一種新型的應(yīng)急電源蓄電池巡檢系統(tǒng)

0 引言
消防應(yīng)急電源在近兒年得到迅猛發(fā)展[1]，它安裝于建筑物供電系統(tǒng)中，在市電正常的情況下由市電供電，市電斷電時(shí)，要求應(yīng)急電源啟動(dòng)。其直流供電系統(tǒng)采用閥控式鉛酸蓄電池(VRLAB)，根據(jù)功率大小，所采用的蓄電池節(jié)數(shù)跟容量也不盡相同。目前國(guó)內(nèi)在lO～110 kW系列中，大部分均采用40節(jié)單體電壓為12v的蓄電池串聯(lián)供給逆變器。蓄電池作為應(yīng)急電源能量的源泉，其穩(wěn)定正常的運(yùn)行是應(yīng)急電源工作的前提。目前在消防應(yīng)急電源系統(tǒng)中，主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄電池的在線電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池狀態(tài)的監(jiān)控。本文針對(duì)傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，提出了一種新型的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出新型系統(tǒng)。

l 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的消防應(yīng)急電源蓄電池實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)蓄電池電壓的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)繼電器切換的方式[2]，即輪流吸合每一節(jié)蓄電池對(duì)應(yīng)的繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池電壓信號(hào)采集，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路之后送顯示控制芯片，通過(guò)數(shù)碼管顯示蓄電池單體電壓，基本電路如圖1所示。

這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，目前FEPS中大部分均采用這種電路。但這種電路由于前級(jí)依賴(lài)于繼電器的切換，而電磁繼電器的壽命一般不超過(guò)105次，動(dòng)作時(shí)間約為lOms，不適合長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，難免增加產(chǎn)品的維修率[2]。其次，由于這種設(shè)計(jì)中甚至沒(méi)有主控芯片，除了顯示之外幾乎無(wú)任何其他功能。而在FEPS系統(tǒng)中，蓄電池巡檢系統(tǒng)與系統(tǒng)控制器的數(shù)據(jù)通信是非常必要的，控制器必須時(shí)刻關(guān)注蓄電池狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上作出各種控制指令。

2 新型設(shè)計(jì)
2.l 系統(tǒng)硬件電路
系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，下面具體闡述其各部分的實(shí)現(xiàn)。

2.l.l前級(jí)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
調(diào)理電路完成蓄電池電壓的采集和調(diào)理，主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、隔離和放大，變成能被A／D芯片可以接受的信號(hào)。本設(shè)計(jì)中采用NaIionalsemcondutor公司的普通雙運(yùn)放LM358與TOSHIBA公司的雙光耦TLP521―2來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電器切換，并完成信號(hào)調(diào)理。蓄電池組中電池是串接在一起的，以單節(jié)蓄電池為例其調(diào)理電路如圖3所示。

此部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的草點(diǎn)，也是保證精度的前提。在蓄電池電壓正常取值范圍9～15V之內(nèi)，電路必須保持足夠的線性度，而且由于蓄電池工作一定時(shí)間或者在不同環(huán)境下溫度會(huì)有變化，要求在一15℃～50℃范圍內(nèi)正常工作，這就對(duì)系統(tǒng)的溫飄抑制能力提出比較高的要求。LM358供電電壓范圍為3～30V，正常工作情況下工作電流為l~2mA?？紤]到我們采用的12V蓄電池，其正常浮充電壓范圍為13.2~13.68V；循環(huán)用充電電壓范圍為14.O～14.4V。根據(jù)國(guó)標(biāo)的規(guī)定，在其低于正常電壓的85％，即lO.2V時(shí)報(bào)警，這樣蓄電池的正常電壓范圍便包含在3~30V的范圍內(nèi)，故前級(jí)運(yùn)放就可以采用單體蓄電池直接供電[1]。
由于電路自身對(duì)非線性的強(qiáng)抑制能力，光耦不必采用昂貴的線性光耦．可以采用廉價(jià)的普通雙光耦TLP521-2。其中一個(gè)用作輸出，另一個(gè)作為反饋，反饋是用來(lái)補(bǔ)償發(fā)光二極管時(shí)間、溫度特性的非線性。為了保證輸出二極管產(chǎn)生的輸出信號(hào)與LED發(fā)出的伺服光通量呈線性比例，在選擇器件時(shí)，兩個(gè)光耦合器的特性應(yīng)盡量保持一致，而采用雙光耦正好町以滿足這個(gè)要求。輸出端所接的電壓跟隨器是為了保證輸出電壓的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步保證電路的線性度，保證光耦的調(diào)節(jié)能力，我們?cè)谳斎硕舜腚娮鑂2，使得前級(jí)運(yùn)放的輸入與其工作電壓之間存在一定的裕度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此電路的線性度與抑制溫漂能力足以滿足系統(tǒng)的要求[3]。
在對(duì)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，選擇高精度溫度傳感器LM35，工作電壓4~30V，測(cè)量范圍為一55℃一150℃。其輸出電壓跟溫度成線性比例關(guān)系，溫度每增加l℃，輸出電壓增加1OmV。采用TO一92封裝，有3只引腳：電源、輸出和地。輸出經(jīng)過(guò)放大后可直接送A／D。2.l.2數(shù)據(jù)處理部分設(shè)計(jì)調(diào)理過(guò)后的電壓在濾波之后送人A／D，A／D芯片選用Texas Instrument公司的高速串行轉(zhuǎn)換芯
片TLC2543，轉(zhuǎn)換時(shí)間為lOμs，轉(zhuǎn)換結(jié)果具有12位的長(zhǎng)度，對(duì)于本設(shè)汁的電壓范圍具有足夠高的精度。有11路模擬輸入通道，只需要4根線與單片機(jī)相連，分別為地址線，數(shù)據(jù)線，時(shí)鐘線與片選線。
單片機(jī)選用Atmel公司的嵌入式單片機(jī)AT90S8515，速度高，功耗低，有8k字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器，512字節(jié)的EEPROM，512字節(jié)的SRAM。
2.l.3通訊顯示部分設(shè)計(jì)
與控制器間采用RS一485通訊模式，采用Modibus通訊協(xié)議的RTU方式。上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)格式為：從機(jī)地址字節(jié)命令字節(jié)開(kāi)始地址高字節(jié)一開(kāi)始地址低字節(jié)讀數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)高字節(jié)一讀數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)低字節(jié)校驗(yàn)低字節(jié)校驗(yàn)高字節(jié)。下位機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)格式：從機(jī)地址字節(jié)一命令字節(jié)一返回字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)高字節(jié)一數(shù)據(jù)低字節(jié)一校驗(yàn)低字節(jié)一校驗(yàn)高字節(jié)。采用CRC校驗(yàn)。
顯示通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片HD7279A來(lái)實(shí)現(xiàn)．?dāng)?shù)碼管選高亮度的，滿足國(guó)標(biāo)中對(duì)顯示的高亮度要求。
2.2 系統(tǒng)軟件
采用C語(yǔ)言編程，在ICCAVR集成環(huán)境中編譯生成輸出文件，在AVR stdio中調(diào)試下載。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮顯示與通訊之間互不影響，系統(tǒng)在不顯示的時(shí)候，也可以與控制器通信。確定顯示一節(jié)的時(shí)間為2s，通訊數(shù)據(jù)幀之間的最長(zhǎng)時(shí)間不超過(guò)20ms。程序流程圖如圖4所示。在硬件部分的設(shè)計(jì)中，選用3個(gè)按鍵分別表示打開(kāi)顯示、繼續(xù)和關(guān)閉顯示。繼續(xù)足針對(duì)于當(dāng)有電池電壓超限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)使數(shù)碼管顯示停止在超限電池上，不再顯示下一節(jié)，直到按鍵2被按下，系統(tǒng)接著顯示下節(jié)電池。

3 結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)已集成到某公司的FEPS中，該產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)國(guó)家公安部有關(guān)部門(mén)的檢驗(yàn)，完傘符合國(guó)標(biāo)中的要求。由于電路本身的設(shè)計(jì)克服了線性度與溫漂方面的影響，測(cè)量精度得到明顯改善，優(yōu)于基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，實(shí)用性大大加強(qiáng)。本設(shè)計(jì)是針對(duì)應(yīng)急電源設(shè)計(jì)的，也可以應(yīng)用在其他領(lǐng)域的蓄電池巡檢上。開(kāi)發(fā)時(shí)考慮到系統(tǒng)的通用性問(wèn)題，支持OPC標(biāo)準(zhǔn)，可以與具有同樣標(biāo)準(zhǔn)的上位機(jī)相連，便于集成到其它監(jiān)控系統(tǒng)中。另外，本系統(tǒng)還可以用組態(tài)軟件做上位界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、查詢、記錄歷史情況，方便分析事故原因。