怎样利用AVR单片机来测试蓄电池的剩余电量？
蓄电池作为备用电源，已在计算机网络、通讯、电力等领域得到了广泛的应用。蓄电池的荷电量与整个供电系统的可靠性密切相关，蓄电池剩余电量越高，系统可靠性越高，否则反之。对于一些重要的用电领域，例如信息处理中心，如果能在既不消耗蓄电池的能量，又不影响用电设备正常工作的条件下，实现蓄电池剩余电量的在线监测，将有重要的实际意义。近几年随着it产业的迅速发展，电池的重要性越来越突出，对剩余电量精确预测的需求越来越迫切。
预测蓄电池剩余电量的常见方法有：密度法、开路电压法、放电法、内阻法。前三种方法测量精度较低且不适合密封蓄电池的在线测量，故较难实用。内阻法对被测蓄电池的影响很小，且蓄电池完全充电（充满）和完全放电（放完）时，其内阻相差2－4倍左右，因此，用内阻法预测蓄电池剩余电量有较高的精度，正逐步得到实际应用。
1 内阻法测量原理 1.1 蓄电池等效模型 蓄电池交流待效阻抗z模型如图1所示。
图中：r1、r2为正、负电极的极化电阻;
c1、c2为正、负电极和极化电容;
l为引线电感;
rω为电池欧姆电阻。
蓄电池欧姆电阻rω表征了电池的荷电程度。便为了简化测量通常从等效阻抗z中仅分离纯电阻r（r由rω、r1、r2构成），r和rω之间呈线性关系， 故可用r间接地表征电池荷电程度。
1. 2 四线法内阻测量 由于蓄电池内阻很小，一般为uω－ωm级，因此测量线的阻抗就变得不可忽略，为此采用四线法测量，即将驱动电流回路和感应电压电路分开。内阻四线法测量原理图如图2所示，其中r2为取样电阻。
测量蓄电池内阻的方法是：在蓄电池的两端施加一恒定的交流音频电流源is，然后检测电池两端电压vo，以及is和v0两者之间的夹角θ。三者之间关系如图3所示。
由图3可知：z＝vo/io
r=zcosθ
r即为我们需要获取的蓄池内阻。
1.3 剩余电量的测量原理 研究表明，电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性（0.88左右），通过测量电池内阻可较准确地预测其剩余电量。蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线如图4所示。
具体实施的方法是：将蓄电池充满电（以12v蓄电池为例，充电至13.8v，浮充电流至10ma。）然后以0.1c放电率对电池放电，记录放电过程中内阻与电量的大小。当蓄电池放电完毕（12v蓄电池放电至10.8v）可获得完整的放电曲线，即剩余电量与蓄电池内阻之间的关系。将此曲线存入eprom中，在以后测试同型号同规格的蓄电池时，单片机将根据在线测到的电池内阻值，通过查表计算，得出其剩余电量值。
2 硬件设计 2.1 仪器结构框图 为了实现上述剩余电量预测方法，我们研制的测试仪器硬件框图如图5所示。该仪器主要由音频信号发生器、耦合驱动器、差动放大器、滤波网络、整流电路、相位检测电路、电压电流取样电路、模拟转换开关、a／d转换器（ad7715）、单片机（at90s8515）、lcd显示器及键盘等组成。
需要指出的是，为了获得较高的剩余电量预测精度，被测内阻必须有足够有效位数，为此我们取4位有效数字，这样就要求a／d转换器必须在14位以上。由于蓄电池内阻、电压均为变化缓慢的低时变信号，故我们只需选低速串行a／d转换器，而∑－△类型的a／d转换器就能很好地满足我们的要求，为此我们选ad7715。ad7715为16位a／d转换器，具有自校零、自校量程功能，具有很高的测量精度，另外spi接口，便于与单片机高速通信。
单片机为atmel公司的新一代risc单片机（at90s8515），该单片机具有如下优越性能：
120条精简令，且大多指令执行时间是单时钟周期;
采用哈费结构，在8mhz时钟下，每条指令执行进间仅为125ns;
片内有8kb flash程序存储器，512byte eprom数据存储器，512byte ram存储器;
除拥有普通异步通信接口外，还拥有spi接口，spi数据传送速率高达2.5mb/s;
拥有pwm发生器，模拟电压比较器以及watehdog定时器。
2.2 接口设计
单片机与主要外围器件接口电路图6所示。
（1）pa口用作键盘输入和外接eprom存储器，其中pa0接存储器时钟线，pai接存储器数据线，pa2∽pa7 接键盘。
（2） pb口用作a／d转换和模拟开关通道选择，其中pbo∽pb2用作通道线，pb5∽pb7连接a／d转换器对应的spi口线。
（3） pc口用作液晶显示器数据口。
（4） pd口用作a／d中请求和液晶显示器控制口，其中pd2为a／d转换器中请求，pd5为液晶显示器片选信号，pd6为读写选择信号，pd7为使能信号。
3 软件设计 测试仪器的主要程序流程图如图7～9所示。
4 测验结果 为了验证设计，我人对研制的两台样要做了全性能测试，测试结果如表1所示。
avr是一种功能非常强大的单片机，片内不仅集成了许多外围接口功能电路，而且运算速度快、功耗低、可靠性高，非常适合中智能仪器仪表中应用。
从理论上说，只要调整音频电流源幅度，内阻法可适用各种容量的蓄电池测量。该方法也同样适用ni－mh、ni－cd及li电池，因此用内阻法来预测蓄电池的剩余电量具有良好的通用性和实用性。
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图中：r1、r2为正、负电极的极化电阻;
c1、c2为正、负电极和极化电容;
l为引线电感;
rω为电池欧姆电阻。
蓄电池欧姆电阻rω表征了电池的荷电程度。便为了简化测量通常从等效阻抗z中仅分离纯电阻r（r由rω、r1、r2构成），r和rω之间呈线性关系， 故可用r间接地表征电池荷电程度。
1. 2 四线法内阻测量 由于蓄电池内阻很小，一般为uω－ωm级，因此测量线的阻抗就变得不可忽略，为此采用四线法测量，即将驱动电流回路和感应电压电路分开。内阻四线法测量原理图如图2所示，其中r2为取样电阻。
测量蓄电池内阻的方法是：在蓄电池的两端施加一恒定的交流音频电流源is，然后检测电池两端电压vo，以及is和v0两者之间的夹角θ。三者之间关系如图3所示。
由图3可知：z＝vo/io
r=zcosθ
r即为我们需要获取的蓄池内阻。
1.3 剩余电量的测量原理 研究表明，电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性（0.88左右），通过测量电池内阻可较准确地预测其剩余电量。蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线如图4所示。
具体实施的方法是：将蓄电池充满电（以12v蓄电池为例，充电至13.8v，浮充电流至10ma。）然后以0.1c放电率对电池放电，记录放电过程中内阻与电量的大小。当蓄电池放电完毕（12v蓄电池放电至10.8v）可获得完整的放电曲线，即剩余电量与蓄电池内阻之间的关系。将此曲线存入eprom中，在以后测试同型号同规格的蓄电池时，单片机将根据在线测到的电池内阻值，通过查表计算，得出其剩余电量值。
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