智能蓄電池在線監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種以單片機(jī)為核心的智能化蓄電池在線監(jiān)測儀器的設(shè)計(jì)思想和方法。該設(shè)計(jì)可取代傳統(tǒng)的標(biāo)示電池的人工測量方式，能完成對蓄電池組中每一只蓄電池的在線監(jiān)測，同時(shí)還可測量電池組的充、放電電流和電池組的自放電率。使用該儀器可改善蓄電池的維護(hù)效果，進(jìn)一步提高電池的可靠性。

關(guān)鍵詞：電源 蓄電池 單片機(jī) 在線監(jiān)測

1 引言

蓄電池是一種能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娫?。它是一種供電方便、安全可靠的直流電源，因而在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于蓄電池是一種化學(xué)反應(yīng)裝置，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)一般不易及時(shí)察覺，日常使用中的缺陷也不會(huì)立即反應(yīng)出來，因此蓄電池的保養(yǎng)維護(hù)工作至關(guān)重要。其很重要的一項(xiàng)維護(hù)工作是對電池端電壓進(jìn)行測量，由于電池組中電池的數(shù)量很多，通常只能對其標(biāo)示電池進(jìn)行測量，而無法做到對每只電池都進(jìn)行測量，因此不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常電池，而如果異常電池得不到及時(shí)處理，故障現(xiàn)象將會(huì)日益嚴(yán)重，輕則導(dǎo)致電池組容量降低，重則將出現(xiàn)反極現(xiàn)象而損壞電池組中的其它電池。

智能蓄電池在線監(jiān)測儀就是筆者為解決這一問題而設(shè)計(jì)的，其整機(jī)框圖如圖1所示。它的主要功能是對直流電源蓄電池組中每一只蓄電池的端電壓進(jìn)行巡檢。其工作方式有手動(dòng)測量、自動(dòng)測量和遙控測量三種。自動(dòng)測量又分為實(shí)時(shí)檢測和定時(shí)檢測，定時(shí)檢測的時(shí)間間隔可根據(jù)用戶要求設(shè)定。遙控測量是在集中監(jiān)控情況下，由上位機(jī)通過本儀器接口向儀器發(fā)送測量命令，在接收到命令后由儀器開始測量，并將測量數(shù)據(jù)及判定結(jié)果送到上位機(jī)。手動(dòng)測量由用戶通過操作面板啟動(dòng)測量。手動(dòng)測量的結(jié)果可立即由打印機(jī)打印出來，而自動(dòng)測量和遙控測量得到的結(jié)果將存于機(jī)內(nèi)，并可隨時(shí)用手動(dòng)操作方式將其打印出來。該儀器還有判定越限及報(bào)警功能，如發(fā)現(xiàn)異常電池，則立即發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)將異常電池的組號、序號、電壓值、檢測日期及時(shí)間打印出來。此外，本儀器還可測量電池組的充、放電電流，監(jiān)測電池組的自放電率，并可計(jì)算電池組的充、放電容量和電池組的效率。

2 工作原理和電池

本儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分在于它的采集器。對蓄電池組進(jìn)行測量要考慮的首要問題是每只蓄電池之間都有電位的聯(lián)系，由于電池組中的電池?cái)?shù)量較多，整組電壓很高，因此直接測量比較困難。目前對蓄電池組監(jiān)測的采集方式都是采用雙刀繼電器進(jìn)行切換，如圖2所示。由力疔見，每一只電池的兩端都與一只雙刀繼電器的兩對常開接點(diǎn)相連接。這樣當(dāng)繼電器都不動(dòng)作時(shí)，所有電池均與測量回路斷開。當(dāng)需要測量某只電池時(shí)，所對應(yīng)的那只繼電器閉合，以使該電池的負(fù)端接到測量電池地，電池的正端經(jīng)緩沖器進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。此時(shí)其它電池與測量電路仍處于隔離狀態(tài)，因而對測量沒有影響。用此方法雖可完成對電池組的測量，但需要的繼電器太多，儀器的體積大，功耗和成本及故障率也較高。而本設(shè)計(jì)采用的則是一種懸浮測量方法進(jìn)行采樣，其原理如圖3所示。它是利用模擬開關(guān)完成對被測量的電池的切換。兩片模擬開關(guān)采用差動(dòng)方式連接，模擬開關(guān)的工作電源均由所測量的差動(dòng)方式連接，模擬開關(guān)的工作電池均由所測量的蓄電池來提供。這樣就解決了電池組的電池?cái)?shù)量多、電壓高、難以測量的問題。為了保證蓄電池組的電壓不影響測量系統(tǒng)的工作，本設(shè)計(jì)采用光電耦合器來進(jìn)行隔離，從而構(gòu)成了懸浮采樣系統(tǒng)。該懸浮系統(tǒng)的工作過程為：單片機(jī)通過控制端CA、CB來同時(shí)控制模擬開關(guān)A1和A2。如果控制模擬開關(guān)同時(shí)選中輸入端I2，則模擬開關(guān)A1輸出端OUT1輸出電池E2的正端電壓，而模擬開關(guān)A2的輸出端OUT2輸出則是E2的負(fù)端電壓。如果將OUT2接到測量系統(tǒng)的地電平，OUT1接到測量系統(tǒng)的信號輸入端，那么測量結(jié)果即是電池E2的值。這樣，單片機(jī)通過控制CA和CB就可完成對E1～E4的端電壓的測量。此種懸浮采樣方式利用獨(dú)特的采樣方法來完成對蓄電池組的測量。它的特點(diǎn)是采樣器體積小、功耗低、成本低。用單片機(jī)作為整機(jī)的核心部件，它既可完成對蓄電池的采樣控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，又可負(fù)責(zé)人機(jī)對話、輸入控制命令、設(shè)置參數(shù)、輸出顯示數(shù)據(jù)、輸出打印數(shù)據(jù)以及輸出報(bào)警信號，還可通過通訊接口接受命令和發(fā)送數(shù)據(jù)及報(bào)警信號。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，單片機(jī)通過采集器接口控制采集器，以完成對被測電池的選擇，被測信號通過緩沖器輸入到A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號再經(jīng)光電耦合器隔離后進(jìn)入單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，并存儲起來，最后將根據(jù)要求輸出數(shù)據(jù)或報(bào)警信號。

3 軟件設(shè)計(jì)

本裝置的系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由匯編語言編程的若干子程序塊組成。其中包括主程序，數(shù)據(jù)采集及處理子程序，超限判斷及報(bào)警子程序，人機(jī)對話及打印子程序，中斷處理子程序等。

系統(tǒng)主程序用于完成儀器的自檢和初始化。自檢包括RAM工作區(qū)、A/D轉(zhuǎn)換器及其模擬采樣通道、串口及打印機(jī)等的自檢。初始化將對儀器初始狀態(tài)給予設(shè)定，包括定時(shí)器和串口的設(shè)定及分配、中斷系統(tǒng)的開放、看門狗的啟動(dòng)等。主程序的最后部分是執(zhí)行指令以使其進(jìn)入空閑狀態(tài)。本裝置所監(jiān)測的對象是蓄電池，除了在電池的充電和放電過程中需要對它們進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測外，其它情況下均為每隔一定的時(shí)間時(shí)隔測量一次。因此，本裝置的測量方式分為手動(dòng)控制、遙控及定時(shí)三種。任何被開放的中斷都能夠喚醒醒單片機(jī)，本儀器的外部中斷0用于響應(yīng)鍵盤信號，外部中斷1用于響應(yīng)時(shí)鐘芯片MC146818產(chǎn)生的秒脈沖定時(shí)信號，串行口的中斷則響應(yīng)上位機(jī)的指令。顯然，這三種測量方式都可以終止單片機(jī)的休眠并使它退出空閑狀態(tài)。手動(dòng)控制是操作人員通過操作儀器面板上的“測量”鍵來使儀器響應(yīng)中斷0的。而定時(shí)控制通過日歷時(shí)鐘芯片的定時(shí)信號使儀器響應(yīng)中斷1。遙控信號是上位機(jī)通過串口RS232或485發(fā)出測量信號，以使儀器響應(yīng)串口中斷。

數(shù)據(jù)采集子程序用來完成對電池組電壓進(jìn)行測量及處理。即將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀入單片機(jī)并經(jīng)運(yùn)算后得到電池電壓值。然后調(diào)用超限判斷子程序進(jìn)行越限判斷，并在加上標(biāo)識后存入當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)。由于該儀器可以存儲30天的歷史數(shù)據(jù)，因此每次測量之后都需將歷史數(shù)據(jù)區(qū)最早存入的數(shù)據(jù)移出數(shù)據(jù)區(qū)，同時(shí)將當(dāng)前數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)區(qū)。所以當(dāng)測量結(jié)束后，還要進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)區(qū)的更新。

人機(jī)對話程序的功能是管理儀器并接受操作人員的命令，包括時(shí)鐘的設(shè)定及修正、定時(shí)時(shí)間設(shè)定、打印命令、測量命令等。此外，還將按照操作人員的意志進(jìn)行電池組當(dāng)前數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)的顯示和打印等。

4 結(jié)束語

蓄電池組作為備用電池，往往不允許電源有間斷，因此對電池組的性能要求是比較高的。傳統(tǒng)的對蓄電池端電壓的測量依靠人工來進(jìn)行，使用的是手持式數(shù)字萬用表，這樣既浪費(fèi)時(shí)間，又浪費(fèi)人力，而且測量過程中也難免引入人為誤差。直流電源系統(tǒng)在線監(jiān)測儀是以單片機(jī)為核心的智能儀器，它采樣原理新穎、方法獨(dú)特、測試精度高、可靠性好、性能價(jià)格比高。可對蓄電池組中每一只蓄電池實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，也可替代傳統(tǒng)的人工標(biāo)示電池測量以完成全體電池的自動(dòng)測量、存儲及打印。因而使用該儀器省時(shí)、省力還可提高測量的準(zhǔn)確度。它的廣泛使用可大大提高蓄電池的維護(hù)效果，并可盡早發(fā)現(xiàn)電池的缺陷，以使其得到及時(shí)處理，達(dá)到延長電池壽命的目的。