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【摘要】针对铅酸蓄电池充放电电流存在的一些问题，以霍尔效应原理为基础，利用霍尔传感器其精度高、线性好、頻带宽、响应快等优点，设计了霍尔传感器对铅酸蓄电池充放电电流检测的实现。本文着重介绍了监测系统组成，原理以及其应用。通过检测充放电电流，电池组单节电池电压等参数来实现对铅酸蓄电池进行监测。
【关键词】霍尔传感器；铅酸蓄电池；测试系统
1.引言
铅酸蓄电池从其产生到发展已经有一百多年的历史，其具有价格低廉，使用上具有充分的可靠性，适用于大电流放电场合，但大电流放电时间过长容易造成对电池的损坏。
与此同时，铅酸电池在充电时，对充电电流大小也有严格要求，基于此，本文提出一种基于霍尔传感器来对蓄电池充放电电流监测的系统，相较于一般使用检流电阻来检测充放电电流的系统，具有反应速度快，灵敏度高，检测电流范围大，无需考虑散热问题等优点。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作出的一类传感器，具有对磁场敏感，结构简单，体积小，输出电压变化大，使用寿命长等特点，因此广泛被应用于工业自动化技术，信息处理以及检测技术。
霍尔传感器分为两种：
（1）线性霍尔传感器，由霍尔元件，线性放大开关和射极跟随器组成。
（2）开关型霍尔传感器，由稳压器，霍尔元件，差分放大器，施密特触发器和输出级组成。
本系统中采用的CS050E霍尔传感器，针对CS050E的性能开发出一种实时检测铅酸蓄电池充放以及放电时电流大小。
2.系统硬件构成
系统的硬件主要由电源电路，霍尔电流信号采样电路，蓄电池电压检测模块，主控模块，数码显示模块等组成。具体结构框图如图1所示。
2.1 主控制系
主控芯片采用基于ARM-Cortex处理器的LCP1751，该芯片具有4路串行接口，2个SSP控制器，8路模拟采集通道，可以完全实现对所有模块控制。控制系统工作流程如下：当铅酸蓄电池出于充电或者放电状态时，充电＼放电电流经检流电阻后转换成电压输出，输出的电压经由模拟电压采集电路送至单片机AD口采集；而蓄电池组每节电压则是通过专门的电压采集模块采集到之后，最终通过串口发送到主控MCU被接收。主控MCU在采集到充/放电流和每节电池的电压的值之后，将其发送到数码管显示。通过数码管，可以实时看到蓄电池各节电压，以及充＼放电状态下电流的大小。整个系统的开始由上位机对其控制。上位机通过串口发送开始信号给主控MCU，控制整个系统开始工作。主控制系统原理如图2所示。
2.2 系统电源电路设计
在本设计中，系统需要两种工作电压：其一是用于霍尔传感器工作的正负15V电压，其二是微处理器工作的标准5V工作电压。为实现这三种电压的输出，同时又在基于节约PCB空间的考虑，选用了DC/DC升压转换器TPS61170，降压转换器SC4508IML，不可调三端稳压电源MC7805，分别构成正15V和负15V电压，以及标准5V电压输出电路，具体电路由下图3所示。
在TPS61170构成的升压电路中，如图3-1所示，根据输出电压和芯片基准电压之间的关系公式：Vout=1.229V*（R3/R4+1），通过计算R3和R4选取合适的阻值后输出正15V电压。
在SC4508构成的降压电路中，如图3-2所示，芯片参考电压VREF输出典型值为1.25V，通过计算R9、R12选取合适的值，即可在芯片误差放大器输出端输出负15V电压。
在蓄电池提供12V电源供电状态下，通过MC7805稳压电源芯片即可实现5V电源输出。
2.3 信号采样电路设计
CS050E霍尔可拆卸电流传感器，是应用霍尔效应开环原理的电流传感器，能在电隔离条件下测量直流，交流，脉冲以及各种不规则波形电流。当传感器上电工作之后，被测充电或者放电电流从传感器中穿过，即可在输出端测得同相或反相的电压值。根据此原理，在霍尔传感器输出端连上由LM324四运放集成电路构成电压捕捉电路，电路如图4所示。
Q1是传感器输出电压信号，通过U4构成的同相电压跟随器，输出信号Q+，并连接到U4构成的同相比较器输出端，以及反相电压跟随器输入端。当输入Q+为一个正的电压值时（对应为霍尔电流计测量充电电流），4OUT输出低电平信号后作为开关的MOS管QP1打开，输出电压AD+；当输入Q+为一个负的电压值时（对应为霍尔电流计测量放电电流），3OUT输出低电平信号，作为开关的MOS管QP4打开，输出电压值AD-。
电压采样电路是通过电阻分压方式采样输入电压，共有两路，分别实现传感器输出的两路电压的采样，电路如图5所示。
2.4 电池电压采样模块设计
蓄电池组由16节电池构成，电池电压采样电路是以四节为一个模块进行电压采集，每个模块总共有四路采集电路，实现对每一节电池电压的采集。采集电路通过分压电路实现对单节电压采集，单节电压采集电路如图6所示。
每个电池电压采集模块之间通过串行信号线连接，从上而下将测得的电压信号传递，最下面的一个模块和主控板串口相连，将所有十六节电压信号传递给主控板处理并显示出来。
3.系统软件部分
本系统软件部分主要功能：实现系统上电时，数码管显示蓄电池各节当前电压。当上位机发送开始检测充放电电流指令之后，MCU启动充放电电流检测模块，MCU对AD采集过的数据进行处理，最终送往数码管显示为实际的充放电电流值，当上位机发送停止命令之后，关闭电流检测模块。图7为系统整个程序流程图。
4.实验结果
将监测系统用于16组铅酸蓄电池，进行充放电电流测试。实验在室温下进行，测试10次后取均值，将采集的AD换算成电流数据后与实验电流进行对比，实验数据如表1。
由测试数据分析可以看出，测试电流误差在100个毫安以内，完全满足一般测试对精度的要求。
5.结语
本文针对铅酸蓄电池充放电电流检测存在的一些问题，提出了基于霍尔传感器的铅酸蓄电池监测系统的设计。实验结果表明，该系统能够快速准确测得蓄电池充放电电流大小，能够适用于各种需监测蓄电池组大电流充放电场合。这种设计可有效维护铅酸蓄电池，延长电池寿命。相信本文研究的控制系统经过进一步的完善后，能够产生一定的经济和社会效益。
参考文献
[1]朱松然.铅酸蓄电池实用技术手册[M].北京：机械工业出版社，1993.
[2]郭正海.霍尔元件的几种检测方法[J].2007.
[3]周立功等.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4]童诗白等.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
[5]李俊松等.霍尔型车速传感器的智能系统测试[J].汽车工艺与材料，2002.
[6]侯国章.测试与传感技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学，1998.
[7]张建军.铅酸电池快速充电系统[J].绝缘材料，2002.
作者简介：黄薇（1988—），女，江苏张家港人，成都理工大学硕士研究生，研究方向：智能仪器。
【关键词】霍尔传感器；铅酸蓄电池；测试系统
1.引言
铅酸蓄电池从其产生到发展已经有一百多年的历史，其具有价格低廉，使用上具有充分的可靠性，适用于大电流放电场合，但大电流放电时间过长容易造成对电池的损坏。
与此同时，铅酸电池在充电时，对充电电流大小也有严格要求，基于此，本文提出一种基于霍尔传感器来对蓄电池充放电电流监测的系统，相较于一般使用检流电阻来检测充放电电流的系统，具有反应速度快，灵敏度高，检测电流范围大，无需考虑散热问题等优点。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作出的一类传感器，具有对磁场敏感，结构简单，体积小，输出电压变化大，使用寿命长等特点，因此广泛被应用于工业自动化技术，信息处理以及检测技术。
霍尔传感器分为两种：
（1）线性霍尔传感器，由霍尔元件，线性放大开关和射极跟随器组成。
（2）开关型霍尔传感器，由稳压器，霍尔元件，差分放大器，施密特触发器和输出级组成。
本系统中采用的CS050E霍尔传感器，针对CS050E的性能开发出一种实时检测铅酸蓄电池充放以及放电时电流大小。
2.系统硬件构成
系统的硬件主要由电源电路，霍尔电流信号采样电路，蓄电池电压检测模块，主控模块，数码显示模块等组成。具体结构框图如图1所示。
2.1 主控制系
主控芯片采用基于ARM-Cortex处理器的LCP1751，该芯片具有4路串行接口，2个SSP控制器，8路模拟采集通道，可以完全实现对所有模块控制。控制系统工作流程如下：当铅酸蓄电池出于充电或者放电状态时，充电＼放电电流经检流电阻后转换成电压输出，输出的电压经由模拟电压采集电路送至单片机AD口采集；而蓄电池组每节电压则是通过专门的电压采集模块采集到之后，最终通过串口发送到主控MCU被接收。主控MCU在采集到充/放电流和每节电池的电压的值之后，将其发送到数码管显示。通过数码管，可以实时看到蓄电池各节电压，以及充＼放电状态下电流的大小。整个系统的开始由上位机对其控制。上位机通过串口发送开始信号给主控MCU，控制整个系统开始工作。主控制系统原理如图2所示。
2.2 系统电源电路设计
在本设计中，系统需要两种工作电压：其一是用于霍尔传感器工作的正负15V电压，其二是微处理器工作的标准5V工作电压。为实现这三种电压的输出，同时又在基于节约PCB空间的考虑，选用了DC/DC升压转换器TPS61170，降压转换器SC4508IML，不可调三端稳压电源MC7805，分别构成正15V和负15V电压，以及标准5V电压输出电路，具体电路由下图3所示。
在TPS61170构成的升压电路中，如图3-1所示，根据输出电压和芯片基准电压之间的关系公式：Vout=1.229V*（R3/R4+1），通过计算R3和R4选取合适的阻值后输出正15V电压。
在SC4508构成的降压电路中，如图3-2所示，芯片参考电压VREF输出典型值为1.25V，通过计算R9、R12选取合适的值，即可在芯片误差放大器输出端输出负15V电压。
在蓄电池提供12V电源供电状态下，通过MC7805稳压电源芯片即可实现5V电源输出。
2.3 信号采样电路设计
CS050E霍尔可拆卸电流传感器，是应用霍尔效应开环原理的电流传感器，能在电隔离条件下测量直流，交流，脉冲以及各种不规则波形电流。当传感器上电工作之后，被测充电或者放电电流从传感器中穿过，即可在输出端测得同相或反相的电压值。根据此原理，在霍尔传感器输出端连上由LM324四运放集成电路构成电压捕捉电路，电路如图4所示。
Q1是传感器输出电压信号，通过U4构成的同相电压跟随器，输出信号Q+，并连接到U4构成的同相比较器输出端，以及反相电压跟随器输入端。当输入Q+为一个正的电压值时（对应为霍尔电流计测量充电电流），4OUT输出低电平信号后作为开关的MOS管QP1打开，输出电压AD+；当输入Q+为一个负的电压值时（对应为霍尔电流计测量放电电流），3OUT输出低电平信号，作为开关的MOS管QP4打开，输出电压值AD-。
电压采样电路是通过电阻分压方式采样输入电压，共有两路，分别实现传感器输出的两路电压的采样，电路如图5所示。
2.4 电池电压采样模块设计
蓄电池组由16节电池构成，电池电压采样电路是以四节为一个模块进行电压采集，每个模块总共有四路采集电路，实现对每一节电池电压的采集。采集电路通过分压电路实现对单节电压采集，单节电压采集电路如图6所示。
每个电池电压采集模块之间通过串行信号线连接，从上而下将测得的电压信号传递，最下面的一个模块和主控板串口相连，将所有十六节电压信号传递给主控板处理并显示出来。
3.系统软件部分
本系统软件部分主要功能：实现系统上电时，数码管显示蓄电池各节当前电压。当上位机发送开始检测充放电电流指令之后，MCU启动充放电电流检测模块，MCU对AD采集过的数据进行处理，最终送往数码管显示为实际的充放电电流值，当上位机发送停止命令之后，关闭电流检测模块。图7为系统整个程序流程图。
4.实验结果
将监测系统用于16组铅酸蓄电池，进行充放电电流测试。实验在室温下进行，测试10次后取均值，将采集的AD换算成电流数据后与实验电流进行对比，实验数据如表1。
由测试数据分析可以看出，测试电流误差在100个毫安以内，完全满足一般测试对精度的要求。
5.结语
本文针对铅酸蓄电池充放电电流检测存在的一些问题，提出了基于霍尔传感器的铅酸蓄电池监测系统的设计。实验结果表明，该系统能够快速准确测得蓄电池充放电电流大小，能够适用于各种需监测蓄电池组大电流充放电场合。这种设计可有效维护铅酸蓄电池，延长电池寿命。相信本文研究的控制系统经过进一步的完善后，能够产生一定的经济和社会效益。
参考文献
[1]朱松然.铅酸蓄电池实用技术手册[M].北京：机械工业出版社，1993.
[2]郭正海.霍尔元件的几种检测方法[J].2007.
[3]周立功等.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4]童诗白等.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
[5]李俊松等.霍尔型车速传感器的智能系统测试[J].汽车工艺与材料，2002.
[6]侯国章.测试与传感技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学，1998.
[7]张建军.铅酸电池快速充电系统[J].绝缘材料，2002.
作者简介：黄薇（1988—），女，江苏张家港人，成都理工大学硕士研究生，研究方向：智能仪器。