Monitor de duração da bateria no circuito PIC

Eu tenho um pequeno circuito usando um chip de microcontrolador PIC18F14F50 que está registrando dados em um chip EEPROM externo por uma interface i2c (que eu posso ler posteriormente mais tarde na interface USB). Uma amostra é registrada a cada 15 minutos e não precisa ser cronometrada com precisão específica.

Tudo bem se as amostras forem perdidas ou incorretas, enquanto as baterias estiverem sendo trocadas, mas não será ótimo se as baterias expirarem e nenhum dado for gravado por vários dias até que alguém perceba.

Então, eu gostaria de avisar o usuário quando a bateria estiver fraca em tempo suficiente para substituí-lo. A corrente média está abaixo de 2mA e estou usando 3 pilhas alcalinas AA em série para fornecer 4,5 volts, então eu esperaria que durassem vários dias.

Mas eu estou querendo saber como detectar que a bateria está fraca? Presumo que a tensão caia à medida que as baterias atingem o fim da vida útil. Estou pensando que este PIC tem uma tensão de referência de 1.024v, para que eu possa dividir a tensão de alimentação e alimentá-la em uma entrada analógica e quando a tensão dividida cair abaixo desse sinal, é acionado um aviso.

Mas não sei o suficiente sobre baterias para saber como isso funcionará? E não sei que voltagem escolher que indicaria que talvez restem 10 a 20% da vida útil da bateria. Será que isso funciona mesmo? Existe uma abordagem melhor?

Isso não precisa ser totalmente preciso, eu só quero dar um bom aviso com bastante tempo sem que as pessoas descartem as baterias que ainda têm vida útil.

Como meu uso atual é razoavelmente constante, um temporizador simples seria razoável se eu conseguisse calcular quanto tempo as baterias duram em média e depois escolher 85% desse tempo antes de emitir o aviso? Ou a duração da bateria varia mais do que isso?

Qualquer ideia será bem-vinda.

Primeiro, deixe-me comentar sobre o circuito do temporizador. Isso funcionará, desde que as pilhas tenham relativamente a mesma idade e sejam mantidas nas mesmas condições. Nos 6 meses em que você ainda estiver usando isso e as baterias estiverem 6 meses mais antigas, será necessário atualizar o cronômetro. Solução funcional, mas não a melhor.

Você pode dividir a tensão da sua entrada com uma rede de resistores com tensão alta o suficiente para não afetar sua vida útil (você pode usar uma rede que carrega, basta substituir as baterias com mais frequência). Há um problema: você precisa carregar uma bateria para ver o valor real da vida útil restante. Você descobrirá que quanto mais carregada é a bateria, mais a curva de descarga se parece com uma linha. Nunca será uma linha, ainda haverá fases claras, mas você pode correlacionar de forma confiável a tensão das baterias carregadas com sua vida útil restante.

Se o seu PIC estiver ativado durante a medição, você provavelmente obterá uma medição decente. Faça com que a foto gaste tempo medindo sua bateria e observe a curva de tensão resultante até que o dispositivo morra. Se a curva permanecer relativamente plana e cair repentinamente e as baterias esgotarem, convém usar um transistor e resistor de carga para aumentar o consumo de corrente durante as medições da bateria. Há uma grande quantidade de informações sobre baterias na universidade de baterias. Freqüentemente, os microcontroladores falham em puxar corrente suficiente para obter uma curva inclinada o tempo todo (vi esse problema com uma potência ultra baixa de uC, como o MSP430). Você provavelmente ficará bem apenas com o PIC em execução.

A pesquisa sobre a química das baterias AA obteve alguns resultados. Parece que eles mostram curvas de descarga bastante planas com correntes baixas (<500 mA). Isso significa que você provavelmente desejará um circuito de descarga do resistor acoplado a um transistor para permitir que as medições de tensão sejam mais valiosas.

Por favor, perdoe-me se isso não estava claro o suficiente. Se você comentar e fazer perguntas ou sugestões, eu irei atualizá-lo.

Sim, a tensão da bateria cairá, mas a queda é pequena, digamos meio volt:

Se você usar um divisor de tensão para colocar isso na faixa ADC, também estará dividindo a faixa. Eu acho que isso ainda é mensurável diretamente com o ADC. 5 V / (2 ^ 10) = 0,005 V, com desvio de ± 3 LSb e erros de ganho; portanto, ainda existem vários níveis de medição entre cheio e vazio?

Para medir o carregamento e o descarregamento da bateria com precisão, as pessoas mantêm um registro da quantidade de corrente que está sendo extraída com um resistor com sensor de corrente e decidem que a bateria está fraca após a passagem de uma certa carga. Se o seu sorteio atual for relativamente constante, sim, você pode usar um cronômetro para fazer a mesma coisa. Execute-o algumas vezes, meça a quantidade de tempo até considerar que a bateria está descarregada e use um temporizador no futuro para adivinhar quando está prestes a morrer. Você está usando pilhas novas toda vez?

Eu acho que a única maneira sólida de monitorar um sistema como esse é um tipo de organização semelhante a um cão de guarda: faça com que outro sistema, com alimentação separada , verifique-o de tempos em tempos (ou espere por um sinal) e, se não estiver respondendo, alerta.

Você também pode usar esse sistema separado para verificar a bateria. Ele não sofrerá como a bateria principal esteja morta, o que matará qualquer sistema de monitoramento que esteja acabando com a bateria principal. Se você pode organizar um monitor de bateria que funcione com uma bateria pequena, como uma célula tipo moeda, e garantir que ela dure mais que a bateria principal, isso deve fazer o trabalho.

Se você não deseja ou não pode ter uma segunda fonte de energia, os outros comentários parecem conter sugestões muito boas para o auto-monitoramento.

Você pode obter uma referência de tensão muito mais precisa com um amplificador operacional (use um com um pino de habilitação, para que possa ser facilmente desligado) e apenas ajuste seu circuito na faixa de tensão que deseja medir: 0V a 0,8V, e 3.3V a 1.1V. Se estiver saturado, você sabe que tem bastante carga e não parece precisar de um monitor, apenas um alarme.

Além disso, certifique-se de medir várias vezes (ou usar um resistor de detecção de corrente), em vez de assumir que uma queda de tensão é causada por uma bateria que está acabando. Não é - a voltagem da bateria depende da corrente de descarga e da carga restante. Um pico de corrente pode causar uma grande queda de tensão, mas a bateria se recupera quando é removida. Consulte a Figura 9 da folha de dados alcalina da Energizer.

Se possível, meça a voltagem de uma bateria alcalina AA logo após ter sido carregada por sua carga normal (dispositivo) e você interrompeu a corrente de carga, quando ela cai abaixo de 0,9V por bateria AA, suas baterias estão esgotadas. Eu faço isso com muitos produtos que eu projetei e funciona perfeitamente. As baterias alcalinas normais se recuperam após a remoção de uma carga, mas isso leva tempo, dependendo da corrente de carga. Às vezes, isso pode levar minutos ou até horas, dependendo da temperatura e da corrente de carga. Ao medi-lo durante o uso constante com uma pequena corrente, você terá que obter uma tensão mais alta, dependendo da sua corrente, mas normalmente 1,2 V é bom para um dispositivo que usa apenas 5 mA.