在分析比較幾種常見蓄電池剩余電量檢測方法的基礎上，介紹了利用MSp430單片機設計車輛蓄電池報警器的工作要點。該報警器實現了特定條件下蓄電池剩余電量指示，蓄電池內阻大報警，充電電壓過高報警，非規范啟動（單次起動時間超過5s、兩次啟動間隔時間少于15s、持續啟動次數超過3次）發動機提示報警等功能，具有實用價值。

蓄電池是汽車上的重要部件，不僅為發動機啟動供應動力，而且為用電設備供應電能，并存儲充電系統的多余電能，蓄電池技術狀態的好壞直接影響汽車的正常運行。實際工作生活中，蓄電池技術狀況的檢查手段比較落后，特別就一般車輛而言，缺少在線、直觀、實時的反映蓄電池技術狀況的儀器儀表，多數為無法啟動車輛時才送檢，通常因蓄電池保管不善、保養不及時、放電過度而早期損壞。為了解決對車輛蓄電池技術狀況的實時監測問題，做到及時對要充電的蓄電池進行充電，對要維護修理的蓄電池進行維護保養，研制一款能對車輛蓄電池的技術狀態檢測報警的蓄電池報警器有實際意義。

車輛蓄電池報警器要能實現的基本功能包括：特定條件下蓄電池剩余電量指示，蓄電池內阻大報警，充電電壓過高報警，非規范啟動（單次起動時間超過5s、兩次啟動間隔時間少于15s、持續啟動次數超過3次）發動機提示報警。而且根據實際使用條件，報警器要輕便、實用、直觀、可靠，并且做到不影響車輛性能，安裝簡單，適用性好。

1檢測方法的選擇

蓄電池剩余電量的指示是報警器的一個重要功能，合理的選擇蓄電池剩余電量檢測方法成為報警器設計的關鍵。常見的蓄電池剩余電量的檢測方法有：密度法、開路電壓法、放電法、內阻法、庫侖計法等。選擇的原則是要能夠滿足整體功能的設計要求，并考慮使用環境、條件以及成本等因素。

1.1蓄電池剩余電量常見檢測方法

●密度法：蓄電池剩余電量和其內部電解液密度密切相關，通過測量電解液的密度值，即可間接推算其剩余電量。電解液密度隨蓄電池放電程度的新增而按比例下降。

充足電的蓄電池到放電終了，電解液密度約下降0.16,即電解液密度下降0.04,蓄電池約下降25%[1].通常用吸液管密度計測量電解液密度，用溫度計測出電解液溫度，再根據標準溫度進行換算。只能離線人工檢測。

●開路電壓法：蓄電池的荷電程度跟蓄電池電解液密度密切相關，而根據能斯特方程的描述電解液濃度和溫度變化會引起電池電動勢的變化。因此，通過測量蓄電池的端電壓，也可以推算出蓄電池的剩余電量。

●放電法：通過對蓄電池施加一負載，計算單位時間內的電池端電壓變化率，根據變化率的大小推算剩余電量，變化量小意味著剩余電量大，否則反之。為了實現在線測量，縮短測量時間，要對蓄電池大電流放電，而大電流放電對蓄電池將會出現嚴重損傷，嚴重影響電池的使用壽命[2].

●內阻法：內阻與電池容量的相關性非常好，相關系數可以達到88%.因此，通過測量電池內阻可較準確地預測其剩余電量。蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內阻相差2~4倍左右。隨著電池充電過程的進行，內阻逐步減小；隨著放電過程的進行，內阻逐步增大。

另外，隨著電池老化，其內阻也逐漸增大，其剩余電量也隨之下降。其測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源Is,然后檢測電池端電壓Vo以及Is和Vo兩者之間的夾角θ。通過公式Z=Vo/Io,R=Zcosθ，即可得到電池內阻值，從而得到剩余電量。內阻法4線制接線，精確度相對高。

●庫侖計法：通過對流入/流出電池的總電流進行積分，得到的凈電荷數即為剩余容量。庫侖計電路一般使用一個阻值非常低的串聯電阻作為檢流電阻，通過檢測檢流電阻上的壓降反推電流，再通過電流對時間的積分來計算電量變化。電池初始容量可以預置，也可由完整充電周期來統計學習。Maxim公司供應一系列精確的智能電池電量計芯片，如DS2780,在一塊芯片內集成了庫侖計、溫度傳感、電池電壓檢測、時鐘和非易失存儲器，能夠對電池電量進行精確計算。

1.2報警器選擇開路電壓法

1.2.1開路電壓法的局限性

●關于不同廠商生產的電池，其開路電壓與容量之間的關系有差異。

●只有通過測量電池空載時的開路電壓才能獲得相對準確的結果，而在運行時由于負載電流在內阻上出現的壓降將影響開路電壓的測量精度。

●蓄電池在充電（以及大電流放電）后會出現虛高（與虛低）現象，重要原因是充電時電解質濃度分布不均勻而形成表面電荷，表面電荷將提高蓄電池電壓而引起虛高現象。表面電荷可通過短時低電流放電消除，也可在蓄電池靜置幾個小時后自行消除。

1.2.2選擇開路（端）電壓法的理由

●與其他使用蓄電池的方式不同，汽車蓄電池在啟動時有一個大電流放電，而在引擎正常運轉后會帶動發電機向蓄電池充電。所以對蓄電池剩余電量的關心是在點火啟動前，而在點火開關和附屬電器設備關閉時的端電壓可以近似為開路電壓，此時通過開路電壓法來判斷剩余電量是可行、恰到好處的。而在點火以及充電過程中則可通過端電壓曲線的變化來分析判斷內阻大，充電電壓過高，非規范啟動電機等技術狀態并伺機報警。

●與其他任何方法相比開路（端）電壓法對蓄電池的影響最小，只需兩根線并接到蓄電池上，同時作為報警器的電源和檢測信號的輸入，安裝最簡便；不要對蓄電池改動或新增附件，適應性好，互換性強。

●由于蓄電池端電壓變化率（約為30%~40%）遠小于其內阻變化率（相差2~4倍），因此采用開路電壓法的精確度無法與內阻法相比。但報警器的使用環境并不要求很高精確度，而開路電壓法能夠滿足精度要求，并且電路簡單，成本低。

通過對各種檢測方法的分析比較，綜合考慮報警器實際使用條件，安裝，成本等因素，我們選擇開路（端）電壓法作為報警器的基本檢測方法。[page]

2系統設計

報警器采用以微處理器（MCU）為核心，包括分壓取樣與信號調理單元，A/D轉換模塊單元、電源單元、顯示及報警輸出單元、按鍵與設置單元構成。系統原理框圖如圖1所示。

圖1系統原理框圖

2.1硬件設計

2.1.1MCU（微控制器）與ADC模塊。

MCU選用TI（德州儀器）公司的低功耗16位單片機MSp430F427,它的重要特點：

●低工作電壓范圍：1.8V~3.6V;

●超低功耗：400Aat1MHz,3.0V;

●16-BitRISC指令體系，125nS指令周期；

●32KBFlashMemory,1KbrAMMemory;

●3個獨立的16-BitSigma-DeltaA/D,帶差分pGA輸入；

●16位按時器TIMER_A（3捕獲/比較寄存器）；

●串行通信接口（UART），通過軟件選擇異步UART或同步SpI;

●電源電壓管理/監控；

●串行在線編程，無需外部編程電壓；

●安全熔絲可編程代碼保護。

由于MSp430F427具有上述功能特點，完全滿足蓄電池報警器功能需求，而且不要另加A/D轉換器，既節約了成本、降低功耗，又簡化了電路板的布線，有利于提高可靠性。

2.1.2分壓取樣與信號調理電路。

通過兩個精密電阻組成分壓電路，由運算放大器完成信號調理，分壓取樣與信號調理電路圖如圖2所示。

圖2分壓取樣與信號調理電路

2.1.3驅動與輸出電路。

考慮到MCU（微控制器）I/O口的驅動能力，對蜂鳴器與LED發光管均用一個三極管完成驅動，驅動與輸出電路如圖3所示。

圖3驅動與輸出電路

2.1.4電源電路模塊。

重要選用一個寬電壓輸入的DC/DC轉換模塊完成，其參數輸入電壓：9~36V,輸出電壓3.3V,輸出電流600mA.

電路如圖4所示。

圖4電源模塊電路

2.2軟件設計

蓄電池報警器軟件采用模塊化設計，分成main,BT_timer,SD16三個模塊。每個模塊由C語言編程的若干子程序塊組成。其中包括主程序，數據采集及處理子程序，顯示子程序，超限判斷及報警子程序，中斷處理子程序等。

2.2.1main模塊。

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Main模塊由系統主程序與pORT中斷程序組成，主程序用于完成自檢和初始化。自檢包括RAM工作區、A/D轉換器及其模擬采樣通道、顯示模塊等的自檢。初始化將對儀器初始狀態給予設定，包括按時器和串口的設定及分配、中斷系統的開放、看門狗的啟動等，系統初始化完成后進入LpM0低功耗模式。pORT中斷處理程序完成對按鍵輸入的處理.

2.2.2BT_timer模塊。

BT_timer模塊由BT_timer初始化程序，BT_timer中斷處理程序，LED顯示處理程序組成，其中BT_timer初始化程序重要完成對基本按時器的初始化，設定的按時周期為250ms;BT_timer中斷處理程序完成報警后1分鐘報警解除處理，刷新LED處理，按時啟動SD16模塊等功能，其程序流程圖如圖5所示。LED顯示處理程序，重要根據程序的顯示字，顯示模式字來完成對LED,蜂鳴器硬件操作，包括顯示、閃爍、鳴叫等。

圖5BT_timer中斷處理程序

2.2.3SD16模塊。

SD16模塊重要包括SD16模塊初始化程序，SD16（ADC）中斷處理程序。SD16模塊初始化程序重要完成MSp430內置數/模轉換模塊SD16的初始化設置；SD16（ADC）中斷處理程序，重要完成電壓數據采集，處理，判定，顯示字與顯示模式字的修改等功能，該程序是數據處理的核心程序。[page]

SD16中斷處理程序流程圖如圖6所示。

圖6SD16中斷處理程序流程圖

2.2.4報警判定處理。

設立一個"先進先出"的緩沖隊列，存放端電壓值隨時間變化曲線。依據緩沖隊列中的電壓采樣值監測車輛蓄電池電壓范圍，判斷蓄電池啟動、內阻大、充電等狀態變化并伺機報警。當端電壓值超過或低于門限值達3000ms,即做高（低）報警；如端電壓值單位時間內下降幅度較大，則意味著蓄電池性能變差，做內阻大報警；如端電壓值單位時間內變化超過一定值，則可判別發動機啟動，充電等狀態，在單次起動時間超過5s、相鄰兩次啟動時間少于15s、持續啟動次數超過3次時，做非規范啟動報警。

3結束語

產品設計中的技術路線選擇，以滿足設計功能基礎上的合用性為原則，同時綜合考慮實際使用條件，安裝，成本等因素。

以上設計的報警器結構緊湊小巧，安裝方便，使用直觀，功能齊全，為駕、修人員供應一個方便的車輛蓄電池監測手段，產品已投入實際使用。