基于MSP430单片机的智能电池监测仪

 

 

 

摘要：电池检测与监控一直是研究的热点和难点问题。该监测仪是基于MSP430F423单片机采用4线制交流注人法在线测 量电池内阻,即对电池注人一个低频交流电流信号，信号经过放大、滤波以及整流,测出蓄电池两端的低频交流电压,然后根据 比例算出内阻，进而计算出电池的容量,采用分压法测量电池电压,用单片机内部温度传感器测量电池温度。该内阻测量方法 克服了噪声干扰,能够快速获得稳定、精确的测量数据，并且根据内阻数据可计算出电池的容量,最后通过液晶将各数据显示出 来。另外该仪器还可以通过RS485串行通信接口进行远程监控。

 

关键词：MSP430F423；电池检测；内阻检测；交流注人法

 

 

并可提供RS485远传功能。

 

2系统硬件设计

 

该智能电池监测仪的硬件部分主要包括 MSP430F423主控模块、电源模块、内阻监测模块、电压检 测模块、温度检测模块、液晶显示模块、数据远程传输模 块。系统硬件框图如图1所示。

 

2.1 MSP430系列单片机简介

 

由美国TI公司生产的MSP430系列低功耗微控制器 针对不同的应用范围集成了各种各样的外围设备，它提

收稿日期:2007~01 Received Data：2007-01

1引言

 

电池作为电源系统停电时的备用电源，已被广泛应用 于工业生产，以及交通、通信等行业。电池检测与监控一 直是国内外研究的热点和难点问题。电池各参数的准确 测量为电池的正常工作提供了可靠的保障，对提高直流系 统的安全运行、提高供电系统的可靠性和自动化程度，有 着十分重要的意义。本文设计的基于MSP430F423⑴单片 机的智能电池监测仪器主要用来完成以下几方面的功能: 剩余容量的在线检测、单体端电压测试及电池体温度测试 等。该系统采用友好的人机界面，提供直观的数据资料,

 

供的5种低功耗模式使得一些便携式测量设备延长了电 池的使用寿命。本混合信号处理器内核为强大的16位 精简指令集（RISC)CPU，具有16位寄存器和常数发生 器，这使得代码效率得以最大优化。其中的数控晶振 (DC0)允许在6叫之内从低功耗模式唤醒到激活模式。 MSP430F423系列微控制器具有14个I/O引脚、1个16 位的定时器、3个16位Sigma-Delta AD转换器、1个通用 串行同步/异步通信接口、128段LCD驱动。

为了解决上述各方法的缺陷,本设计采用了一种新 型的电池内阻测量方法。信号源给电池注入一个交流信 号，测量出由此信号在电池两端产生的电压信号和回路 的电流，就可计算出电池的内阻：

 

r = V/I (1)

 

为减小干扰和噪声，装置采用4端子测量电池的内阻， 其中两个端子施加频率为15 Hz低频的恒定交流激励电流 信号，另两个端子用于测量。测量工作原理如图2所示。

 

2.2蓄电池剩余容最在线监测

 

由于电池的容量与内阻之间存在很好的相关性，一 般而言，电池的容量越大,其内阻就越小，通过对内阻的 测量就能评估容量的大小。因此内阻作为电池的一项重 要技术参数指标越来越受到人们的重视，对其进行测量 将有着非常重要的实际意义。

 

测量蓄电池内阻的方法很多，目前人们使用的主要 有电位差计法、直流伏安法、短路电流法、交流注人法 等[34]。前3种方法都属直流法，实际测量中电池始终处 于放电状态，对电池损耗较大，且直流方法所得数据重复 性较差，准确度较低。交流注入法通过对蓄电池注人一 个恒定的交流电流信号/,，测量出蓄电池两端的电压响 应信号K，以及两者的相位差0，由阻抗公式乙=V0/I, 及=Zcc«0来确定蓄电池的内阻/{0。该方法不需对 蓄电池进行放电，可以实现安全在线检测电池内阻，故不 会对蓄电池的性能造成影响。而在实际测量中，由于电 池内阻很小，干扰和噪声对它的影响就会很大,测量线的 阻抗也不可忽略，所以有效地抑制干扰和噪声，提高测量 精度在内阻测量中就显的十分重要[5】。

图2内阻测量工作原理图 Fig. 2 Operation principle of internal resistance measurement

 

按图3连接好电路，使用单片机产生15 Hz的PWM 低频方波，作为恒定交流激励电流信号。将待测电池两 端的交流信号经过前4级运算放大器滤波和放大将方波 变为正弦波,然后经过精密整流电路进行全波整流，并调 整放大倍数然后再次滤波变为平滑的直流信号，然后送 人单片机进行A/D转换，经过运算后读出输出电压F。 为测得输入回路电流信号的有效值J，本文引人了基准 电阻R，测出电池两端的交流电压后，再将的低频交流信 号输入端移至基准电阻《和待测电池两端，测出其电压 Vt。由电路图可知，在信号源输出信号不变的情况下， 待测电池和基准电阻串联在同一回路中，流过它们的 电流是相同的，根据式(1)，可以推导出电池内阻与基准 电阻之间的关系：