智能蓄電池在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)量方式，能完成對(duì)蓄電池組中每一只蓄電池的在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)還可測(cè)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(cè)

1 引言

蓄電池是一種能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，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(guó)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(jué)，日常使用中的缺陷也不會(huì)立即反應(yīng)出來(lái)，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(duì)電池端電壓進(jìn)行測(cè)量，由于電池組中電池的數(shù)量很多，通常只能對(duì)其標(biāo)示電池進(jìn)行測(cè)量，而無(wú)法做到對(duì)每只電池都進(jìn)行測(cè)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(cè)儀就是筆者為解決這一問(wèn)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(duì)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(cè)量、自動(dòng)測(cè)量和遙控測(cè)量三種。自動(dòng)測(cè)量又分為實(shí)時(shí)檢測(cè)和定時(shí)檢測(cè)，定時(shí)檢測(cè)的時(shí)間間隔可根據(jù)用戶要求設(shè)定。遙控測(cè)量是在集中監(jiān)控情況下，由上位機(jī)通過(guò)本儀器接口向儀器發(fā)送測(cè)量命令，在接收到命令后由儀器開(kāi)始測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)及判定結(jié)果送到上位機(jī)。手動(dòng)測(cè)量由用戶通過(guò)操作面板啟動(dòng)測(cè)量。手動(dòng)測(cè)量的結(jié)果可立即由打印機(jī)打印出來(lái)，而自動(dòng)測(cè)量和遙控測(cè)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(lái)。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(hào)，同時(shí)將異常電池的組號(hào)、序號(hào)、電壓值、檢測(cè)日期及時(shí)間打印出來(lái)。此外，本儀器還可測(cè)量電池組的充、放電電流，監(jiān)測(cè)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(duì)蓄電池組進(jìn)行測(cè)量要考慮的首要問(wèn)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(cè)量比較困難。目前對(duì)蓄電池組監(jiān)測(cè)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(jiàn)，每一只電池的兩端都與一只雙刀繼電器的兩對(duì)常開(kāi)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(cè)量回路斷開(kāi)。當(dāng)需要測(cè)量某只電池時(shí)，所對(duì)應(yīng)的那只繼電器閉合，以使該電池的負(fù)端接到測(cè)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(cè)量電路仍處于隔離狀態(tài)，因而對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響。用此方法雖可完成對(duì)電池組的測(cè)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(cè)量方法進(jìn)行采樣，其原理如圖3所示。它是利用模擬開(kāi)關(guān)完成對(duì)被測(cè)量的電池的切換。兩片模擬開(kāi)關(guān)采用差動(dòng)方式連接，模擬開(kāi)關(guān)的工作電源均由所測(cè)量的差動(dòng)方式連接，模擬開(kāi)關(guān)的工作電池均由所測(cè)量的蓄電池來(lái)提供。這樣就解決了電池組的電池?cái)?shù)量多、電壓高、難以測(cè)量的問(wèn)題。為了保證蓄電池組的電壓不影響測(cè)量系統(tǒng)的工作，本設(shè)計(jì)采用光電耦合器來(lái)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(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)控制端CA、CB來(lái)同時(shí)控制模擬開(kāi)關(guān)A1和A2。如果控制模擬開(kāi)關(guān)同時(shí)選中輸入端I2，則模擬開(kāi)關(guān)A1輸出端OUT1輸出電池E2的正端電壓，而模擬開(kāi)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(cè)量系統(tǒng)的地電平，OUT1接到測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)輸入端，那么測(cè)量結(jié)果即是電池E2的值。這樣，單片機(jī)通過(guò)控制CA和CB就可完成對(duì)E1～E4的端電壓的測(cè)量。此種懸浮采樣方式利用獨(dú)特的采樣方法來(lái)完成對(duì)蓄電池組的測(cè)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(duì)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(duì)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(hào)，還可通過(guò)通訊接口接受命令和發(fā)送數(shù)據(jù)及報(bào)警信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，單片機(jī)通過(guò)采集器接口控制采集器，以完成對(duì)被測(cè)電池的選擇，被測(cè)信號(hào)通過(guò)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(hào)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(chǔ)起來(lái)，最后將根據(jù)要求輸出數(shù)據(jù)或報(bào)警信號(hào)。

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(yǔ)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(duì)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(duì)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(kāi)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(cè)的對(duì)象是蓄電池，除了在電池的充電和放電過(guò)程中需要對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外，其它情況下均為每隔一定的時(shí)間時(shí)隔測(cè)量一次。因此，本裝置的測(cè)量方式分為手動(dòng)控制、遙控及定時(shí)三種。任何被開(kāi)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(hào)，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(hào)，串行口的中斷則響應(yīng)上位機(jī)的指令。顯然，這三種測(cè)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(guò)操作儀器面板上的“測(cè)量”鍵來(lái)使儀器響應(yīng)中斷0的。而定時(shí)控制通過(guò)日歷時(shí)鐘芯片的定時(shí)信號(hào)使儀器響應(yīng)中斷1。遙控信號(hào)是上位機(jī)通過(guò)串口RS232或485發(fā)出測(cè)量信號(hào)，以使儀器響應(yīng)串口中斷。

數(shù)據(jù)采集子程序用來(lái)完成對(duì)電池組電壓進(jìn)行測(cè)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(shí)后存入當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)。由于該儀器可以存儲(chǔ)30天的歷史數(shù)據(jù)，因此每次測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(yǔ)

蓄電池組作為備用電池，往往不允許電源有間斷，因此對(duì)電池組的性能要求是比較高的。傳統(tǒng)的對(duì)蓄電池端電壓的測(cè)量依靠人工來(lái)進(jìn)行，使用的是手持式數(shù)字萬(wàn)用表，這樣既浪費(fèi)時(shí)間，又浪費(fèi)人力，而且測(cè)量過(guò)程中也難免引入人為誤差。直流電源系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)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(cè)試精度高、可靠性好、性能價(jià)格比高?？蓪?duì)蓄電池組中每一只蓄電池實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，也可替代傳統(tǒng)的人工標(biāo)示電池測(cè)量以完成全體電池的自動(dòng)測(cè)量、存儲(chǔ)及打印。因而使用該儀器省時(shí)、省力還可提高測(cè)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(zhǎng)電池壽命的目的。