充電電池容量自動測試儀設(shè)計與實現(xiàn)

　　隨著電子產(chǎn)品小型便攜化發(fā)展趨勢，充電電池應(yīng)用越來越廣泛了。市面上電池種類繁多，良莠不齊?，F(xiàn)在的電池容量虛標(biāo)是非常普遍的事情，只有很少一部分正規(guī)廠家的產(chǎn)品采用了實事求是的態(tài)度。曾經(jīng)見過一種標(biāo)注容量8000mAH的手機(jī)電池，實際容量僅能達(dá)到標(biāo)注容量的一兩成而已，以目前的技術(shù)，以手機(jī)電池的體積要達(dá)到如此容量尚無可能，只怕將來也未必能夠?qū)崿F(xiàn)。隨著小電子產(chǎn)品越來越多，每個人對于電池的需求將越來越多，手邊也會積累大量的充電電池。一塊高質(zhì)量的電池使用時效可以達(dá)到4、5年以上，劣質(zhì)電池就很差了，而且容易損壞。鑒于這個現(xiàn)狀，個人使用也有必要建立一個完整的評估體系，作為長期選購、使用的指導(dǎo)參考。

　　電池容量是衡量電池質(zhì)量的重要指標(biāo)。充電電池的容量測試有很多的方法?？梢砸罁?jù)電池的放電曲線，進(jìn)行短時間放電，從而粗略得出電池容量。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是快速，但是充電電池的放電曲線并不具有普遍性，很多劣質(zhì)電池放電初期電壓也很平穩(wěn)，一旦進(jìn)入中后期，電壓下降非常迅速，所以采用這種方法得出的結(jié)論將非常不準(zhǔn)確的。最可靠最準(zhǔn)確無誤的還是以標(biāo)準(zhǔn)電流放電，全程測量實際放電時間的方式。不同的放電電流，充電電池最終能夠釋放出的電量是不同的，有一定的差距。蓄電池的容量標(biāo)注都是有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的。目前使用最多的是10小時率放電容量與20小時率放電容量兩種。10小時率放電容量就是電池以恒定電流放電，至電量耗盡放電時間能夠維持10個小時左右，這個電流就被稱作10小時率電流（衡量電量用盡的標(biāo)準(zhǔn)，不能以電池放電端電壓降低到零為準(zhǔn)。電池過度放電，會導(dǎo)致電池容量減少，無法恢復(fù)，乃至提早損壞、完全失效。所以每種電池放電終止電壓都有嚴(yán)格的規(guī)定，這個可以查閱相關(guān)資料。過度放電與過度充電是造成充電電池不能達(dá)到使用年限、提前報廢的主要原因）。實時放電的測量方法最大的缺點(diǎn)就是費(fèi)時費(fèi)力，因為耗時久這樣測量精度也很容易受到各種外部因素的影響。測量過程中如果用10小時率電流持續(xù)放電時間至少都要在5個小時以上，作這樣長時間的測試更需要足夠的耐心與精力以及充裕的時間?？萍嫉陌l(fā)展是非常迅速，今天單片機(jī)已經(jīng)非常普及了。通過單片機(jī)程序控制對放電時間，深度進(jìn)行自動化控制，就很容易精準(zhǔn)測出電池的實際容量，實現(xiàn)整個過程的自動控制。模擬實際放電測量容量的方法雖然對能源有一點(diǎn)浪費(fèi)，但是對于1A、2A以下的小容量充電電池還是完全可行的，對大容量電池進(jìn)行抽樣檢查也是很有必要。

　　下面介紹的電池容量測試儀采用89S51作為控制芯片，圖1就是硬件的電路原理圖。

　　圖1 硬件的電路原理圖

　　這個電池容量測試儀由放電電路、單片機(jī)控制計時兩個完全獨(dú)立部分組合而成。單片機(jī)部分制作費(fèi)時費(fèi)力，而且市面上單片機(jī)已很普及，沒必要親手制作，隨便找一片51單片機(jī)實驗板就可以了。放電電路則是比較簡單的，僅由四五只元件構(gòu)成。單片機(jī)部分主要負(fù)責(zé)對放電時間計時，最終得到一組可靠的數(shù)據(jù)，用于電池性能的考量。

　　這種放電電路的實質(zhì)就是一模擬可控硅。當(dāng)我們將待測電池接入電路相應(yīng)位置時，點(diǎn)按啟動鍵，如果電池尚有余量，則電池兩端放電電壓將維持在設(shè)定值以上，三極管VT1就會瞬間飽和，電池通過電阻R2進(jìn)行放電。這種電路有可靠精確陡峭的開關(guān)特性，VT1絕對工作于飽和截止兩種狀態(tài)之下。通過可調(diào)電阻對開關(guān)電路臨界值（即充電電池放電終止電壓）進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定，便可適應(yīng)于各種不同類型充電電池的全程保護(hù)放電。由于個人的應(yīng)用不需要非常精準(zhǔn)的測試結(jié)果，所以實際測試中電池模擬放電原則上還是以快些為好，只需要得到一個大致的電池容量。為了較快完成電池測試過程，這里的電路設(shè)計采用兩小時率電流進(jìn)行放電。通過對各種電池測量結(jié)果的橫向比較，容量的差異還是顯而易見的，以此作為衡量電池優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，就已經(jīng)足夠了。這里以1000mAH、1.2V規(guī)格鎳氫電池測試為例，放電電流500mA就需要采用2Ω的放電電阻，電池終止放電電壓應(yīng)控制在1V以上。放電終止電壓通過可調(diào)電阻R1來調(diào)節(jié)設(shè)定。普通可調(diào)電阻精度較差，且容易產(chǎn)生漂移，會導(dǎo)致設(shè)定好的終止電壓隨時間推移以及使用環(huán)境變化產(chǎn)生較大的波動。為了保證放電終止電壓的精準(zhǔn)且易于設(shè)定，R1可以使用3296系列精密可調(diào)電位器。3296多圈可調(diào)精密電位器的可調(diào)范圍一般在50T，所以每圈的調(diào)節(jié)范圍為2%，每轉(zhuǎn)動一度，阻值變化大約0.005%，所以很容易調(diào)節(jié)獲得一個精確、穩(wěn)定的阻值。

　　終止電壓的設(shè)定必須在實際放電過程中進(jìn)行，負(fù)載電阻R2阻值變動，已經(jīng)設(shè)定的終止電壓也會隨之改變，需要重新設(shè)置。具體的調(diào)試方法就不再詳述了，參考一下相關(guān)資料。

　　這個放電電路不需要單獨(dú)的工作電源，而且與電池種類沒有相關(guān)性，完全可以適應(yīng)鎘鎳、鎳氫、鋰電池、鉛酸電池各種類型蓄電池的保護(hù)性放電，只是需要根據(jù)電池類型以及容量大小重新設(shè)置電路的終止電壓及放電電流。如果電池容量相對較高，那么三極管VT1、VT2的耗散功率也要相應(yīng)加大一些，同時不要忘了加大負(fù)載電阻R2的功率。

　　圖2是放電電路的印刷電路圖，元件數(shù)量少，很容易制作。

　　圖2 印刷電路圖

　　各種電池兩小時率電流放電能夠維持的放電時間一般都是在1.5小時以下的。這里單片機(jī)計時系統(tǒng)使用秒計時，4位LED數(shù)碼管顯示。最大計時時間9999秒，大約2.7小時。

　　圖1單只LED數(shù)碼管內(nèi)部都是由8只發(fā)光管組合而成，分別作為8的7段字型部分，以及一位小數(shù)點(diǎn)。這里使用的是共陽極數(shù)碼管，內(nèi)部8只發(fā)光管的陽極是并連共同引出的，作為使能控制。

　　在實際電路中，L1就是第一只數(shù)碼管的共陽極端。單片機(jī)的輸出、輸入接口數(shù)量都很有限，所以4位LED數(shù)碼管驅(qū)動都是使用動態(tài)顯示的方式。4只獨(dú)立數(shù)碼管LED的內(nèi)部a、b、c、d、e、f、g、dp這8段發(fā)光管相對應(yīng)的陰極都是并連的。統(tǒng)一由單片機(jī)P0口8位輸出進(jìn)行驅(qū)動。數(shù)碼管要顯示出數(shù)碼還必須在共陽極端同時施加正電壓才行。所以要讓4位中某一數(shù)碼管進(jìn)行顯示，只要在P0口輸出字型碼的同時，給這位數(shù)碼管共陽極端加上正電壓就行了，當(dāng)然與此同時其他三位數(shù)碼管的共陽極端要保持低電壓，才不致顯示出現(xiàn)混亂。數(shù)碼管共陽極端驅(qū)動電流較大，所以采用了三極管進(jìn)行控制。以第一只數(shù)碼管為例，在P0端口輸出字型碼的同時，P37輸出低電平，三極管T4導(dǎo)通，則共陽極端L1就得到高電平了，數(shù)字就會顯示在第一只數(shù)碼管上了。

　　程序設(shè)計是以單片機(jī)P37口作為計時控制端子，P37口輸入低電平，計時程序啟動，4只數(shù)碼管顯示時間。放電電路中按下啟動按鍵，放電過程觸發(fā)，VT1導(dǎo)通，電池端電壓降落到放電電阻R2兩端，A端對地為高電平，通過電阻R4迫使三極管VT3導(dǎo)通，P37口電平就被拉低了，單片機(jī)計時程序啟動。電池電壓降到終止電壓以后，放電電路自動關(guān)閉，A端電壓消失，VT3恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)，計時程序停止，數(shù)碼管維持顯示當(dāng)前持續(xù)時間。

　　如要進(jìn)入下次測試，首先按動單片機(jī)復(fù)位鍵，當(dāng)前計時清零，等待下一次測試開始。

　　程序設(shè)計比較簡單。它的大致流程如下：初始化，P3端口置位，設(shè)立常量a為時間計數(shù)器，依次對a的十進(jìn)制數(shù)值各位進(jìn)行提取，順序輸送到P0端口，P2端口中的P24、P25、P26、P27各位是依次作為四位數(shù)碼管的使能控制端，通過P2端口的配合，就可以完成對各位數(shù)碼管的驅(qū)動，時間的動態(tài)顯示。程序進(jìn)行中要不斷地檢測P3端口數(shù)值以決定計時狀態(tài)：如果電池處于放電過程之中，三極管VT3導(dǎo)通，將迫使P37端口電壓降到零，P3端口值就是127，單片機(jī)程序檢測到這一結(jié)果，時間常量a將自動加1，指示期間放電時間已經(jīng)延續(xù)1秒種了。這1秒鐘的時間精確計算是比較麻煩的。計時程序是一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，每一周期耗用時間都是一致的。所以在使用kei