自製電池電壓計

自製電池電壓計
自製電池電壓計

本文介紹的基於PIC16F84單片機製作的電池電壓計，可用於監測汽車電池和充電系統的運行狀況。由於採用了PIC16F84單片機，使得電路整體大大減小，能將整個電路裝入很小的盒子內。並且，利用單片機電路，使電路製作更加容易。

汽車電池耗盡，通常會在最不方便的時刻、最不適合的地點以及不完全令人滿意的氣候下出現。電池可能是新型車輛中最不可靠的組件。為了減輕這個問題的影響，有些電池製造商在同一外盒內裝入後備裝置，讓車輛可以在主要裝置失靈時啟動應急工作。 　汽車電池只有獲得適當的保養才能夠產生峰值性能。這個保養工作不僅要監測電池電解液的液面高度，還要保證充電電壓處於嚴格的範圍內。也就是說，12V電池的充電電壓在13.8V～14.4V之間，24V電池的充電電壓在27.6V～28.8V之間。

如果12V電池充電時電壓達不到13.8V，可能是充電電壓太低，或者電池將被淘汰。這就是說，如果電池要在啟動時，尤其是在寒冷氣候下產生足夠的電流，它才是勉強合格的。與之相反，如果電池過充電，電解液就會產生過多的氣體，因而使電池板乾枯，降低電池的容量。 　這樣不僅會大大縮短電池的壽命，而且在嚴峻的情況下（例如穩壓器失靈），還可能損壞車中的其他電子設備或器件。那麼，怎樣才能使汽車電池獲得合適的充電以及處於良好的條件運行呢？　　本文介紹的電池電壓計即可幫你解決這一問題。本電池電壓計可實時監測電池兩端電壓，從而正確指示出充電電壓。

1.最小保持裝置

觀察電池電壓的重要時間就是啟動時。在這段時間內，啟動電機要消耗大量電能，所以電池電壓會降至低於12V的標準值之下。在車輛啟動時，能夠準確地監測最低的電池電壓，不是很好嗎？利用這個電池電壓計，就可以輕鬆這樣做到。因為它裝有保持最小值的裝置。你在啟動后的任何時刻按動Min/hold（最小值/保持）按鈕，就會顯示出最小的測量值。放開按鈕之後，顯示器就會到正常模式。存儲在易消失RAM中的最小電壓值就會在下一次關掉點火系統時自動消失。

通常，如果使用良好的電池，啟動發動機時，電壓應該只降至10.5V左右，不過該數值是由溫度、啟動電流以及電池本身條件等多種因素決定的。在任何情況下，這個工作只不過是使用Min/hold按鈕為汽車電池生產基準的最小電壓，然後偶爾檢查一下以確定電池處於良好條件。 　不過要注意，在寒冷氣候下電壓降低是正常的，所以要懷疑有毛病的電池之前要記得這點。

簡而言之，有很好的理由去仔細監測電池電壓，而這個裝置就很適合這個工作。它宣稱具有高準確度，溫度的漂移可以忽略不計，而且用三位數碼管顯示12V模式，即可以讀取接近0.1V的精度。還可以自動使顯示器調節隨著環境亮度變化的亮度。只需要三根導線連接該設備到汽車的接線（+12V、0V和電池+Ve），調節一個微調電位器就可以很容易校準該裝置。第二個微調電位器用於調節夜裡的最低顯示亮度。

2.電路原理

電路見附圖。PIC16F84單片機（IC1）是這個電路的基礎與核心。該器件接受來自電池和開關S1的輸入，處理這些信息和驅動數碼管顯示器。電壓檢測是以IC2為基礎的。電池電壓連接到由10kΩ、1.8kΩ電阻及1kΩ微調電位器VR1串聯而成的分壓器上，輸入到IC2a的②腳。工作時，IC2a把①腳上輸入的電壓和③腳輸入的直流電壓比較。IC1的RA3輸出的脈寬調製方波信號通過10kΩ電阻接1μF電容就得到一個直流電壓。結果，只要它的②腳電壓大於③腳電壓，IC2a的①腳就變為低。並通過3.3kΩ限流電阻把該信號送往IC1的RB0端。當IC2a的輸出變為高而達到標準的12V時，這個電阻限制經由IC2a流過的電流，而在RB0內部箝位二極體則限制該引腳的電壓在5.5V左右。



3.模/數轉換器

這個電路大部分的複雜性都隱蔽在單片機IC1及其內部程序中，不過IC1還具有模/數轉換器的功能。它在工作時，把RB0輸入的比較器信號變為數碼值後用來驅動三位數碼顯示器。這裡所用的模/數轉換器有點不尋常，它只需要在單片機上有兩個連接點。如上所述，在RA3的輸出產生脈寬調製信號，它以1.953Hz信號工作，占空比0.075%～90%。需要注意的是，輸出高電平是+5V，而輸出低電平是0V。10kΩ電阻和1μF電容把RA3的輸出濾波而產生等於占空比波形平均值的直流電壓。這就是說，如果占空比是50%（即方波），輸出電壓是5V的50%，亦即2.5V。

這個電壓接IC2a的③腳。使用不同占空比周期就可以得到其他直流電壓。這個直流電壓連接到比較器的IC2a的③腳。 　這個模/數轉換器的工作如下：起初，RA3輸出以50%的占空比波形工作，該占空比設定IC2a③腳的電壓在2.5V。與此同時，IC1中的8位寄存器把它的最高位調高而使其數值為10000000。

IC1產生大約65.5ms的50%占空比信號，然後由RB0輸入監測比較器的輸出（IC2a的①腳）。如果在②腳分壓后的電池電壓大於2.5V，IC2a的①腳就為低，如果該電壓低於2.5V，IC2a的①腳輸出就為高電平。這時出現的情況是：如果分壓后的電壓低於2.5V，相當於低的比較輸出，RA3的輸出就增大占空比至75%，而產生3.75V電壓輸出，於是就把寄存器調到11000000，最大有效位數表示2.5V和50%的占空比，下一位表示1.25V和25%的占空比（這兩位相加，就得到3.75V，即75%占空比）。這時，在65.5ms之後，再檢查比較器的電平，然後單片機加或減12.5%的占空比（0.625V）以及在根據分壓后的電壓再檢查。接著，如果輸入電壓高於脈衝寬度電壓，就把寄存器調到X1100000（依照以前的操作確定X的數字是1還是0）。如果輸入電壓低於脈寬調製器電壓，就把寄存器調到X0100000。這個過程連續進行8個循環，單片機加或減較小數值的電壓（0.3125V、0.156V、0.078V、0.039V和0.0195V），而把8位寄存器的較低位調到1或0而獲得8位的模/數轉換。因此，模/數轉換在最低有效位具有大約19mV（0.0195V）的解析度。8位寄存器還具有256個可能的數值，即從00000000（即0）到11111111（即255）。不過實際上，把範圍限在19至231之間。這是因為，軟體必須有時間進行內部處理以便在RA3的輸出產生波形以及檢測RB0輸入。該兩數字（19和231）相當於12V測量模式的1.9V和23.1V。這個限制測量範圍對於汽車電壓計並非真的是個問題，因為對於12V的電池來說，我們只需要在6至16V的窄範圍內進行測量。在模/數轉換過程后，必須把存儲的8位寄存器內的二進位數轉換成十進位數后才能夠在三位數碼顯示器上顯示出來。這個工作又是在PIC單片機中進行。需要注意的是，在24V模式中，8位寄存器的數先乘以2，然後才轉換為十進位數。這樣就使測得電壓得到200mV的解析度。模/數轉換器要依靠幾個因素才產生前後一致的讀數。首先，基準電壓必須保持穩定。這就是說，RA3的輸出必須在正電源和地電位之間擺動。否則，RA3的濾波輸出就會改變，產生不正確的結果。

基於同樣的原因，RA3輸出的脈寬調製波形的占空比必須在65.5ms周期內保持正確。在這種情況下，基準使用LM2940t－5穩壓器產生的電源，該電源具有很好的長期穩定性。它的溫度變化在100℃的範圍為+20mV。此外，RA3的輸出是COMS型，無負載時，其輸出電壓僅為幾毫伏。 　至於占空比周期這方面，它是由軟體設定，並且用4MHz晶體振蕩器在IC1（15）和（16）腳上進行控制。這就是說，本電壓計的讀數應該準確到1位（24V操作下則為2位數字）。

在RA4輸入上檢測保持最小值的開關S1。通常，RA4通過接5V電源的10kΩ電阻保持高電平。當該開關閉合時，它把RA4輸入拉低。這時，由軟體檢測讀數的7段數據裝入顯示器的寄存器。放開S1之後，又再拉高RA4，當時的電池電壓再顯示出來。

4.發光二極體顯示器

ICI產生的7段顯示數據在RB1～RB7輸出出現。這些輸出通過150Ω的限流電阻直接驅動發光二極體，而RA0～RA2輸出分別通過開關管Q1～Q3驅動各顯示器。以多路傳輸方式驅動顯示器，利用IC1依次把RA0、RA1和RA2線路轉為低，實現實時監測數據顯示。

5.顯示器的亮度

使用IC2b控制顯示器亮度，該運算放大器連接成電壓跟隨器，以及驅動負反饋迴路中晶體管緩衝器Q4。光敏電阻LDR1根據周圍的光電平控制IC2b⑤腳輸入的電壓。IC2b驅動Q4，Q4則控制接顯示器驅動器（Q1～Q3）的射極。在白天時段，⑤腳上的電壓接近+5V，因為光敏電阻在強光下具有低電阻。這就是說，Q4的射極也接近+5V，所以這些顯示器以全亮度發光。相反，隨著光電平下降，光敏電阻的電阻值增大，引起IC2b⑤腳的電壓下降。實際上，完全黑暗時，⑤腳上的電壓是由調節最小亮度的微調電位器VR2的設定值確定的。和前述一樣，這個電壓在Q4的射極上出現，於是這些顯示器都是在降低的亮度下驅動的。在實際操作中要注意，要獲得顯示器在夜晚所需的亮度，可調節VR2。

6.時鐘信號

和晶體X1與兩隻15pF電容一起工作的內部振蕩器電路提供IC1的時鐘信號。安裝電容是為了提供晶體的正確負載以及保證可靠的啟動。晶體頻率在內部被分割產生適合單片機和顯示器多路傳輸的時鐘信號。

7.電源

電路的電源通過點火開關從汽車電池獲得。一個10Ω1W的電阻和一隻22霧電容用於這個電壓的退耦，而20V的齊納二極體ZD1則保證這個電路不受高於該電壓值的瞬態電壓尖峰影響。接著把退耦的點火電源線接到產生+5V電源線的穩壓器REG1上，使用這路電源為IC2以外的所有電路供電，而IC2則直接由退耦的點火源供電。使用一隻47霧的電容和一隻0.1霧電容作穩壓器的輸出濾波和退耦。

如果是24V的系統，就通過外部的150Ω10W電阻產生電壓降去限制穩壓器中的功耗，以該電阻接電源的輸入。要注意的是，使用低降壓的穩壓器就可以讓電壓計為12V的系統在低至5.5V左右下工作。標準的穩壓器在開始降低調壓之前，只可以測量低至8V。