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蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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作者:江蘇銀佳企業(yè)集團(tuán)有限公司電子技術(shù)部 何朝陽(yáng) 戴君 時(shí)間:2007-02-02 來源:今日電子 收藏
在電力系統(tǒng)中是一種必備的后備電源且數(shù)量較多, 其使用壽命和安全可靠性倍受用戶關(guān)注。但由于使用不當(dāng)或者不能及時(shí)維護(hù),經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致組中個(gè)別的過放電或者早期失效。過放電或者早期失效的個(gè)別蓄電池在后備電源投入使用時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)電池組的放電容量,甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)的崩潰。因此,為保證在市電被切斷時(shí)用電設(shè)備能夠安全可靠運(yùn)行,避免蓄電池在長(zhǎng)期使用過程中因個(gè)別電池過放電或者失效而引發(fā)事故帶來經(jīng)濟(jì)損失,對(duì)蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和及時(shí)的故障診斷成為蓄電池維護(hù)工作的一個(gè)極為重要 方面。本文介紹的基于STC89C58RD+微控制器的蓄電池在線,能實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池?zé)o論在閑置狀態(tài)還是充、放電動(dòng)態(tài)過程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè);對(duì)蓄電池內(nèi) 部開路、短路、過壓、欠壓及過度放電等異常狀態(tài)及時(shí)報(bào)警并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以備查詢;能對(duì)2V、6V和12V多種多節(jié)電池電壓在線測(cè)量;提高了對(duì)蓄電池監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確 性、自動(dòng)化和智能化程度。本文具體介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

蓄電池在線是以STC89系列的STC89C58RD+微控制器、XILINX的XC9572-84為核心,外圍電路主要由電壓采集電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路及鍵盤電路等幾部分組成的,如圖1所示。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用10位ADC TLC1549。顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用MC14489B,它可以驅(qū)動(dòng)5位共陰極數(shù)碼管,微控制器的P1口的低5位作為鍵盤輸入口,擴(kuò)展的RS485接口用于多 機(jī)通信 。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)中STC89C58RD+、XC9572-84器件和電壓采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

  圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

微控制器STC89C58RD+簡(jiǎn)介

STC89C58RD+是STC89系列的微控制器,它不但與80C51完全兼容,而且還有新的特點(diǎn):片內(nèi)含有Flash程序存儲(chǔ)器32Kb, DataFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器32Kb,RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1208B,同時(shí)內(nèi)部還有看門狗(WDT);由于ALE信號(hào)開關(guān)狀態(tài)可設(shè)置,從而降低了EMI; 具有可編程的8級(jí)中斷源4種優(yōu)先級(jí),具有系統(tǒng)可編程(ISP)和應(yīng)用可編程(IAP)等特點(diǎn),片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便。STC89C58RD+ 對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行實(shí)施調(diào)度,實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、電池電壓的測(cè)試和顯示、電池工作狀態(tài)的指示。

邏輯編程器件XC9572-84(

由于監(jiān)測(cè)的電池節(jié)數(shù)較多,所需要I/O口較多,用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,需要74HC273、74HC00、74HC138、CD4514等多種芯片來實(shí) 現(xiàn),器件種類和數(shù)量多,使PCB的尺寸加大,也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。本系統(tǒng)選用XILINX系列的器件XC9572-84,其共有72個(gè)宏單 元,69個(gè)I/O口,1600個(gè)門,72個(gè)寄存器,可以對(duì)上述多種芯片進(jìn)行集成。該器件具有在系統(tǒng)可編程能力,含有先進(jìn)的數(shù)據(jù)保密特性,它可以完全保護(hù)編 程數(shù)據(jù)不被非法讀取和擦除,每個(gè)I/O口都有一個(gè)可編程輸出擺率控制位從而可減小系統(tǒng)噪聲,采用具有較低功耗的快速閃存技術(shù),每個(gè)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng), 負(fù)載電流可達(dá)24mA。XC9572-84接收單片機(jī)傳來的數(shù)據(jù)和地址,控制各個(gè)固態(tài)繼電器(G3VM-402C)的選通以及A/D轉(zhuǎn)換的進(jìn)行,達(dá)到采集 電壓的功能。采用了器件后,減少了系統(tǒng)所需器件的數(shù)量和種類,簡(jiǎn)化了PCB的排版和布線,減小了系統(tǒng)體積和節(jié)約成本,方便了系統(tǒng)調(diào)試,有利于批量化生產(chǎn)。

電壓采集電路

  圖2 電壓采集電路

電壓采集電路

電壓采集電路直接影響到電壓測(cè)試的精確程度,因而采集電路設(shè)計(jì)得是否適當(dāng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。對(duì)每節(jié)電池電壓進(jìn)行測(cè)量,有兩種方法:①對(duì)每節(jié)電池電 壓直接采集。②采集(n+1)節(jié)電池的總電壓,減去n節(jié)電池的總電壓得第n+1節(jié)電池電壓。第一種電壓采集精確而且安全。第二種雖然電路比較簡(jiǎn)單但是當(dāng)電 池節(jié)數(shù)多時(shí)采集的電壓太高,不安全而且會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。因此選用第一種方法。電壓采集電路要求要安全,采集的電壓要足夠的穩(wěn)定。本系統(tǒng)的蓄電池組采用串 接方式,BAT1+接第一節(jié)電池的正極,BAT2+接第二節(jié)的正極(第一節(jié)的負(fù)極),如此依次連接,最多可達(dá)41節(jié)。經(jīng)過XC9572-84模擬開關(guān)選通 G3VM-402C后,將1~n節(jié)電池電壓依次釋放到電壓總線BUS1+、BUS1-上,電路選用運(yùn)算放大器LM358作為信號(hào)放大器件,它的前級(jí)為差分 式放大器,后級(jí)為電壓跟隨器,使TLC1549得到一個(gè)穩(wěn)定的采樣電壓,如圖2所示。1VD0和1VD1采用FR104高速開關(guān)管來保護(hù)運(yùn)算放大器的內(nèi)部 電路。差分式放大倍數(shù)為A=0.2,具體推導(dǎo)如下:

(Ua-Up)/1R12=Up/1R14; ①

(Ub-Un)/1R11=(Un-Vo)/1R13;②

注意運(yùn)放的“虛短”特點(diǎn),有Up=Un;結(jié)合①、②兩式得到Vo=((1R11+1R13)/1R11)



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