一種新型的干電池放電特性測量儀

余會娟

（安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校醫(yī)學(xué)技術(shù)系，安徽 合肥230601）

干電池的放電特性測試儀是測量電池加上負(fù)載電路后，電池兩端的負(fù)荷電壓、電流和放電時(shí)間，跟蹤并記錄電池達(dá)到電流、電壓預(yù)設(shè)的下限值，并描繪整個(gè)放電過程中負(fù)荷電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系，從而準(zhǔn)確地反映出電池的容量特性。本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)完成對干電池放電特性數(shù)據(jù)的采集和對其他模塊的控制，采用ULN2803驅(qū)動繼電器控制8種負(fù)載阻抗的選擇，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動電路。通過ARM STM32-cortex-m3單片機(jī)可完成電壓的采集并將電壓值直接顯示在液晶1602上。根據(jù)歐姆公式計(jì)算出電流的測試結(jié)果，然后通過ARM STM32-cortex-m3單片機(jī)A／D采樣顯示。另外，使用存儲芯片24C02實(shí)現(xiàn)了下限電壓和電流值的存儲，用存儲芯片W25X16保存采集到的數(shù)據(jù)長度，最后通過按鍵來實(shí)現(xiàn)各部分功能的控制和顯示；在干電池放電曲線顯示方面，采用32x64點(diǎn)陣加一塊獨(dú)立于主控制器的單片機(jī)對其進(jìn)行控制和顯示。此干電池放電特性測試儀原理及外圍電路簡單，便于實(shí)現(xiàn)，而且準(zhǔn)確度高。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于ARMSTM32-cortex-m3單片機(jī)強(qiáng)大的系統(tǒng)功能和低成本、低功耗的特點(diǎn)，此干電池放電特性測試儀采用其作為主控制器。利用其內(nèi)置的中斷控制、存儲器保護(hù)以及系統(tǒng)的調(diào)試和控制功能來完成對干電池放電特性進(jìn)行準(zhǔn)確而可靠的采集。由于要完成至少8種負(fù)載阻抗選擇，考慮到軟硬件的合理化分配，采用繼電器ULN2803實(shí)現(xiàn)各負(fù)載的通斷控制，便于檢測且可靠性強(qiáng)。為了完成對電池的自動加載、自動檢測、循環(huán)采樣、自動分析處理采樣結(jié)果、記錄電池的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)和達(dá)到特定電壓值所經(jīng)歷的時(shí)間，特設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 部分單元模塊設(shè)計(jì)

2．1 按鍵控制模塊

按鍵K1：開啟多個(gè)斷續(xù)放電和終止測試電壓設(shè)置，查看存儲器中存儲的電壓電流值，進(jìn)行負(fù)載選擇并顯示時(shí)間；按鍵K2：開啟和關(guān)閉電池放電特性的采集；按鍵K3：實(shí)現(xiàn)從左到右的數(shù)值切換，在主界面時(shí)按下可進(jìn)行電池的串并聯(lián)和單節(jié)模式的選擇；按鍵K4：在數(shù)據(jù)設(shè)置位中，實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前數(shù)值加一，在電池模式選擇界面中，可進(jìn)行切換。按鍵控制電路圖如圖2所示。

2．2 負(fù)載電路模塊

給驅(qū)動芯片ULN2803的輸入管腳加高電平，使繼電器吸合；加低電平，使繼電器釋放，實(shí)現(xiàn)電路的通斷，來完成負(fù)載阻抗的選擇。電路負(fù)載選擇模塊電路如圖3所示。電路中的按鍵是實(shí)現(xiàn)對具有存儲電荷的電子元器件進(jìn)行放電，來消除對電池特性的影響。

2．3 存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊電路如圖4所示。存儲器24C02是一種采用I2C總線結(jié)構(gòu)的小容量集成存儲電路，組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，芯片管腳數(shù)量少，無需片選信號，允許若干兼容器件共享總線，在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要用于對單獨(dú)的預(yù)設(shè)門限值進(jìn)行存儲。

存儲芯片W25X16的存儲容量可達(dá)到2M的字節(jié)，容量大、傳輸速率可達(dá)75MHz、低能耗，寬溫度范圍、操作較簡單。它是理想中的大容量存儲芯片，在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要用于對每秒采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

2．4 電池檢測模塊

圖3 電路負(fù)載選擇模塊電路圖

圖4 數(shù)據(jù)存儲模塊電路圖

圖5 電池檢測模塊電路圖

電池檢測模塊電路如圖5所示。單片機(jī)ARMSTM32-cortex-m3控制U1：ULN2803和U2：ULN2803（電路選擇負(fù)載電路中）的輸出端口，分別控制電路中的4個(gè)繼電器，實(shí)現(xiàn)對電池的串并聯(lián)以及單獨(dú)電池供電的選擇。電路中的DA1和DA2分別是對電池兩端的電壓、電流進(jìn)行檢測的檢測點(diǎn)，檢測到的數(shù)值通過單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換，得到電壓和電流值，并顯示在液晶顯示屏上。

2．5 顯示模塊

采用LED64＊32點(diǎn)陣屏加1塊高速單片機(jī)，專門負(fù)責(zé)曲線的繪制和處理；它們構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的模塊，便于顯示。顯示的方式為：主控制器將待顯示曲線數(shù)據(jù)送入24C02中暫存，由點(diǎn)陣自帶的控制器從24C02中取出數(shù)據(jù)，處理繪制于LED64＊32屏上，曲線的函數(shù)是放電電壓與時(shí)間的關(guān)系，顯示在LED64＊32點(diǎn)陣屏上。

3 干電池放電特性測試儀軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，以主程序?yàn)橹行?，使用按鍵中斷服務(wù)子程序，來切換主程序的工作模式。圖6為系統(tǒng)流程圖。

3．1 電壓采集顯示部分子程序

通過單片機(jī)ARMSTM32-cortex-m3控制ULN2803的輸出端口，來控制電路中的4個(gè)繼電器，實(shí)現(xiàn)對電池的串并聯(lián)以及單獨(dú)電池供電的選擇。檢測到的數(shù)值通過單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換，顯示到1602液晶屏。電壓顯示程序如下：

圖6 系統(tǒng)流程圖

3．2 電流采集顯示部分子程序

采用ULN2803驅(qū)動繼電器控制8種負(fù)載阻抗的選擇，根據(jù)歐姆公式計(jì)算出電流的測試結(jié)果，然后通過單片機(jī)A／D采樣將其顯示出來。電流顯示程序如下：

4 測量結(jié)果

打開系統(tǒng)電源，首先通過按下相應(yīng)的按鍵進(jìn)入電池選擇界面，對電池（單節(jié)電池、兩節(jié)串聯(lián)、兩節(jié)并聯(lián)）進(jìn)行選擇，其次再通過相應(yīng)的按鍵進(jìn)入負(fù)載選擇界面，對負(fù)載進(jìn)行選擇，選擇完后返回到主界面，按下開啟鍵進(jìn)入對電池的電壓、電流的放電采集界面，對電池的電壓、電流放電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集的數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上（同時(shí)數(shù)據(jù)被保存在大容量的存儲器中），直接觀察即可得到測試值。測試結(jié)果如表1所示。

表1 干電池放電電壓、電流數(shù)據(jù)測試結(jié)果

5 結(jié)語

干電池放電特性測試儀主要由電池檢測模塊、繼電器ULN2803驅(qū)動模塊、大小容量存儲模塊和液晶顯示模塊組成，采用按鍵選擇測量模式，完成對干電池放電數(shù)據(jù)的采集處理和終止電壓值的預(yù)設(shè)。從測試結(jié)果看，能夠很好地實(shí)現(xiàn)電壓電流值的采集、存儲和顯示。系統(tǒng)還可以在電路布局、抗干擾性等方面進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高穩(wěn)定性和可靠性。

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