基于AVR單片機(jī)的智能蓄電池巡檢系統(tǒng)

2 主要功能模塊的設(shè)計(jì)概要

2.1 主監(jiān)控模塊
高性能的8位單片機(jī)Atmega128是采用精簡指令集RISC(reduced instruction Set CPU)結(jié)構(gòu)的新型單片機(jī)，高速度、低功耗，執(zhí)行一條指令僅需一個(gè)時(shí)鐘周期；內(nèi)置看門狗Watchdog定時(shí)器，防止程序走飛；片內(nèi)有128KB Flash程序存儲(chǔ)器，4KB EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4KBRAM存儲(chǔ)器；多達(dá)48個(gè)I／0端121，34個(gè)不同的中斷源；除擁有普通異步串行通信接口外，還擁有同步串行SPI接121、雙線串行TwI接121、ISP下載和JTAG仿真等功能；工作電壓范圍寬，電源抗干擾性能較強(qiáng)。作為電池巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能模塊，主監(jiān)控模塊以Atmega128為核心，外部擴(kuò)展了串行EEPROM24c512和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1307。該模塊對電池組電壓、充放電流和和兩路溫度進(jìn)行采樣并處理，通過電子開關(guān)對放電進(jìn)行控制，并通過鍵盤及液晶顯示接口進(jìn)行按鍵的處理和系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)顯示，其原理框圖如圖4所示。該模塊對上位機(jī)提供RS232、RS485兩種串行通訊方式，并可提供1 200、2 400、4 800和9 600四種通訊波特率。對電池檢測單元模塊提供RS485接口，并可以根據(jù)這些模塊的通信要求來制定具體的通信協(xié)議。

2．1．1 蓄電池總電壓、充放電電流采樣

在直流系統(tǒng)中，蓄電池組都是由很多個(gè)單體電池串聯(lián)在一起供電的，而且充電機(jī)給蓄電池充電也不是單體充電，而是對整個(gè)串聯(lián)在一起的蓄電池一起充電，根據(jù)蓄電池組的總電壓和充放電電流大小來判斷蓄電池組的物理狀態(tài)，進(jìn)而采取合理的充電方式。并且測試單體電池內(nèi)阻時(shí)，需根據(jù)放電電流進(jìn)行計(jì)算。因此，需要對蓄電池組的總電壓和充放電電流進(jìn)行采樣。通過適時(shí)采樣電池組組端電壓和電流，記錄其變化情況，可以綜合分析電池組的整體性能。充放電電流的采集是通過電流傳感器(采用霍爾傳感器)將測量的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過采樣電路送至單片機(jī)。蓄電池總電壓的采集是通過光繼電器進(jìn)行隔離，經(jīng)過電阻的分壓送單片機(jī)，通過單片機(jī)自帶AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2．1．2 溫度采樣
環(huán)境溫度對蓄電池使用壽命的影響較大，溫度升高
時(shí)，蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時(shí)消耗更多的水，從而使電池壽命縮短；溫度太低，會(huì)使得電池容量降低，充電接收能力下降，充放電循環(huán)減弱，壽命下降。所以在蓄電池管理單元的設(shè)計(jì)中設(shè)置有環(huán)境溫度檢測單元，對蓄電池的充放電進(jìn)行溫度補(bǔ)償。監(jiān)測電池表面溫度亦可對電池性能進(jìn)行較準(zhǔn)確的評估，蓄電池組中個(gè)別電池的失效會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)造成影響。損壞的電池由于真內(nèi)阻增大，在充放電過程中其功耗亦會(huì)大于其它正常電池，故其表面溫度會(huì)高于其它電池。當(dāng)其表面溫度與其它電池相比超限時(shí)，則可認(rèn)為此節(jié)電池已損壞。溫度的采集是通過溫度傳感器(采用的TMP35溫度傳感器)將溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)采樣電路送至單片機(jī)，通過單片機(jī)自帶AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2．1．3 單體電池內(nèi)阻測量
多年的研究和運(yùn)用表明，蓄電池內(nèi)阻可作為其容量和完好性的有效指標(biāo)，在蓄電池的老化過程中，其內(nèi)阻的上升明顯早于充電時(shí)端電壓的提高，直到內(nèi)阻上升了6O％以上時(shí)，端電壓才有明顯的增大，電池內(nèi)阻具有很好的預(yù)測性，可以用來評估和預(yù)測蓄電池的性能，因?yàn)樾铍姵氐膬?nèi)阻與容量及其完好性有著密切的關(guān)系，這種方法越來越受人們重視。蓄電池內(nèi)部阻抗檢測方法分為交流檢測法和直流檢測法兩種。采用交流檢測法測量時(shí)，首先在蓄電池上加上一個(gè)交流測試信號(hào)，該信號(hào)的頻率的選擇應(yīng)保證測量過程不受電容的影響，然后測量流過蓄電池的電流和電池兩端產(chǎn)生的交流電壓，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算出電池的內(nèi)部阻抗。但交流檢測法抗干擾能力差，容易受外部噪聲源的影響。采用直流檢測法，在電池組兩端接入放電負(fù)載，對蓄電池進(jìn)行瞬間大電流放電，然后測量電池端電壓在放電過程中的瞬間變化和放電電流值，據(jù)此導(dǎo)出電池內(nèi)部阻抗值。本巡檢系統(tǒng)采用的是直流檢測法。蓄電池從浮充狀態(tài)切換到放電狀態(tài)，即停止充電后，電池回落到某平衡電位，接入放電負(fù)載后，電壓發(fā)生階躍變化。這樣，內(nèi)阻的計(jì)算不能使用浮充電壓和放電工作電壓的差值來計(jì)算，使用開路平衡電位與放電工作電壓的差值時(shí)也不夠穩(wěn)定。因此，在放電過程改變電流可以克服平衡電位不穩(wěn)定的因素。采用式(1)，根據(jù)在不同電流(JI、J2)下的電壓(ul—u2)變化來計(jì)算內(nèi)阻值。

2．2 放電模塊
放電模塊采用了大功率的電子負(fù)載技術(shù)，能瞬間承受高達(dá)100A(或200A)的沖擊電流，以實(shí)現(xiàn)對電池負(fù)荷能力的檢測。放電模塊也可作為長時(shí)間5～30A放電負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對電池容量的核對性測試及電池性能的活化。當(dāng)來自主監(jiān)控模塊的信號(hào)指示放電時(shí)，放電負(fù)載接通，電池通過負(fù)載放電，同時(shí)電壓采集模塊將快速采集電池電壓每一變化量。除對主監(jiān)控模塊的開關(guān)指令外，放電模塊內(nèi)部也設(shè)有計(jì)時(shí)器，當(dāng)放電超時(shí)時(shí)，將切斷放電回路，即使電子開關(guān)損壞，放電回路也將被切斷，從而大大提高了放電模塊的工作可靠性。放電模塊還沒有過流、超溫等異常保護(hù)。同時(shí)放電模塊工作時(shí)還受控于交流市電，在放電時(shí)如發(fā)生交流市電失電，放電模塊將自動(dòng)終止放電，保證直流系統(tǒng)向負(fù)載供電。

2．3 電池巡檢模塊
電池組單體電池電壓是最可靠的電池特征。蓄電池的監(jiān)測量中，單體電壓是一重要參數(shù)，是判斷單體電池故障的重要依據(jù)。單體電池電壓的檢測方法有構(gòu)造電阻網(wǎng)絡(luò)提取電壓、v／F轉(zhuǎn)換無觸點(diǎn)采樣和繼電器切換提取電壓等。前兩種方法存在誤差積累、電路參數(shù)匹配和溫度影響等問題。本系統(tǒng)采用光繼電器無觸點(diǎn)切換，提取電壓的方法電路簡單，并實(shí)現(xiàn)對每個(gè)測量端口進(jìn)行隔離。保證了測量有良好的安全性及高精度。其原理如圖5所示。

電池檢測模塊亦采用了高性能的8位Atmega128單片機(jī)，單片機(jī)通過74HC138E／k譯碼器控制光繼電器的導(dǎo)通和電平轉(zhuǎn)換電路的切換。CPU控制信號(hào)通過控制光繼電器實(shí)現(xiàn)每次只將一個(gè)電池正負(fù)極切入電平轉(zhuǎn)換電路，從而將單節(jié)電池電壓引出，經(jīng)過采樣電路后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A／I)轉(zhuǎn)換。該測量方案由于對電池端電壓為直接采樣，不需要大量的分壓電阻，沒有誤差積累的情況，也沒有壓頻轉(zhuǎn)換中受溫度影響的問題，所測電壓就較準(zhǔn)確，并且測量電路利用單片機(jī)內(nèi)置的1O位A／I)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而保證了測量精度。在軟件上采用遞推平均濾波算法來保證測量的精度。測量的結(jié)果通過RS485通信接口與主監(jiān)控模塊進(jìn)行通信。

3 結(jié)束語
以單片機(jī)Atmega128為核心的智能電池巡檢監(jiān)控系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，采樣顯示精度高，報(bào)警、控制準(zhǔn)確度高，通訊誤碼率低。同時(shí)，特別易于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，實(shí)際應(yīng)用前景廣闊。