CN100350262C - 车用铅酸蓄电池容量在线检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种车用铅酸蓄电池电解液浓度在线检测系统，包括：外壳、发射管、光学准直透镜、光学反射三棱镜、接收管、聚焦透镜、驱动电路、第一放大电路、A/D转换接口电路、单片机电路、热敏电阻Rt、第二放大电路、显示驱动电路、显示电路；所述第二放大电路的输入端与热敏电阻Rt相连，其输出端与A/D转换接口电路的一个输入端IN0脚相连；所述A/D转换接口电路的8个数字量输出端口第D0端至第D7端分别与单片机电路的其中的8个输入口第P0.0端至第P0.7端相连，所述显示驱动电路的输入端分别与单片机电路的输入输出口相连，显示驱动电路的输出端与显示电路的控制端相连，显示电路的数据输入端接收单片机电路输出的段码数据并将该数据用LED显示。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测车用铅酸蓄电池容量的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统。
背景技术
随着汽车保有量的增加，车用铅酸蓄电池的使用数量迅猛增加，但由于受铅酸蓄电池容量无法在线测试的限制，使车用铅酸蓄电池的使用寿命缩短，也给环境保护带来了巨大的压力，要延长铅酸蓄电池的寿命，主要是控制好电池的充电、放电两个过程，及时了解电池的剩余容量，由于电池使用寿命与放电深度成正比。故如何准确、在线的检测铅酸蓄电池容量就显得非常重要。众所周知，铅酸蓄电池容量主要与电解液的浓度(相对密度)有关，目前，电池生产厂家均采用先测试电解液的浓度，然后根据经验数据查表得出蓄电池的容量，方法复杂，不直观，没有一个直接检测显示蓄电池容量的系统；本发明通过传统光学的方法，检测铅酸蓄电池的电解液浓度或相对密度的变化，即当电解液浓度或相对密度不同时，其光的折射率也不同，光在不同密度的界面传输时，由于被测电解液浓度或密度的变化，会导致其光传输能量的会发生变化，由此测试出浓度或密度的变化，并将此变化转换成电压数据，同时将电解液浓度与电池容量的函数关系输入单片机，通过单片机进行数据处理，用显示器直观的显示出蓄电池的容量，另外，现有浓度传感器如实用新型专利号88218979.4存在如下缺点：接收管将光信号转换成电信号后，通过一个可调电阻直接输出，未将电信号放大；光路中与被测溶液只有一个反射面，液体浓度变化对反射光影响较小，未将光进行2次(或多次)反射；因此测量灵敏度低，测量不准确；在三棱镜的反射界面处未镀膜，因此不能使光线产生共振，影响了测试精度。
发明内容
针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种灵敏度高、测量准确、显示直观的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，一种车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，包括：外壳、
发射管：提供光源；
光学准直透镜：接收发射管发出的光线，使光线全部聚焦形成平行光线照射到光学反射三棱镜；可使光线在反射界面处有较大的接触面；
光学反射三棱镜：放置在待测铅酸蓄电池电解液中，接收光学准直透镜发出的光，光学反射三棱镜将接收到的光进行2次反射，使光强产生两次衰减，相当于对蓄电池的浓度(密度)信号起到了放大作用，从而提高了传感器的灵敏度；
聚焦透镜：接收光学反射棱镜反射的光，并进行聚焦，照射到接收管；
接收管：接收聚焦透镜发出的光线，将光信号转换为电信号，并输入到第一放大电路；
驱动电路：连接到发射管和接收管，为发射管、接收管提供驱动电压；
第一放大电路：第一放大电路的输入端连接接收管，将接收管发出的电信号放大成标准模拟信号输入到A/D转换接口电路的一个模拟量输入端口；
A/D转换接口电路：将标准模拟信号转换成数字信号输入到单片机电路，同时接收单片机电路输出的指令信号；
单片机电路：接收A/D转换接口电路输出的数字信号，对数据进行处理与运算，使处理后的数据与蓄电池容量相对应，同时对A/D转换接口电路输出指令信号；
所述系统还包括：热敏电阻Rt、第二放大电路、显示驱动电路、显示电路；
所述热敏电阻Rt放置在蓄电池电解液中，将蓄电池电解液的温度信号转换成电信号；所述第二放大电路的输入端与热敏电阻Rt的两端相连，输出端与A/D转换接口电路的另一个模拟量输入端口相连；所述第二放大电路将电信号放大成标准模拟信号输入到A/D转换接口电路的另一个模拟量输入端口；由于电解液的温度变化对铅酸蓄电池的容量检测有影响，因此通过热敏电阻对铅酸蓄电池的容量测试信号进行温度补偿，使系统的测试数据更准确。
所述A/D转换接口电路的其中二个模拟量输入端口分别与第一放大电路和第二放大电路的输出端相连，其中8个数字量输出端口第D0端至第D7端分别与单片机电路的其中的8个输入口第P0.0端至第P0.7端相连，A/D转换接口电路将第一放大电路和第二放大电路输出的标准模拟信号转换为数字信号，输入到单片机电路；同时所述A/D转换接口电路的3个地址选通输入端分别与单片机电路的3个输入输出口第P2.2端、第P2.1端、第P2.0端相连，由单片机电路控制通道切换；A/D转换接口电路的启动控制输入端口和地址锁存控制信号端口同时与单片机电路的其中1个输入输出口第P2.3端相连，使单片机电路控制A/D转换接口电路的启动；A/D转换接口电路的转换结束信号脉冲输出端口与单片机电路的其中1个输入输出口第P3.2端相连，检测A/D转换是否结束；A/D转换接口电路的时钟端口与单片机电路的地址锁存信号输出端口相连，由单片机电路为A/D转换接口电路提供时钟信号。
所述显示驱动电路的输入端分别与单片机电路的其中的4个输入输出口第P3.4端至第P3.7端相连，显示驱动电路的输出端与显示电路的控制端相连，锁存单片机电路以上4个输入输出口第P3.4端至第P3.7端的控制信号，提供4位位选，以实现数据动态显示；
所述显示电路的数据输入端与单片机电路的其中8个输出口第P1.0端至第P1.7端相连，接收单片机电路输出的段码数据并将该数据用LED显示。
本发明的一个优选方案是，所述显示驱动电路包括4个三极管和电阻R11、R12、R13、R14，所述4个三极管的发射极分别接电源，所述4个三极管的基极分别与电阻R11、R12、R13、R14的一端相连，所述4个三极管的集电极接显示电路，所述电阻R11、R12、R13、R14的另一端分别与单片机电路的4个输入输出口第P3.4端至第P3.7端相连；三极管的作用是锁存单片机电路的控制信号，提供4位位选，以实现动态显示。
本发明的一个优选方案中，所述显示电路包括4位LED数码管和限流电阻R15至R22，所述4位LED数码管是TP-5461BH，TP-5461BH是共阳型数码管，所述数码管的阳极分别与显示驱动电路中的4个三极管的集电极相连，所述数码管的阴极分别与限流电阻R15至R22的一端相连，限流电阻R15至R22的另一端分别与单片机电路的第P1.0端至第P1.7端口连接；由单片机电路的上述端口提供段选码，当单片机电路的端口中为低电平时，端口对应的段就亮。
本发明的一个优选方案中，所述单片机电路由单片机、一个振荡电路和一个复位电路组成，在单片机内装有专用程序，单片机可以选用AT89C51，振荡电路由晶体Y1与电容C1和C2构成并联式谐振电路，连接在单片机的时钟控制端之间；复位电路由C3、R23串联组成，C3、R23的连接接点连接在单片机的复位控制端，电容C3的一端接电源，电阻R23的一端接地。复位电路的作用是使单片机电路和单片机电路系统中的其它部件都处于某一确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
本发明的一个优选方案中，所述光学反射三棱镜、发射管、光学准直透镜、接收管、聚焦透镜放入耐腐蚀的外壳内密封。
本发明的一个优选方案中，所述光学反射三棱镜是等腰三角形的光学反射三棱镜，并在光学反射三棱镜的反射界面处进行镀膜，使光线在反射界面处产生振荡，提高了被蓄电池浓度的变化对反射光能衰减的影响，从而提高了测试精度。
本发明的一个优选方案中，所述A/D转换接口电路是逐次逼进式A/D转换器，包括一个ADC0809芯片。
本发明的一个优选方案中，所述发射管是红外线发射二极管，所述红外线发射二极管的阳极接驱动电路，红外线发射二极管的阴极接地；所述接收管是光敏三极管，所述光敏三极管的集电极接驱动电路，光敏三极管的发射极接第一放大电路。
本发明的一个优选方案中，所述驱动电路由电阻R3、R4、电位器W1组成，电阻R3与电位器W1串联，电位器W1的一端接电源，电位器W1另一端接电阻R3，电阻R3的另一端接红外线发射二极管的阳极，电位器W1的动触点与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端接光敏三极管的集电极。
本发明所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统的有益效果是，通过单片机控制，实现电池容量的直接显示，因此使用方便、直观，由于该车用铅酸蓄电池容量在线检测系统对电解液的温度也进行了测试，通过热敏电阻对测试信号进行温度补偿，同时，由于该光学反射三棱镜对接收到的光进行了二次反射，使光强产生两次衰减，相当于对电解液的浓度(密度)信号起到了放大作用，因此对铅酸蓄电池的容量测量准确，反应灵敏。通过在光学反射三棱镜的反射界面处进行镀膜，使光线在反射界面处产生振荡，提高了被测溶液以及溶液浓度的变化对反射光能衰减的影响，从而提高了测试精度；该系统通过调整W2而得到不同的基准电平(调零)，使在线检测系统获得不同测量零点，通过调整W3可调整差分放大器的放大倍数，通过调整W1可调整红外线发射二极管的发光强度；同样调整W1可使光敏三极管工作在线性区，从而使该传感器有较高灵敏度和较好的线性特性。
附图说明
图1是本发明所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统的电路框图。
图2是本发明所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统的电路原理图
图3是本发明所述的装入单片机的程序流程框图。
图4是本发明所述的光学反射棱镜的光路图。
具体实施方式
参见图1、图2和图4，本发明所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，由外壳11、发射管D1、光学准直透镜4、光学反射三棱镜1、聚焦透镜5、接收管Q1、驱动电路2、第一放大电路3、A/D转换接口电路7、单片机电路8、显示驱动电路9、显示电路10、热敏电阻Rt、第二放大电路6构成，将光学反射棱镜1、发射管D1、光学准直透镜4、接收管Q1、聚焦透镜5放入耐腐蚀的外壳6内并密封，将热敏电阻Rt和光学反射棱镜1放入待测蓄电池溶液12中，如图4所示，同时将发射管D1和接收管Q1放置在同一平面上并与光学反射三棱镜1的一条棱边垂直，同时发射管D1和接收管Q1的中心位置与光学反射三棱镜1的棱边的距离相等，在发射管D1与光学反射三棱镜1之间安装一个光学准直透镜4，接收管Q1与光学反射三棱镜1之间安装一个聚焦透镜5；发射管D1发射的光线经过光学准直透镜4后变成平行光线，发射给光学反射三棱镜1，光学反射三棱镜经过两次反射，使光强产生两次衰减后发射给聚焦透镜5，聚焦透镜5接收后并进行聚焦，照射到接收管Q1；接收管Q1将接收到的光信号转换成电信号并送入放大电路，同时驱动电路2连接到发射管和接收管，为发射管、接收管提供驱动电压；第一放大电路3的输入端连接接收管Q1，将接收管Q1发出的电信号放大成标准模拟信号输入到A/D转换接口电路7的一个模拟量输入端IN1脚；第二放大电路6的输入端与热敏电阻Rt相连，第二放大电路6的输出端与A/D转换接口电路7的另一个模拟量输入端IN0脚相连；热敏电阻Rt放置在蓄电池电解液中；所述A/D转换接口电路7的数字量输出端口D0至D7分别与单片机电路的输入输出口P0.0至P0.7相连，所述A/D转换接口电路7的地址选通输入端A、B、C分别与单片机电路8的输入输出口P2.2、P2.1、P2.0相连，A/D转换接口电路7的启动控制输入端口START和地址锁存控制信号端口ALE同时与单片机电路8的输入输出口P2.3相连，A/D转换接口电路7的转换结束信号脉冲输出端口EOC与单片机电路8的输入输出口P3.2相连，A/D转换接口电路7的时钟端口CLOCK与单片机电路8的地址锁存信号输出端口ALE端相连，A/D转换接口电路7的Ref(+)接电源，A/D转换接口电路7的Ref(-)接地；显示驱动电路9的输入端分别与单片机电路5的输入输出口P3.4至P3.7相连，显示驱动电路9的输出端与显示电路10的控制端相连，显示电路10的数据输入端与单片机电路的数据输出口P1.0至P1.7端口相连，显示电路10接收单片机电路8输出的段码数据并将该数据用LED显示。
在单片机电路中包括一个单片机，在单片机内包括内部程序存储器(ROM)、内部数据存储器RAM、输入/输出口、寻址空间、中断与堆栈、定时器/计数器与寄存器、指令系统、布尔处理器、时钟电路模块。单片机可以选用AT89C51，在单片机内装入图3所示的程序软件并包括电解液浓度与电池容量的函数关系，当蓄电池的容量发生变化时，蓄电池电解液的浓度也要发生变化，光学反射三棱镜1反射的光强也要发生变化，接收管Q1输出的电信号和热敏电阻Rt输出的电信号也要发生变化，通过第一放大电路和第二放大电路发大后输入到A/D转换接口电路7进行模数转换，然后输入单片机电路8，单片机电路8经过对数据进行运算处理转换成蓄电池的容量数据输入显示电路10显示。
其中，所述显示驱动电路9可以包括4个三极管T1至T4和电阻R11、R12、R13、R14，所述三极管T1至T4的发射极分别接电源，所述三极管T1至T4基极分别与电阻R11、R12、R13、R14的一端相连，所述三极管T1至T4的集电极接显示电路的控制端，所述电阻R11、R12、R13、R14的另一端分别与单片机电路8的输入输出口P3.4至P3.7相连。
所述显示电路10可以包括4位LED数码管和限流电阻R15至R22，所述4位LED数码管是TP-5461BH，所述数码管的阳极分别与显示驱动电路9的三极管T1至T4的集电极相连，所述数码管的阴极分别与限流电阻R15至R22的一端相连，限流电阻R15至R22的另一端分别与单片机电路的P1.0至P1.7连接。
所述单片机电路由单片机、一个振荡电路和一个复位电路组成，所述振荡电路由晶体Y1与电容C1和C2构成并联式谐振电路，连接在单片机电路的X1脚与X2脚之间；所述复位电路由电容C3、电阻R23串联组成，电容C3、电阻R23的连接接点连接在单片机电路的RESET脚，电容C3的一端接电源，电阻R23的一端接地；复位电路的作用是使单片机电路和单片机电路系统中的其它部件都处于某一确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
根据本发明的一个优选方案，所述光学反射三棱镜1是等腰三角形的光学反射三棱镜，并在光学反射三棱镜1的反射界面处进行镀膜，使光线在反射界面处产生振荡，提高了被蓄电池浓度的变化对反射光能衰减的影响，从而提高了测试精度。
根据本发明的一个优选方案，所述A/D转换接口电路7是逐次逼进式A/D转换器，包括一个ADC0809芯片。
所述第一放大电路3由两级差分放大器组成，差分放大器A3的“+”端连接到接收管的输出并通过电阻R10接地，差分放大器A3的“-”端通过电阻R9与其输出端连接，差分放大器A3的“-”端通过电阻R5与差分放大器A2的输出端相连，差分放大器A2的“-”端通过电阻R7接地，差分放大器A2的“-”端通过电阻R6与其输出端连接；所述差分放大器A2的“+”端与电位器W2的动触点相连，电位器W2的一端接地，另一端接电源，通过调整W2而得到不同的基准电平(调零)，使该系统获得不同测量零点，同时一个由W3与R8组成的串联电路连接在所述差分放大器A2的“-”端与差分放大器A3的“-”端之间，通过调整W3可调整差分放大器的放大倍数；
所述发射管D1是红外线发射二极管，所述红外线发射二极管的阳极接驱动电路，红外线发射二极管的阴极接地，所述接收管是光敏三极管，所述光敏三极管的集电极接驱动电路，光敏三极管的发射极接放大电路。
所述驱动电路2由电阻R 3、R4、电位器W1组成，电阻R3与电位器W1串联，电位器W1的一端接电源，电位器W1的另一端接电阻R3，电阻R3的另一端接红外线发射二极管D1的阳极，电位器W1的动触点通过电阻R4接光敏三极管的集电极，通过调整W1可调整红外线发射二极管的发光强度；同样调整W1可使光敏三极管工作在线性区，从而使该传感器有较高灵敏度和较好的线性特性。
Claims (9)
1、车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，包括：外壳(11)、
发射管(D1)：提供光源；
光学准直透镜(4)：接收发射管(D1)发出的光线，使光线全部聚焦形成平行光线照射到光学反射三棱镜(1)；
光学反射三棱镜(1)：放置在待测铅酸蓄电池电解液中，接收光学准直透镜(4)发出的光并将光2次反射出去；
聚焦透镜(5)：接收光学反射三棱镜(1)反射的光并进行聚焦，照射到接收管(Q1)；
接收管(Q1)：接收聚焦透镜(5)发出的光线，将光信号转换为电信号，并输入到第一放大电路(3)；
驱动电路(2)：连接到发射管(D1)和接收管(Q1)，为发射管、接收管提供驱动电压；
第一放大电路(3)：第一放大电路(3)的输入端连接接收管，将接收管发出的电信号放大成标准模拟信号输入到A/D转换接口电路(7)的一个模拟量输入端口(IN1)脚；
A/D转换接口电路(7)；将标准模拟信号转换成数字信号输入到单片机电路(8)，同时接收单片机电路(8)输出的指令信号；
单片机电路(8)：接收A/D转换接口电路(7)输出的数字信号，对数据进行处理与运算，使处理后的数据与蓄电池容量相对应，同时对A/D转换接口电路(7)输出指令信号；
其特征在于：所述系统还包括热敏电阻Rt、第二放大电路(6)、显示驱动电路(9)、显示电路(10)；
所述热敏电阻Rt放置在蓄电池电解液中，所述第二放大电路(6)的输入端与热敏电阻Rt相连，输出端与A/D转换接口电路(7)的另一个模拟量输入端口(IN0)脚相连，将电信号放大成标准模拟信号输入到A/D转换接口电路(7)的一个模拟量输入端口(IN0)脚；
所述A/D转换接口电路(7)的数字量输出端口(D0至D7)分别与单片机电路(8)的输入口(P0.0至P0.7)相连，将第一放大电路(3)和第二放大电路(6)输出的标准模拟信号转换为数字信号，输入到单片机电路(8)；同时所述A/D转换接口电路(7)的地址选通输入端(A、B、C)分别与单片机电路(8)的输入输出口(P2.2、P2.1、P2.0)相连，A/D转换接口电路(7)的启动控制输入端口(START)和地址锁存控制信号端口(ALE)同时与单片机电路(8)的一个输入输出口(P2.3)相连，A/D转换接口电路(7)的转换结束信号脉冲输出端口(EOC)与单片机电路(8)的输入输出口(P3.2)相连，A/D转换接口电路(7)的时钟端口(CLOCK)与单片机电路(8)的地址锁存信号输出端口(ALE)相连；
所述显示驱动电路(9)的输入端分别与单片机电路(8)的输入输出口(P3.4至P3.7)相连，显示驱动电路(9)的输出端与显示电路(10)的控制端相连，锁存单片机电路的输出口(P3.4至P3.7)的控制信号，提供4位位选；
所述显示电路(10)的数据输入端与单片机电路的数据输出端口(P1.0至P1.7)相连，接收单片机电路(8)输出的段码数据并将该数据用LED显示。
2、根据权利要求1所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，其特征在于：所述显示驱动电路(9)包括4个三极管(T1至T4)和电阻R11、R12、R13、R14，所述三极管(T1至T4)的发射极分别接电源，所述三极管(T1至T4)基极分别与电阻R11、R12、R13、R14的一端相连，所述三极管(T1至T4)的集电极接显示电路，所述电阻R11、R12、R13、R14的另一端分别与单片机电路的输入输出口(P3.4至P3.7)相连。
3、根据权利要求2所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，其特征在于：所述显示电路(10)包括4位LED数码管和限流电阻R15至R22，所述数码管的阳极分别与显示驱动电路(9)的三极管(T1至T4)的集电极相连，所述数码管的阴极分别与限流电阻R15至R22的一端相连，限流电阻R15至R22的另一端分别与单片机电路的输出端口(P1.0至P1.7)连接。
4、根据权利要求3所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，其特征在于：所述单片机电路(8)由单片机、一个振荡电路和一个复位电路组成，振荡电路由晶体Y1与电容C1和C2构成并联式谐振电路，连接在单片机的时钟控制端(X1、X2)脚之间；复位电路由电容C3、电阻R23串联组成，电容C3和电阻R23的连接接点连接在单片机的复位控制端(RESET)，电容C3的一端接电源，电阻R23的一端接地。
5、根据权利要求I或2或3或4所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，其特征在于：光学反射三棱镜(1)、发射管(D1)、光学准直透镜(4)、接收管(Q1)、聚焦透镜(5)放入耐腐蚀的外壳(11)内并密封。
6、根据权利要求5所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，其特征在于：光学反射三棱镜(1)是等腰三角形的光学反射三棱镜，同时在光学反射三棱镜的反射界面处镀一层膜。
7、根据权利要求6所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，其特征在于：所述A/D转换接口电路(7)是逐次逼进式A/D转换器，包括一个ADC0809芯片。
8、根据权利要求7所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，其特征在于：所述发射管(D1)是红外线发射二极管，所述红外线发射二极管的阳极接驱动电路，红外线发射二极管的阴极接地，所述接收管(Q1)是光敏三极管，所述光敏三极管的集电极接驱动电路(2)，光敏三极管的发射极接第一放大电路(3)。
9、根据权利要求8所述的车用铅酸蓄电池容量在线检测系统，其特征在于：所述驱动电路(2)由电阻R3、R4、电位器W1组成，电阻R3与电位器W1串联，电位器W1的一端接电源，电位器W1的另一端接电阻R3，电阻R3的另一端接红外线发射二极管(D1)的阳极，电位器W1的动触点接电阻R4，电阻R4的另一端接光敏三极管的集电极。
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