在现代世界中，几乎从您的手持式手机，数字温度计，智能手表到电动汽车，飞机，卫星甚至在火星上使用的漫游者机器人上，几乎每个电子产品都使用电池，电池的续航时间约为700溶胶（火星日）。可以肯定地说，如果不发明这些电化学存储设备（也称为电池），就不会有我们所知道的世界。铅酸电池，镍镉电池，锂离子电池等电池的种类很多。随着技术的发展，锂空气电池，固态锂电池等发明的新型电池的性能越来越高。储能能力和高工作温度范围。在前面的文章中，我们已经讨论了有关电池及其工作原理的更多信息。在本文中，我们将学习如何设计一个简单的 使用运算放大器的12V电池电量指示。
尽管电池电量是一个模糊的术语，因为除非使用电池管理系统进行复杂的计算和测量，否则我们无法真正测量电池中剩余的电量。但是在简单的应用中，我们没有这种方法的奢侈之处，因此我们通常采用简单的基于开路电压的电池电量估算方法，该方法对于12V铅酸蓄电池来说非常有效，因为它们的放电曲线在13.8V至10.1V范围内几乎呈线性关系，通常将其视为上限和下限。以前我们还建立了一个基于Arduino的电池电量指示器和一个多电池电压监控电路，如果您有兴趣，也可以检查一下。
在这个项目中，我们将在基于四通道比较器基于OPAMP的IC LM324的帮助下设计并构建一个12V电池电量指示器，这使我们可以在单个芯片上使用四个基于OPAMP的比较器。我们将测量电池电压，并使用LM324 IC将其与预定电压进行比较，并驱动LED来显示我们得到的输出。让我们跳进去吧，好吗？
所需组件
- LM324四路运算放大器IC
- 4×LED灯（红色）
- 1×2.5kΩ电阻
- 5×1kΩ电阻
- 1×1.6kΩ电阻
- 4×0.5kΩ电阻
- 14针IC座
- PCB螺丝端子
- 冲浪板
- 焊接套件
LM324四路运算放大器IC
LM324是一个四通道运算放大器IC，集成了四个由通用电源供电的运算放大器。差分输入电压范围可以等于电源电压的范围。默认输入失调电压非常低，幅度为2mV。在环境温度下，工作温度范围为0°C至70°C，而最大结温可高达150°C。通常，运算放大器可以执行数学运算，并且可以在各种配置中使用，例如放大器，电压跟随器，比较器等。因此，通过在单个IC中使用四个运算放大器，可以节省电路空间和复杂性。它可以由单个电源在-3V至32V的宽电压范围内供电，这足以在该电路上进行高达24V的电池电量测试。
12V电池电量指示器的电路图
12V电池指示器中使用的完整电路可在下面找到。我在下图中使用了9V电池进行说明，但假设它是12V电池。
如果您不喜欢图形电路，则可以查看下面的示意图。这里的Vcc和Ground是分别必须连接到12V电池正极和负极的端子。
现在，让我们继续了解电路的工作原理。为了简单起见，我们可以将电路分为两个不同的部分。
参考电压部分：
首先，我们需要确定要在电路中测量的电压电平，然后可以相应地设计基于电阻的分压器电路。在此电路中，D2是参考齐纳二极管，额定值为5.1V 5W，因此它将在其两端将输出调节至5.1V。在它的GND上串联有4个1k电阻，因此每个电阻上的压降约为1.25V，我们将用它与电池电压进行比较。用于比较的参考电压约为5.1V，3.75V，2.5V和1.25V。
此外，还有另一个分压器电路，我们将使用该电路将电池电压与齐纳两端连接的分压器提供的电压进行比较。该分压器很重要，因为通过配置其分压器，您将确定想要点亮相应LED的电压点。在该电路中，我们串联选择了1.6k电阻和1.0k电阻，以提供2.6的分压系数。
因此，如果电池的上限为13.8V，则分压器给出的相应电压将为13.8 / 2.6 = 5.3V，大于齐纳二极管的第一个参考电压给出的5.1V，因此所有LED均将为如果电池电压为12.5V（即既未充满电也未完全放电）点亮，则对应的电压将为12.5 / 2.6 = 4.8V，这意味着该电压小于5.1V但大于其他三个参考电压，因此三个LED将点亮，一个不会。因此，通过这种方式，我们可以确定点亮单个LED的电压范围。
比较器和LED部分：
在电路的这一部分中，我们仅驱动不同的LED以获得不同的电压电平。由于IC LM324是基于OPAMP的比较器，因此每当特定OPAMP的同相端处于比反相端更高的电位时，OPAMP输出将被拉高至大约VCC电压电平，在本例中为电池电压。这里的LED不会点亮，因为LED的阳极和阴极上的电压都相等，因此不会有电流流过。如果反相端子的电压高于同相端子的电压，则OPAMP的输出将下拉至GND电平，因此LED将点亮，因为其端子之间存在电位差。
在我们的电路中，我们已将每个OPAMP的同相端子连接到跨电池连接的分压器电路的1kΩ电阻，并且反相端子连接到与跨齐纳二极管连接的分压器不同的电压电平。因此，每当电池分配的电压低于该OPAMP的相应参考电压时，输出就会拉高，并且LED不会如前所述发光。
挑战与改进：
这是估算电池电压的一种相当粗糙且基本的方法，您可以通过添加一个附加电阻，该电阻与跨接在5.1V齐纳二极管两端的分压器串联，进一步修改它以读取所选电压范围。这样，您可以在较小的范围内获得更高的精度，从而可以在较小的范围内识别出更多的电压水平，以用于实际应用，例如铅酸电池。
如果需要条形图，还可以为不同的电压电平连接不同颜色的LED。为了使电路更简单，我只使用了一个LM324，可以使用n个比较器IC和n个电阻器，并与参考电压齐纳二极管串联，可以根据需要比较多个参考电压这将进一步提高指标的准确性。
建立和测试我们的12V电池电量指示器
现在，当我们完成电路的设计时，我们需要在性能板上制造它。如果需要，还可以先在面包板上对其进行测试，以查看其工作情况并调试可能在电路中看到的错误。如果您希望省去将所有组件焊接在一起的麻烦，则还可以在AutoCAD Eagle，EasyEDA或Proteus ARES或您喜欢的任何其他PCB设计软件上设计自己的PCB。
由于LM324可以在-3V至32V的广泛电源范围内工作，因此您不必担心为LM324 IC提供任何单独的电源，因此我们只使用了一对PCB螺丝端子，直接连接到电池端子并为整个PCB供电。您可以使用此电路检查最小5.5V至最大15V的电压电平。我强烈建议您在齐纳两端的分压器中串联一个电阻，并减小每个LED的电压范围。
如果您想将电压测试范围从12V增加到24V，因为LM324能够测试高达24V的电池，则只需更改跨电池连接的分压器的分压系数，使其可与给定的电压水平相比通过齐纳基准电路，并且使与LED连接的电阻加倍，以保护它免受流过它们的大电流的影响。
您也可以在下面的视频中找到本教程的全部内容。希望您喜欢本教程并从中学到有用的东西，如果您有任何疑问，请将其留在评论部分，或者您可以将我们的论坛用于其他技术问题。