基于C8051F330的電池電量在線監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

趙 雁，王志乾

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033)

作為備用電源，蓄電池已在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、軍工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其重要性也越來越突出。當(dāng)精密測(cè)量儀器在野外工作時(shí)，更是離不開電池，而且電池電量對(duì)儀器的使用有著重要的影響。如果不能在線對(duì)電池的電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，所以對(duì)電池剩余電量的預(yù)測(cè)和示警也變得越來越迫切[1-3]。

本文針對(duì)某電子經(jīng)緯儀的電池組，設(shè)計(jì)了一種便攜式的電量監(jiān)測(cè)儀，在電池組的充電和放電過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電量，當(dāng)電池電量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值點(diǎn)時(shí)，通過發(fā)光二極管來提醒使用者，而當(dāng)電池電量沒有達(dá)到最低限值時(shí)，則通過蜂鳴器告警。

1 硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)的微處理器選用增強(qiáng)型51單片機(jī)C8051F330，它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，高速、流水線結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核與MCS-51指令集完全兼容，但全指令集平均運(yùn)行速度比MCS-51提高9.5倍。其內(nèi)部有豐富的外設(shè)資源：8 KB可在線編程的Flash存儲(chǔ)器、768 B片內(nèi) RAM、內(nèi)置看門狗、片內(nèi)上電復(fù)位、4個(gè)通用16位定時(shí)器、真正10位200 kS/s的16通道ADC轉(zhuǎn)換器以及 I2C、UART、SPI總線通信接口等[4]。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)對(duì)電池電量的分壓采集采用C8051F330片內(nèi)的ADC轉(zhuǎn)換器。其目的是：降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，防止電路板消耗電池電量比例過大；節(jié)約電路板的面積，防止由于電路板上分立器件走線帶來的不便。

在實(shí)際工作中，電池最大電壓為28 V，當(dāng)?shù)陀?0 V時(shí)，電子經(jīng)緯儀將無法正常工作。本設(shè)計(jì)設(shè)定了3個(gè)閾值電壓，分別為：V1(25 V)、V2(22 V)、V3(20 V)，當(dāng)微處理器監(jiān)測(cè)到電量大于V1時(shí)，3個(gè)綠色的LED燈亮；當(dāng)電量在 V1和 V2之間時(shí)，LED2和 LED3燈亮；當(dāng)電量在 V2和V3之間時(shí)，只有 LED3燈亮；當(dāng)電量小于 V3時(shí)，紅色的LED4亮，同時(shí)蜂鳴器告警。系統(tǒng)的工作狀態(tài)如表1所示。

表1 系統(tǒng)工作狀態(tài)表

2 軟件設(shè)計(jì)

C8051F330的主程序采用定時(shí)中斷方式，由內(nèi)部定時(shí)器2產(chǎn)生頻率為10 Hz的脈沖硬件中斷，程序框圖如圖2所示。

圖2 軟件程序框圖

系統(tǒng)在中斷服務(wù)子程序內(nèi)對(duì)A/D采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先采用均值濾波對(duì)采進(jìn)來的數(shù)據(jù)求取平均值，濾除由電源的不穩(wěn)定和電路板的噪聲所引起的采樣數(shù)據(jù)的毛刺，從而避免數(shù)據(jù)的抖動(dòng)；然后將濾波得到的數(shù)值V直接與系統(tǒng)設(shè)定的 3個(gè)閾值 V1、V2和 V3進(jìn)行比較，對(duì)采樣的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)定位在某一個(gè)狀態(tài)來確定電池電量所處的工作狀態(tài)，從而由C8051F330來控制相應(yīng)的LED以及蜂鳴器對(duì)用戶做出提示或告警。

3 改進(jìn)的軟件處理方法

按照上述設(shè)計(jì)，無論電池充電還是放電，其狀態(tài)的轉(zhuǎn)移是由單一條件閾值決定的，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖

輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變。但是在實(shí)際工作時(shí)，由于硬件系統(tǒng)噪聲始終存在，并且電池充放電曲線也不是線性的，即電池本身電壓也存在抖動(dòng)，而均值濾波只在一定程度上抑制了硬件系統(tǒng)的噪聲，對(duì)于電池本身帶來的抖動(dòng)起不到完全的抑制作用。因此，當(dāng)電壓接近某一個(gè)閾值時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)就會(huì)頻繁發(fā)生跳變，表現(xiàn)為LED指示燈不停地交替閃爍，影響監(jiān)測(cè)儀的正常使用。鑒于這種現(xiàn)象，本系統(tǒng)在軟件上提出一種改進(jìn)方法，即設(shè)定具有滯回特性的閾值條件，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖

這種處理方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力，即將原來的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的條件由單一閾值變?yōu)橐粋€(gè)閾值區(qū)間[VΔV，V+ΔV]。 根據(jù)實(shí)際情況，ΔV取 0.1 V。 在這種情況下，采樣的電壓值進(jìn)入某一個(gè)狀態(tài)后，若要跳到上一個(gè)狀態(tài)，需要電壓升高到V+ΔV；若要跳到下一個(gè)狀態(tài)，則需要電壓降低到下一個(gè)閾值V-ΔV。這樣就在軟件上避免了狀態(tài)頻繁跳變的情況，即使出現(xiàn)電壓短暫的抖動(dòng)也不會(huì)影響狀態(tài)的改變。圖5為狀態(tài)轉(zhuǎn)移滯回特性曲線。

本文介紹了一種基于C8051F330的蓄電池電量在線監(jiān)測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)。通過對(duì)軟件處理方法的改進(jìn)，采用了具有滯回特性的閾值判斷方法，有效地去除了電源抖動(dòng)和雜波等造成的干擾。實(shí)際應(yīng)用證明，該監(jiān)測(cè)儀體積小、成本低、攜帶方便、操作簡單、運(yùn)行效果良好，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電量的目的，能夠滿足用戶的使用要求。

圖5 狀態(tài)滯回特性曲線

[1]李唐兵，姚建剛，李繼光.基于MCU的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009(1):23-25.

[2]王宗亮，董國保，劉建東.應(yīng)用單片機(jī)測(cè)試蓄電池剩余電量[J].機(jī)電設(shè)備，2004，21(1):39-41.

[3]徐拓奇，金光.星上電池的均衡控制[J].光學(xué)精密工程，2009，17(3):596-602.

[4]新華龍電子有限公司.C8051F330/1混合信號(hào)ISP Flash微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè).潘琢金，譯.2003.