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蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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作者：江蘇銀佳企業(yè)集團有限公司電子技術(shù)部 何朝陽 戴君 時間：2007-02-02 來源：今日電子 收藏
蓄電池在電力系統(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。但由于使用不當或者不能及時維護，經(jīng)常會導(dǎo)致蓄電池組中個別蓄電池的過放電或者早期失效。過放電或者早期失效的個別蓄電池在后備電源投入使用時,會嚴重影響整個電池組的放電容量,甚至?xí)?dǎo)致整個供電系統(tǒng)的崩潰。因此，為保證在市電被切斷時用電設(shè)備能夠安全可靠運行,避免蓄電池在長期使用過程中因個別電池過放電或者失效而引發(fā)事故帶來經(jīng)濟損失,對蓄電池進行實時在線監(jiān)測和及時的故障診斷成為蓄電池維護工作的一個極為重要 方面。本文介紹的基于STC89C58RD+微控制器的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng),能實現(xiàn)對蓄電池?zé)o論在閑置狀態(tài)還是充、放電動態(tài)過程中的狀態(tài)監(jiān)測；對蓄電池內(nèi) 部開路、短路、過壓、欠壓及過度放電等異常狀態(tài)及時報警并存儲數(shù)據(jù)以備查詢；能對2V、6Ｖ和12Ｖ多種多節(jié)電池電壓在線測量；提高了對蓄電池監(jiān)測的準確 性、自動化和智能化程度。本文具體介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件實現(xiàn)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)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)動芯片采用MC14489B，它可以驅(qū)動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，擴展的RS485接口用于多 機通信 。下面詳細介紹系統(tǒng)中STC89C58RD+、XC9572-84器件和電壓采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與實現(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：片內(nèi)含有Flash程序存儲器32Kb， DataFlash數(shù)據(jù)存儲器32Kb，RAM數(shù)據(jù)存儲器1208B，同時內(nèi)部還有看門狗（WDT）；由于ALE信號開關(guān)狀態(tài)可設(shè)置，從而降低了EMI； 具有可編程的8級中斷源4種優(yōu)先級，具有系統(tǒng)可編程（ISP）和應(yīng)用可編程（IAP）等特點，片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便。STC89C58RD+ 對系統(tǒng)的工作進行實施調(diào)度，實現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、電池電壓的測試和顯示、電池工作狀態(tài)的指示。

邏輯編程器件XC9572-84（CPLD）

由于監(jiān)測的電池節(jié)數(shù)較多，所需要I/O口較多，用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，需要74HC273、74HC00、74HC138、CD4514等多種芯片來實 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CPLD器件XC9572-84，其共有72個宏單 元，69個I/O口，1600個門，72個寄存器，可以對上述多種芯片進行集成。該器件具有在系統(tǒng)可編程能力，含有先進的數(shù)據(jù)保密特性，它可以完全保護編 程數(shù)據(jù)不被非法讀取和擦除，每個I/O口都有一個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I/O口的驅(qū)動能力強， 負載電流可達24mA。XC9572-84接收單片機傳來的數(shù)據(jù)和地址，控制各個固態(tài)繼電器（G3VM-402C）的選通以及A/D轉(zhuǎn)換的進行，達到采集 電壓的功能。采用了CPLD器件后，減少了系統(tǒng)所需器件的數(shù)量和種類，簡化了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試的精確程度,因而采集電路設(shè)計得是否適當對整個系統(tǒng)至關(guān)重要。對每節(jié)電池電壓進行測量,有兩種方法:①對每節(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單但是當電 池節(jié)數(shù)多時采集的電壓太高，不安全而且會出現(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)的負極），如此依次連接，最多可達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，電路選用運算放大器LM358作為信號放大器件，它的前級為差分 式放大器，后級為電壓跟隨器，使TLC1549得到一個穩(wěn)定的采樣電壓，如圖2所示。1VD0和1VD1采用FR104高速開關(guān)管來保護運算放大器的內(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

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



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