CN112578288A - 一种电池充放电记录器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电池充放电记录器系统，系统包括硬件模块和软件模块，其中硬件模块包括电流转换电压模块、运算放大模块、单片机A/D采样模块、显示模块；软件模块包括中断模块、EEPROM模块、A/D采样模块、显示模块。本发明的系统可以准确直观的得到电池电量，为电池技术的深入研究提供良好的平台，避免电池的板极提前老化，延长电池的使用寿命，能有效解决柴油发电机组中电池的过放电、过充电和长期欠充满问题。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，特别涉及一种电池充放电记录器系统。
背景技术
随着时代的发展以及科技的进步，现代电子技术也获得了迅速的发展，电子器件急剧增加，其适应的范围也逐渐广泛，在社会的各个领域都随处可见，产品日益更新，有力推动了社会信息化的提高。与此同时它影响我们生活的每一处细节，小到MP3、时钟，再到平板、手机、笔记本，大到汽车、航天、医疗设备等。但有一点不容忽视，电池是许多电子器件主要供电来源。虽然在享受着电子产品给我们带来便捷的同时，随之而来也经常会因为它们而带来的烦恼，例如电池没电了、电量使用情况、电池续航时间不确定等一系列问题，因此电池作为电子产品不可缺少的一部分，被广泛的应用和重视，测量电池电量逐渐成为人们研究的一个热点。随着我们工作和生活节奏的加快，我们需要随时掌握周围的电子设备所使用的状况，而衡量这个标准就是电池电量，精确掌握电池电量的使用情况便可以确定电子设备现有的状态以及其还能正常工作的时间，但是由于电子产品的状态不同，功能不同，电池工作的时间自然也就不同，简单的说剩余电量的百分之三十或是百分之七十并不能很好的解释清楚电池电量使用情况。在对电池容量进行测量时，需要对电池的充电容量进行记录，通常记录充电电压和充电电流，在对应时间内电流和电压的乘积得出充入或放出电量的多少，对电池的测量需要多次，很多柴油发电机组都是作为备用电源使用，电池的过放电、过充电和长期欠充满都会造成电池的板极提前老化，缩短电池的使用寿命，因此电池充放电记录器非常有必要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种电池充放电记录系统，对充电电流和放电电流进行测量，对电池电压进行采样，通过计算得到充入电量或输出电量，对测量的数据进行显示实时电压，充电电流，放电电流，充入总电量，放电电量，能有效解决柴油发电机组中电池的过放电、过充电和长期欠充满问题。
本发明采用的技术方案是：一种电池充放电记录器系统，系统包括硬件模块和软件模块，其中硬件模块包括电流转换电压模块、运算放大模块、单片机A/D采样模块、显示模块；软件模块包括中断模块、EEPROM模块、A/D采样模块、显示模块；
单片机A/D采样模块：采用的是将自带A/D功能的单片机作为系统主要的控制器件，利用单片机的A/D功能对电池充放电的电压进行采样；
电流转换电压模块：将电池输出的电流通过电流传感器转化成相对应电压，将所述单片机无法直接对电池充放电的电流进行采样转化为相对应电压进行采样；
运算放大模块：由于所述电流转换电压模块输出的电压过小，采样误差大，通过运算放大模块将电压放大，再经过减法器减去一定的电压值，最终通过单片机的A/D功能间接的对电池输出的电流进行采样；
显示模块：最终的数据结果通过显示模块显示出来；
中断模块：通过程序设计进行定时采样；
EEPROM模块：通过程序设计将当前总电量存入存储器中，需要在掉电情况下对充电记录进行保存；
A/D采样模块：通过程序设计对电压和电流进行采样；
显示模块：通过程序设计显示本次设计所需的数据。
进一步优化，单片机的A/D转换时间为65～260us，其内部的EEPROM模块具有掉电保护功能，当突然断电，通过EEPROM模块将数据保存，再次打开电源，从EEPROM模块中读取数据，数据不会丢失，在掉电情况下对电池充电记录进行保存。
进一步优化，硬件模块还包括稳压模块，稳压模块用于调节所需要的电压在电路中使用，使输出电压具有稳定性，具体为通过调节滑动变阻器的阻值进而调节所需的电压。
进一步优化，本系统进行周期性的数据采集计算，按照一定的采样周期发送采样命令，通过串口接收采样得到的数据，计算得到充电量、放电量。
进一步优化，本系统采用放电实验法，放电实验法是电池对负载电阻进行连续的放电，在这一过程中，先设置采样时间，对电池的电压和电流进行采样，通过将电流和电压相乘，再乘相应的采样时间，并对每次采样得到的电量进行叠加，就可以得到放电电量。
本发明的有益效果是：
1、可以准确直观的得到电池电量，为电池技术的深入研究提供良好的平台；
2、避免电池的板极提前老化，延长电池的使用寿命；
3、能有效解决柴油发电机组中电池的过放电、过充电和长期欠充满问题。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2为本发明的电流传感器的原理图；
图3为本发明的电路图；
图4为本发明的程序流程图；
图5为本发明的中断流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行相关描述，附图中给出了本发明的实施例，但本发明可以以不同的形式来实现，并不限于本文所述的实施例，实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1所示为本发明系统原理框图，电池充放电记录器系统包括：硬件模块和软件模块，其中硬件模块包括电流转换电压模块、运算放大模块、单片机A/D采样模块、稳压模块和显示模块；软件模块包括中断模块、EEPROM模块、A/D采样模块、显示模块。
电流转换电压模块：本系统需要对电池充放电的电压和电流进行采样，然而单片机的A/D功能无法直接对电池输出的电流进行采样,所以就需要电流传感器将电流转换成电压，充电电流的采样和放电电流的采样都是检测电池的电流，但是由于充电电流和放电电流的方向是相反的，电流传感器上标有方向，当电流通过导线正向穿过电流传感器时代表电池正在充电，当电流反向穿过电流传感器代表电池在放电，由于电流传感器输出的电压都为正值，因此也可以合并。
运算放大模块：电流传感器输出电压比较小，直接输出给单片机中的A/D是难以进行采样的，且产生的误差会很大，所以为了减小这种误差需要将电压进行放大处理，本系统的放大电路是由一个运算放大器和三个电阻组成，设计的电路是存在电压串联负反馈的，所以理想状态下可以认为输入电阻是无穷大，输出电阻为零。此放大电路是同相比例运算电路，假设电流传感器输出的电流为Uo1，其连在运放同相输入端，放大器的输出电压为Uo2。当没有电流流过，电流传感器输出的电压经过放大后,必须经过减法器，本次系统的减法器是由一个运算放大器和4个电阻共同构成的。放大器输出电压连在减法器的输入，即减法器的同相输入端为Uo2，已知反向输入端输入电压能够将电路等效为两个分路电路，分别是同相输入端等效电路和反向输入端等效电路，设同相输入端等效电路的输出电压为Uo3，反相输入端等效电路的输出电压为Uo4，减法器输出电压为Uo，Uo＝Uo3+Uo4，在同相输入端等效电路上，利用虚断I+＝I-＝0，虚短Up+＝Un-，所以流过R6的电流和流过R7的电流是相等的，得到式子(Uo2－Un-)/R6＝Un-/R7，即Un-＝Uo2×R6/(R6+R7)，流过R4的电流和流过R5的电流是相等的，得到式子(Un-－0)/R4＝(Uo3－Un-)/R5，即输出电压Uo3＝(1+R5/R4)×Un-＝(1+R5/R4)×Uo2×R7/(R6+R7)。将输出电压连在单片机的端口PA0。
A/D采样模块：A/D就是一个10位的逐次逼近型，其转换的时间为65～260us，但是精度比较低，因为是本身具有的误差，所以在硬件上是没有办法消除的，在软件程序上，可以通过进行多次采样取平均值的方法来提高精度。
稳压模块：稳压电路的功能是调节所需要的电压在电路中使用，这样会使输出电压的具有稳定性，通过调节滑动变阻器的阻值进而可以调节所需的电压，电路中需要供电电压，这样就需要将电源输出电压转化成系统中使用的元器件的供电电压。
显示模块：最终的数据结果将通过液晶显示屏显示出来。
软件模块：在硬件电路设计完成后，可以将软件模块设计分为四个部分，分别是中断模块、EEPROM模块、A/D采样模块、显示模块，EEPROM模块程序设计主要作用是将当前总电量存入存储器中，需要在掉电情况下对充电记录进行保存，中断模块的程序设计主要功能是定时采样，A/D采样模块程序设计主要是进行对电压和电流的采样，显示模块程序设计主要功能是显示本次设计所需的数据。
图2为本发明的电流传感器原理图，采用的电流传感器是磁平衡式闭环电流传感器，它的工作原理是通过磁场平衡，检测被测电流，进而产生电压。磁平衡式闭环电流传感器是由原边电流、线圈、霍尔元件、运算放大器等构成。将有被测电流的导线穿过线圈时，这时会产生磁场，线圈中的霍尔元件接收到被磁环聚集在一起的磁场，使霍尔元件输出一个电压信号，这一电压信号通过放大器放大，信号输出作用在驱动功率管上并且使其导通，这样就产生了一个电流，这个电流会流过线圈，这样就又产生一个磁场，此时这个磁场与被测电流产生的磁场方向是不同，这样就会使磁场逐渐减小，从而霍尔元件上输出的电压就会逐渐减小，当两磁场相同时，所产生的电流也不会发生变化，霍尔元件起到指示零磁通的作用，当输入电流变化时，之前的磁场平衡会消失，霍尔元件就会重新输出电压信号，经过功率放大器会输出一个新电流，新产生的电流通过线圈产生磁场，重复上述步骤，直到磁场重新达到平衡。次级的补偿电流的安匝数在任意时刻都和被测电流的安匝数是相同的，次级的补偿电流的安匝数乘以补偿电流等于被测电流的安匝数乘以被测电流，已知次级的补偿电流的安匝数、补偿电流、被测电流的安匝数就可以求出被测电流了。被测电流通过内部的接地的电阻，即将电阻的另一端设为输出，这样电流传感器就将输入的电流转换成了电压。
图3为本发明的电路图，本次采用的是将自带A/D功能的单片机作为了系统主要的控制器件，利用单片机的A/D功能对电池充放电的电压和电流进行采样，单片机的A/D功能可以直接对电池充放电的电压进行采样，但是其无法直接对电池充放电的电流进行采样，所以需要将电池输出的电流通过电流传感器转化成相对应电压，但是由于输出的电压过小，采样误差大，所以需要通过运算放大器将电压放大，在经过减法器减去一定的电压值，最终通过单片机的A/D功能间接的对电池输出的电流进行采样，最终的数据结果通过显示屏显示出来。
图4为本发明的程序流程图，软件模块主要分为四个部分，分别是中断模块、EEPROM模块、A/D采样模块、显示模块。
图5为本发明的中断流程图，中断模块的程序设计主要功能是定时采样，先需要将中断初始化，设置定时采样的时间，单片机内部是1MHZ的晶振，采样时间是1/2s，即定时时间也就是1/2s，根据公式：计数器的初值＝65536-(晶振频率/分频)×定时时间，程序中对控制寄存器设置了256分频处理，所以根据公式可以得出计数器的初值是F85E，所以每个1/2s进行采样一次。
Claims (5)
1.一种电池充放电记录器系统，其特征在于：系统包括硬件模块和软件模块，其中硬件模块包括电流转换电压模块、运算放大模块、单片机A/D采样模块、显示模块；软件模块包括中断模块、EEPROM模块、A/D采样模块、显示模块；
单片机A/D采样模块：采用的是将自带A/D功能的单片机作为系统主要的控制器件，利用单片机的A/D功能对电池充放电的电压进行采样；
电流转换电压模块：将电池输出的电流通过电流传感器转化成相对应电压，将所述单片机无法直接对电池充放电的电流进行采样转化为相对应电压进行采样；
运算放大模块：由于所述电流转换电压模块输出的电压过小，采样误差大，通过运算放大模块将电压放大，再经过减法器减去一定的电压值，最终通过单片机的A/D功能间接的对电池输出的电流进行采样；
显示模块：最终的数据结果通过显示模块显示出来；
中断模块：通过程序设计进行定时采样；
EEPROM模块：通过程序设计将当前总电量存入存储器中，需要在掉电情况下对充电记录进行保存；
A/D采样模块：通过程序设计对电压和电流进行采样；
显示模块：通过程序设计显示本次设计所需的数据。
2.根据权利要求1所述一种电池充放电记录器系统，其特征在于：所述单片机的A/D转换时间为65～260us，其内部的EEPROM模块具有掉电保护功能，当突然断电，通过EEPROM模块将数据保存，再次打开电源，从EEPROM模块中读取数据，数据不会丢失，在掉电情况下对电池充电记录进行保存。
3.根据权利要求1所述一种电池充放电记录器系统，其特征在于：所述硬件模块还包括稳压模块，稳压模块用于调节所需要的电压在电路中使用，使输出电压具有稳定性，具体为通过调节滑动变阻器的阻值进而调节所需的电压。
4.根据权利要求1所述一种电池充放电记录器系统，其特征在于：本系统进行周期性的数据采集计算，按照一定的采样周期发送采样命令，通过串口接收采样得到的数据，计算得到充电量、放电量。
5.根据权利要求1所述一种电池充放电记录器系统，其特征在于：本系统采用放电实验法，放电实验法是电池对负载电阻进行连续的放电，在这一过程中，先设置采样时间，对电池的电压和电流进行采样，通过将电流和电压相乘，再乘相应的采样时间，并对每次采样得到的电量进行叠加，就可以得到放电电量。
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