【参赛】全硬件的数显锂电池容量测量仪

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由于现在国内市场出售的锂电池（主要包括手机电池、数码相机电池、PDA电池等）的质量良莠不齐，很多电池的容量虚标，实际容量与标示的容量相差甚多。所以欲设计一种成本低、性能高的锂电池容量测量装置。

经过反复思考，确定基本思路如下：设计一种装置，能将事先充满电的锂电池进行恒定电流的放电。在放电的同时，用一个匀速走字的计数器作为计数元件。通过微调脉冲发生器的振荡频率来改变计数器的走字速度，使任一时刻计数器上的数字恰好等于电池已放出的电量。随着放电的进行，电池电压会逐渐下降，当电压下降到某一值时可视为电量放尽，此时电路自动停止放电，同时使计数器停止走字。此时计数器上的数值即为测得的电池容量值。

结合设计思路，通过认真思考和分析，设计出系统工作框图。如下图所示。


结合设计思路，及系统工作框图，设计出电路图。电路分两大部分，分别称为“控制板”和“ 显示板”。




控制板所用元件参数说明：

元件序号        参数说明
K1        电源开关（250V/1A）
T1        220V→15V变压器
D1-D4        1N4007
D5        1N4148
D6        1N4007
IC1        LM7812
IC2        LM7805
IC3        LM393
IC4        LM117
Q1        3DG9014
VR1、VR2        电位器0.25W/1KΩ
VR3        电位器0.25W/5KΩ
VR4        电位器0.25W/100Ω
C1、C3、C5        瓷片电容0.1μF
C2        电解电容25v/1000μF
C4        电解电容16v/1000μF
C6        电解电容6.3v/3300μF
R1        0.25W/220Ω
R2        0.25W/10KΩ
R3        1W/10Ω
V        电压表（量程5V）
A        电流表（量程300mA）
J1        继电器


显示板所用元件参数说明：

元件序号        参数说明
IC1        CD4060
IC2        CL9300A
IC3-IC5        CD4033
LED1        绿色发光二极管
LED2        红色发光二极管
C1        瓷片电容0.01μF
C2、C3        电解电容4.7μF
Q1        3DG9013
VR1        电位器5KΩ
R1        47KΩ
R2、R3、R4        1KΩ
R5        470Ω
R6        2.2KΩ
SPEAKER        0.25W/8Ω喇叭
数码管        七段式共阴极数码管


原理详述
1电源部分：220V交流市电经电源插头输入，由开关K1控制装置电源的通断。变压器T1将220V市电变为15V交流电，经插接件P1送入控制板。二极管D1-D4组成整流桥，将交流电变为脉动直流电，再经电容C1、C2滤波，得到电压较为平稳的直流电。集成块IC1（LM7812）起稳压作用，输出稳定的12V的电压，经过电容C3、C4滤波，电压更加平稳，供装置的各部分电路使用。
2基准电压产生部分：集成块IC2（LM7805）起到二级稳压作用，输出非常稳定的5V电压，经过电容C5、C6滤波，得到平稳的5V电压，经电位器VR1、VR2分压，产生4.35V和2.75V电压，为电压比较器提供基准电压。
3电池电压、电流监测部分：电池经插接件P4接入电路。接插件P4、P5为并联关系，电压表V经接插件P5接入电路，相当于并联在电池两端，监测电池的即时电压。接插件P6与P5之间为串联关系，电流表A经接插件P6接入电路，相当于串联在电池放电回路中，监测电池的即时放电电流。
4电压比较器部分：集成块IC3（LM393）为电压比较器部分的核心元件，它内部集成了2组高精度的电压比较器。它的8脚为12V电源输入，4脚为电源地。将电池电压输入3脚、6脚，将4.35V基准电压输入5脚，将2.75V基准电压输入2脚。将输出端1脚、7脚并联在一起，接在三极管Q1的基极，控制其导通或截止。R2为三极管的偏置电阻。此种接法可实现如下功能：当电池电压为2.75V-4.35V之间时，三极管基极为高电平，三极管饱和导通，继电器接通。反之，当电压不在上述范围内时，三极管基极为低电平，三极管截止，继电器断开。
5继电器及其外围电路：J1为继电器线圈。二极管D5起保护作用，防止线圈断电瞬间产生的反向自感电动势击穿损坏三极管Q1。R1为线圈的限流电阻。继电器有2组双位的触点。第一组触点JK1-1控制电池恒流放电回路的通断，第二组触点JK1-2控制脉冲产生电路、LED指示灯电路等部分的电源通断，并通过接插件P2送至显示板。
6基准电压提升控制电路：电位器VR3起基准电压提升作用。当电池放电结束的瞬间，继电器线圈断电，触点JK1-2的常闭触点接通，12V电压经电位器VR3降压，并联在2.75V基准电压上，将基准电压提升至3.5V。这部分电路能有效防止测试结束后，因电池电压回升造成的放电重新开始。D6为隔离二极管，防止各路电压间产生干扰。
7恒流放电部分：集成块IC4（LM117）为高精度的恒流源，R3、VR4为电流控制电阻，当继电器线圈通电，触点JK1-2的常开触点接通时，这部分电路能够将电池进行电流恒定、精准的放电。
显示板电路原理详述
1电源：显示板电源取自控制板的12V电源，经插接件P1输入。
2状态指示灯：状态指示灯的电源受控制板上继电器的控制，通过接插件P2接入显示板。指示灯LED1、LED2经插接件P3、P4接入显示板，能实现在“放电”、“待机”两个状态中分别点亮。R2、R3为指示灯的限流电阻。
3脉冲产生部分：集成块CD4060内集成了一个高精度的脉冲振荡器。接在11脚、10脚、9脚的R1、VR1、C1为其外围电路。调节电位器VR1能微调其振荡频率。该集成块内部还集成了一组14级的二分频电路，能将振荡器产生的较高频率的脉冲降频214倍，从3脚输出，供计数电路使用。该集成块的12V电源由16脚输入，电源的通断受控制板上继电器的控制。9脚为电源地。
4计数电路及数码管驱动电路：集成块CD4033内集成了一组10进制计数电路和数码管驱动电路，每一块IC可驱动一只数码管。它的10脚、12脚、13脚、9脚、11脚、6脚、7脚分别驱动数码管的a、b、c、d、e、f、g段的显示。1脚为计数脉冲输入，实现每输入一个脉冲就将显示的数字+1的功能。5脚为进位脉冲输出，连接到下一块IC的1脚，实现多个集成块之间的级联，组合成5为数字的计数电路。15脚为清零脉冲输入。16脚为12V电源输入。9脚为电源地。其他各脚在本装置中没有用到，故接地（4脚除外）。个位的数码管上的小数点由电阻R6供电点亮。
5自动清零电路： 5块CD4033的15脚并联在一起，再接到C3的负极。当测量开始的瞬间，电容C3充电，向所有CD4033集成块的15脚释放一个脉冲，实现放电开始的瞬间计数器自动清零的功能。
6音乐提醒功能：集成块CL9300A为音乐集成块。电源由12V经R4降压，自1脚输入。2脚为触发端，C2在测量结束的瞬间充电，向集成块2脚释放一个脉冲，集成块自动播放一遍音乐。3脚为音乐信号输出，经三极管Q1放大后驱动扬声器。4脚为电源地。R5为扬声器限流电阻。扬声器SPEAKER经接插件P5接入电路。


装置外观及结构设计：
装置外壳及外观的整体概况：外壳整体形状为长方体，材质为塑料，体积为长25cm，宽19cm，高8cm。
装置正、背面板外观的概况：装置的正面板从左到右依次设有电压监测表、电流监测表、数字计数器及工作状态指示灯。后面板从左到右依次设有电池输入接口、扬声器、电源开关及电源输入接口。
装置内部概况：装置内部从左到右依次安装电源变压器、控制电路板、显示电路板。
外观简图：根据以上设计，绘制出装置的外观图，如下图所示。



制作：
使用万能电路板制作电路。
把塑料外壳打洞，将各部件镶嵌在面板上。
调试：
4.35V基准电压的调试：接通装置电源，将高精度电压表V0的正表笔接在控制板IC3的5脚上，负表笔接电源地。仔细调节电位器VR2，使V0的示数为4.35V。
2.75V基准电压的调试：将控制板上三极管Q1的集电极c和发射极短路。接通装置电源。将高精度电压表V0的正表笔接在控制板IC3的2脚上，负表笔接电源地。仔细调节电位器VR1，使V0的示数为2.75V。
2.75V基准电压提升电路的调试：接通装置电源，将高精度电压表V0的正表笔接在控制板IC3的5脚上，负表笔接电源地。仔细调节电位器VR3，使V0的示数为3.5V。
恒流源的调试：将充满电的锂电池BAT1按照正确的极性接入电路。断开控制板接插件P6所串联的电流表，再将高精度电流表A0串入。接通装置电源。仔细调节电位器VR4，使A0的示数为200mA。
脉冲振荡频率的调试：将控制板上三极管Q1的集电极c和发射极短路。接通装置电源。将高精度频率表f0的正表笔接在显示板IC1的7脚上，负表笔接电源地。仔细调节显示板上的电位器VR1，使f0的示数为568.89Hz。






基本功能：
能测量容量为1-9999mAh的锂电池。
正面板设有电流、电压表，监视电池当前放电状态；设有数字计数器，即时显示当前已放出的电量。
放电结束时有自动音乐提醒功能。
进行下一次测试时计数器自动归零，无需人工清零，操作方便。
电路设有多种安全保护措施，防止电池接错、误接造成的损坏及安全事故。

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这是之前的不成功的设计，显示部分是机械的，马达带动计机械计数器，后来发现马达稳速实在困难，就改成电子数显计数了。

还有图片，超出24小时内的限制了，传不上来了怎么办？？？？明天大赛就结束了

gps422129

洞洞板布局漂亮。

qie

为不懂单片机的朋友设计的，容易仿制。

mirage888

好东西，仿制容易

280445671

感谢大家的支持！！！
补发一个以前的不成功的、已经被自己否定的设计。设计思想差不多，不同的是显示部分采用稳速的马达带动机械计数器，后来发现机械稳速实在困难，误差太大，就恶补数字电路，改成数显的了

求是

纯硬件的！

无烟男人

这个纯硬件不简单！！

xp0520

功低不错！！！！！

山山

学习了！！！！！！！！！！！！！

280445671

补图，在网上买了几套电芯，今天刚到，测测容量，目前已经放出1500多mAh了

7r093

不错，都是很容易找到的元件仿制不难。

280445671

感谢支持，有一点忘说明了，最开始做的时候是按照首帖的电路图分两个洞洞板制作的。
分开是打算把所有显示部分的元件单独做一张板，固定在面板上，减少机内连线。
但是实际制作时，由于面板尺寸有限，洞洞板上元件排不开，于是就把两部分电路统一做到一块洞洞板上了。

617lyc

这个要支持，人懒，有套件吗？测量精确不？

280445671

这个要支持，人懒，有套件吗？测量精确不？
617lyc 发表于 2012-1-17 12:33

    精确程度主要取决于2点：1、恒流放电的电流精度，2、计数器计时精度。
只要制作时这两处调好了，并且能够保持稳定的话，精度就没问题。
套件暂时没有，不知道多少人感兴趣，凑齐一定人数就可以开板和备元件了。