0 引 言

蓄電池是汽車上的重要部件，不僅為發(fā)動機啟動提供動力，而且為用電設(shè)備提供電能，并存儲充電系統(tǒng)的多余電能，蓄電池技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)狀況的實時監(jiān)測問題，做到及時對需要充電的蓄電池進行充電，對需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(shù)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5 s 、兩次啟動間隔時間少于15s、連續(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主要功能，合理的選擇蓄電池剩余電量檢測方法成為報警器設(shè)計的關(guān)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(shè)計要求，并考慮使用環(huán)境、條件以及成本等因素。

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(guān)，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增加而按比例下降。

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(guān)，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，需要對蓄電池大電流放電，而大電流放電對蓄電池將會產(chǎn)生嚴重損傷，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(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)可以達到8 8 % .因此，通過測量電池內(nèi)阻可較準確地預(yù)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=Zcos θ，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(yù)置，也可由完整充電周期來統(tǒng)計學(xué)習(xí)。Maxim 公司提供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?qū)﹄姵仉娏窟M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

● 對于不同廠商生產(chǎn)的電池，其開路電壓與容量之間的關(guān)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(jié)果，而在運行時由于負載電流在內(nèi)阻上產(chǎn)生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)后會產(chǎn)生虛高(與虛低)現(xiàn)象，主要原因是充電時電解質(zhì)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(zhuǎn)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(guān)心是在點火啟動前，而在點火開關(guān)和附屬電器設(shè)備關(guān)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(shù)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;不需要對蓄電池改動或增加附件，適應(yīng)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。

2 系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)換模塊單元、電源單元、顯示及報警輸出單元、按鍵與設(shè)置單元構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖[!--empirenews.page--]

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 MCU(微控制器)與ADC模塊。

MCU 選用T I(德州儀器)公司的低功耗1 6 位單片機MSP430F427,它的主要特點：

●低工作電壓范圍：1.8V~3.6V;

●超低功耗：400 A at 1MHz,3.0V;

●16-Bit RISC指令體系，125nS指令周期;

●32KB Flash Memory,1KB RAM Memory;

●3個獨立的16-Bit Sigma-Delta A/D,帶差分PGA輸入;

●16 位定時器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，而且不需要另加A / D 轉(zhuǎn)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(qū)動與輸出電路。

考慮到MCU(微控制器)I/O 口的驅(qū)動能力，對蜂鳴器與L E D 發(fā)光管均用一個三極管完成驅(qū)動，驅(qū)動與輸出電路如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動與輸出電路

2.1.4 電源電路模塊。

主要選用一個寬電壓輸入的DC/DC 轉(zhuǎn)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[!--empirenews.page--]

2.2 軟件設(shè)計

蓄電池報警器軟件采用模塊化設(shè)計，分成main ,B T _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。

2.2.1 main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(zhuǎn)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(shè)定，包括定時器和串口的設(shè)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。

2.2.2 BT_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 初始化程序主要完成對基本定時器的初始化，設(shè)定的定時周期為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，定時啟動SD16 模塊等功能，其程序流程圖如圖5 所示。LED 顯示處理程序，主要根據(jù)程序的顯示字，顯示模式字來完成對L E D ,蜂鳴器硬件操作，包括顯示、閃爍、鳴叫等。

圖5 BT_timer中斷處理程序

2.2.3 SD16模塊。

SD16 模塊主要包括SD16模塊初始化程序，SD16(ADC)中斷處理程序。SD16模塊初始化程序主要完成MSP430 內(nèi)置數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換模塊SD16 的初始化設(shè)置;SD16(ADC)中斷處理程序，主要完成電壓數(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。

SD16 中斷處理程序流程圖如圖6 所示。

圖6 SD16中斷處理程序流程圖

2.2.4 報警判定處理。

設(shè)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(dāng)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5 s 、相鄰兩次啟動時間少于1 5 s、連續(xù)啟動次數(shù)超過3 次時，做非規(guī)范啟動報警。

3 結(jié)束語

產(chǎn)品設(shè)計中的技術(shù)路線選擇，以滿足設(shè)計功能基礎(chǔ)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(shè)計的報警器結(jié)構(gòu)緊湊小巧，安裝方便，使用直觀，功能齊全，為駕、修人員提供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。