论文部分内容阅读
摘要：为了满足潜艇上蓄电池组电导测试操作简单、快捷的需求，设计了一种基于MSP430单片机的蓄电池电导测试仪。该测试仪采用交流注入法进行测量，即对待测蓄电池和参考电阻注入交流信号，通过比较两者的交流电压降来确定待测蓄电池的等效内阻最后换算出电导。在硬件设计上采用了内置A/D、D/A转换器的MSP430F169单片机和具有幅相检测功能的AD8302芯片使得硬件电路设计大大简化。通过比对测试表明该测试仪测量结果准确，稳定性好。
关键词：铅酸蓄电池；电导测试仪；交流注入法；幅相检测；MSP430；AD8302；
中图分类号：TM912 文献标識码：A
铅酸蓄电池广泛应用于潜艇动力系统，蓄电池的正常与否直接影响到潜艇的安全航行及隐身性能。现在很多常规潜艇依然是工作人员通过滑车在蓄电池舱内用密度计测量电解液的比重借以判断蓄电池的剩余容量。这种测量方式读取速度慢、测量精度不高、而且蓄电池溶液腐蚀性较强，近距离测试影响人身健康。虽然蓄电池的电导测量不能判断蓄电池的剩余容量，但却可以快速有效地发现失效电池，对于战场抢修意义重大。本文采用MSP430单片机为主控单元，设计了一种蓄电池电导测试仪，该测试仪操作简单，测量速度快，数据自动保存，具有一定应用价值。
1 测量原理
交流注入法是目前公认的测量电池电导的有效方法，其基本原理如图1所示。取样电阻 和待测蓄电池（阻抗为Z）串联，注入交流电流 ，则取样电阻两端的电压 为：
蓄电池两端的电压 为：
所以只要测量 和 两者之间的幅度比g和相位差 即可求得蓄电池的电导G为：
蓄电池的内阻非常小，为毫欧级，测量导线的阻抗变的不可忽略，为此普遍采用四线交流法进行测量，即将信号注入回路和信号测量回路分开，以减小测量误差。
2 硬件设计
2.1 硬件系统整体结构设计
电导测试仪的组成框图如图2所示。控制单元为MSP430F169单片机，它控制测试信号产生电路产生正弦波注入取样电阻和蓄电池，然后利用差动放大器将取样电阻和蓄电池上的交流电压取出送幅相检测系统检测二者的幅度比和相位差，最后结合取样电阻的阻值计算蓄电池的电导。
2.2 控制单元
控制单元包括MSP430F169单片机及其外围电路，包括矩阵键盘、LCD液晶显示屏和电源等。MSP430系列单片机是具有16位总线的带FLASH的单片机，外设和内存统一编址，具有统一的中断管理，接口丰富，可以在线对其进行调试和下载，特别适合在便携式仪器仪表领域应用。
2.3 测试信号产生电路
测试信号产生电路需要产生0.5Hz-10kHz频率可调的正弦波，并且因为蓄电池的内阻在毫欧数量级，激励蓄电池的电流不能太小，否则蓄电池两端的激励电压会完全淹没在噪声中，因此，需要还要对信号源输出的信号进行功率放大。
设计的测试信号产生电路如图3所示。采用MAX038产生频率可调的正弦波，采用MSP430F169单片机片内的D/A转换器输出直流电压控制MAX038输出信号的频率，采用MAX9711对MAX038输出的信号进行功率放大。
2.4 差动放大和幅相检测电路
根据取样电阻 和蓄电池上的电压 和 求得两者的幅度比和相位差即可求得蓄电池的等效内阻和等效电容。因为蓄电池的内阻一般在 量级， 的幅度一般较小，所以在幅相检测之前需要对 和 进行放大。本文采用仪用放大器AD8235对 和 进行放大，然后利用幅相检测芯片AD8302检测两者的幅度比和相位差，具体电路如图4所示。。
3 软件设计
软件主要是用来产生测试输入信号、数据采集和处理以及存储和显示测试结果。其程序流程图如图5所示，单片机完成系统初始化后即进入等待中断的状态。一旦测试人员输入测量参数并按下测试启动按键即进入中断处理程序，控制MAX038输出测试信号，等待信号稳定后进行数据采集并计算测量结果，最后进行数据存储和显示。一次测试完成后等待下一个测试启动中断。
4 实验结果与分析
根据图2所设计的蓄电池电导测试仪要求测量误差在1%以内，为了检验测试仪的测量结果，采用了武汉恒新国仪公司的GY3131型蓄电池电导测试仪的测量结果作为参考。在 环境下，对风航6-QA-80型铅酸蓄电池进行放电比对测试，测量结果如表1所示。从测量结果上可以看出测量误差不超过1%，满足设计要求。
5 结论
本文详细介绍了基于MSP430F169的蓄电池电导测试仪的硬件及软件设计。该系统采用了内置A/D、D/A转换器的MSP430F169单片机和具有幅相检测功能的AD8302芯片使得硬件电路设计大大简化。实验结果表明该测试仪测量结果准确，稳定性好。对于潜艇上大量的蓄电池组测量还可以增加通道切换电路构成蓄电池组自动测试仪。
参考文献：
[1] 黄炳诚. 电导测试在蓄电池测试中的应用[J]. 动力与电气工程， 2012， （3）： 123.
[2] 高鹏字， 李波， 黄炳诚. 基于电导的蓄电池在线监测系统在变电站中的应用[J]. 科技创新导报， 2012， 25： 46-48.
[3] 李森， 陈奎. 电力蓄电池内阻监测探讨[J]. 煤炭科技， 2013， （2）： 32-33.
[4] 侯建华. 阀控密封铅酸蓄电池内阻构成与测试方法比对[J]. 通信电源技术， 2013， 30（4）： 69-71.
[5] 刘险峰， 倪洪权， 杨海峰， 等. 基于直接采样相移法的蓄电池内阻测量[J]. 电池工业， 2012， 17（2）： 67-69.
[6] 江国栋， 邓荣. 便携式蓄电池内阻测试仪的噪声抑制[J]. 电源技术， 2013， 37（1）： 97-99.
[7] 张利国， 窦满峰， 高静. 基于AVR单片机蓄电池内阻检测仪的改进与设计[J]. 电源技术， 2013， 37（5）： 804-805.
[8] 胡为民， 张河宜， 高安亮. 铅酸蓄电池内阻在线监测系统设计[J]. 电源技术应用， 2013， （10）： 111-112.
[9] 李运涛， 曹建刚， 董志强. 蓄电池内阻检测方法研究与实现[J]. 火炮发射与控制学报， 2012， （12）： 59-62.
[10] 乔登耀， 林晓焕. 蓄电池内阻检测系统设计[J]. 计算机与数字工程， 2013， 41（2）： 310-311.
文章创新点：系统采用了内置A/D、D/A转换器的MSP430F169单片机和具有幅相检测功能的AD8302芯片使得电导测试仪的硬件电路设计大大简化。
作者简介：朱善林（1981—），男，湖北丹江口市人，汉族，讲师，硕士，主要从事电子测量技术教学与研究。E-mail：[email protected]
关键词：铅酸蓄电池；电导测试仪；交流注入法；幅相检测；MSP430；AD8302；
中图分类号：TM912 文献标識码：A
铅酸蓄电池广泛应用于潜艇动力系统，蓄电池的正常与否直接影响到潜艇的安全航行及隐身性能。现在很多常规潜艇依然是工作人员通过滑车在蓄电池舱内用密度计测量电解液的比重借以判断蓄电池的剩余容量。这种测量方式读取速度慢、测量精度不高、而且蓄电池溶液腐蚀性较强，近距离测试影响人身健康。虽然蓄电池的电导测量不能判断蓄电池的剩余容量，但却可以快速有效地发现失效电池，对于战场抢修意义重大。本文采用MSP430单片机为主控单元，设计了一种蓄电池电导测试仪，该测试仪操作简单，测量速度快，数据自动保存，具有一定应用价值。
1 测量原理
交流注入法是目前公认的测量电池电导的有效方法，其基本原理如图1所示。取样电阻 和待测蓄电池（阻抗为Z）串联，注入交流电流 ，则取样电阻两端的电压 为：
蓄电池两端的电压 为：
所以只要测量 和 两者之间的幅度比g和相位差 即可求得蓄电池的电导G为：
蓄电池的内阻非常小，为毫欧级，测量导线的阻抗变的不可忽略，为此普遍采用四线交流法进行测量，即将信号注入回路和信号测量回路分开，以减小测量误差。
2 硬件设计
2.1 硬件系统整体结构设计
电导测试仪的组成框图如图2所示。控制单元为MSP430F169单片机，它控制测试信号产生电路产生正弦波注入取样电阻和蓄电池，然后利用差动放大器将取样电阻和蓄电池上的交流电压取出送幅相检测系统检测二者的幅度比和相位差，最后结合取样电阻的阻值计算蓄电池的电导。
2.2 控制单元
控制单元包括MSP430F169单片机及其外围电路，包括矩阵键盘、LCD液晶显示屏和电源等。MSP430系列单片机是具有16位总线的带FLASH的单片机，外设和内存统一编址，具有统一的中断管理，接口丰富，可以在线对其进行调试和下载，特别适合在便携式仪器仪表领域应用。
2.3 测试信号产生电路
测试信号产生电路需要产生0.5Hz-10kHz频率可调的正弦波，并且因为蓄电池的内阻在毫欧数量级，激励蓄电池的电流不能太小，否则蓄电池两端的激励电压会完全淹没在噪声中，因此，需要还要对信号源输出的信号进行功率放大。
设计的测试信号产生电路如图3所示。采用MAX038产生频率可调的正弦波，采用MSP430F169单片机片内的D/A转换器输出直流电压控制MAX038输出信号的频率，采用MAX9711对MAX038输出的信号进行功率放大。
2.4 差动放大和幅相检测电路
根据取样电阻 和蓄电池上的电压 和 求得两者的幅度比和相位差即可求得蓄电池的等效内阻和等效电容。因为蓄电池的内阻一般在 量级， 的幅度一般较小，所以在幅相检测之前需要对 和 进行放大。本文采用仪用放大器AD8235对 和 进行放大，然后利用幅相检测芯片AD8302检测两者的幅度比和相位差，具体电路如图4所示。。
3 软件设计
软件主要是用来产生测试输入信号、数据采集和处理以及存储和显示测试结果。其程序流程图如图5所示，单片机完成系统初始化后即进入等待中断的状态。一旦测试人员输入测量参数并按下测试启动按键即进入中断处理程序，控制MAX038输出测试信号，等待信号稳定后进行数据采集并计算测量结果，最后进行数据存储和显示。一次测试完成后等待下一个测试启动中断。
4 实验结果与分析
根据图2所设计的蓄电池电导测试仪要求测量误差在1%以内，为了检验测试仪的测量结果，采用了武汉恒新国仪公司的GY3131型蓄电池电导测试仪的测量结果作为参考。在 环境下，对风航6-QA-80型铅酸蓄电池进行放电比对测试，测量结果如表1所示。从测量结果上可以看出测量误差不超过1%，满足设计要求。
5 结论
本文详细介绍了基于MSP430F169的蓄电池电导测试仪的硬件及软件设计。该系统采用了内置A/D、D/A转换器的MSP430F169单片机和具有幅相检测功能的AD8302芯片使得硬件电路设计大大简化。实验结果表明该测试仪测量结果准确，稳定性好。对于潜艇上大量的蓄电池组测量还可以增加通道切换电路构成蓄电池组自动测试仪。
参考文献：
[1] 黄炳诚. 电导测试在蓄电池测试中的应用[J]. 动力与电气工程， 2012， （3）： 123.
[2] 高鹏字， 李波， 黄炳诚. 基于电导的蓄电池在线监测系统在变电站中的应用[J]. 科技创新导报， 2012， 25： 46-48.
[3] 李森， 陈奎. 电力蓄电池内阻监测探讨[J]. 煤炭科技， 2013， （2）： 32-33.
[4] 侯建华. 阀控密封铅酸蓄电池内阻构成与测试方法比对[J]. 通信电源技术， 2013， 30（4）： 69-71.
[5] 刘险峰， 倪洪权， 杨海峰， 等. 基于直接采样相移法的蓄电池内阻测量[J]. 电池工业， 2012， 17（2）： 67-69.
[6] 江国栋， 邓荣. 便携式蓄电池内阻测试仪的噪声抑制[J]. 电源技术， 2013， 37（1）： 97-99.
[7] 张利国， 窦满峰， 高静. 基于AVR单片机蓄电池内阻检测仪的改进与设计[J]. 电源技术， 2013， 37（5）： 804-805.
[8] 胡为民， 张河宜， 高安亮. 铅酸蓄电池内阻在线监测系统设计[J]. 电源技术应用， 2013， （10）： 111-112.
[9] 李运涛， 曹建刚， 董志强. 蓄电池内阻检测方法研究与实现[J]. 火炮发射与控制学报， 2012， （12）： 59-62.
[10] 乔登耀， 林晓焕. 蓄电池内阻检测系统设计[J]. 计算机与数字工程， 2013， 41（2）： 310-311.
文章创新点：系统采用了内置A/D、D/A转换器的MSP430F169单片机和具有幅相检测功能的AD8302芯片使得电导测试仪的硬件电路设计大大简化。
作者简介：朱善林（1981—），男，湖北丹江口市人，汉族，讲师，硕士，主要从事电子测量技术教学与研究。E-mail：[email protected]