點，完全滿足蓄電池報警器功能需求，而且不要另加A/D轉換器，既節(jié)約了成本、降低功耗，又簡化了電路板的布線，有利于提高可靠性。
2.1.2分壓取樣與信號調(diào)理電路。
通過兩個精密電阻組成分壓電路，由運算放大器完成信號調(diào)理，分壓取樣與信號調(diào)理電路圖如圖2所示。
圖2分壓取樣與信號調(diào)理電路
2.1.3驅動與輸出電路。
考慮到MCU（微控制器）I/O口的驅動能力，對蜂鳴器與LED發(fā)光管均用一個三極管完成驅動，驅動與輸出電路如圖3所示。
圖3驅動與輸出電路
2.1.4電源電路模塊。
重要選用一個寬電壓輸入的DC/DC轉換模塊完成，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
2.2軟件設計
蓄電池報警器軟件采用模塊化設計，分成main,BT_timer,SD16三個模塊。每個模塊由C語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，超限判斷及報警子程序，中斷處理子程序等。
2.2.1main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轉換器及其模擬采樣通道、顯示模塊等的自檢。初始化將對儀器初始狀態(tài)給予設定，包括按時器和串口的設定及分配、中斷系統(tǒng)的開放、看門狗的啟動等，系統(tǒng)初始化完成后進入LpM0低功耗模式。pORT中斷處理程序完成對按鍵輸入的處理.
2.2.2BT_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初始化程序重要完成對基本按時器的初始化，設定的按時周期為250ms;BT_timer中斷處理程序完成報警后1分鐘報警解除處理，刷新LED處理，按時啟動SD16模塊等功能，其程序流程圖如圖5所示。LED顯示處理程序，重要根據(jù)程序的顯示字，顯示模式字來完成對LED,蜂鳴器硬件操作，包括顯示、閃爍、鳴叫等。
圖5BT_timer中斷處理程序
2.2.3SD16模塊。
SD16模塊重要包括SD16模塊初始化程序，SD16（ADC）中斷處理程序。SD16模塊初始化程序重要完成MSp430內(nèi)置數(shù)/模轉換模塊SD16的初始化設置；SD16（ADC）中斷處理程序，重要完成電壓數(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。[page]
SD16中斷處理程序流程圖如圖6所示。
圖6SD16中斷處理程序流程圖
2.2.4報警判定處理。
設立一個"先進先出"的緩沖隊列，存放端電壓值隨時間變化曲線。依據(jù)緩沖隊列中的電壓采樣值監(jiān)測車輛蓄電池電壓范圍，判斷蓄電池啟動、內(nèi)阻大、充電等狀態(tài)變化并伺機報警。當端電壓值超過或低于門限值達3000ms,即做高（低）報警；如端電壓值單位時間內(nèi)下降幅度較大，則意味著蓄電池性能變差，做內(nèi)阻大報警；如端電壓值單位時間內(nèi)變化超過一定值，則可判別發(fā)動機啟動，充電等狀態(tài)，在單次起動時間超過5s、相鄰兩次啟動時間少于15s、持續(xù)啟動次數(shù)超過3次時，做非規(guī)范啟動報警。
3結束語
產(chǎn)品設計中的技術路線選擇，以滿足設計功能基礎上的合用性為原則，同時綜合考慮實際使用條件，安裝，成本等因素。
以上設計的報警器結構緊湊小巧，安裝方便，使用直觀，功能齊全，為駕、修人員供應一個方便的車輛蓄電池監(jiān)測手段，產(chǎn)品已投入實際使用。
