智能蓄電池在線監(jiān)測儀的設計

摘要：介紹一種以單片機為核心的智能化蓄電池在線監(jiān)測儀器的設計思想和方法。該設計可取代傳統(tǒng)的標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效果，進一步提高電池的可靠性。

關(guān)鍵詞：電源 蓄電池 單片機 在線監(jiān)測

1 引言

蓄電池是一種能將電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，使用時再將化學能轉(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)濟的各個領域得到了廣泛的應用。由于蓄電池是一種化學反應裝置，其內(nèi)部的化學反應一般不易及時察覺，日常使用中的缺陷也不會立即反應出來，因此蓄電池的保養(yǎng)維護工作至關(guān)重要。其很重要的一項維護工作是對電池端電壓進行測量，由于電池組中電池的數(shù)量很多，通常只能對其標示電池進行測量，而無法做到對每只電池都進行測量，因此不易及時發(fā)現(xiàn)異常電池，而如果異常電池得不到及時處理，故障現(xiàn)象將會日益嚴重，輕則導致電池組容量降低，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計的，其整機框圖如圖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行巡檢。其工作方式有手動測量、自動測量和遙控測量三種。自動測量又分為實時檢測和定時檢測，定時檢測的時間間隔可根據(jù)用戶要求設定。遙控測量是在集中監(jiān)控情況下，由上位機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。手動測量由用戶通過操作面板啟動測量。手動測量的結(jié)果可立即由打印機打印出來，而自動測量和遙控測量得到的結(jié)果將存于機內(nèi)，并可隨時用手動操作方式將其打印出來。該儀器還有判定越限及報警功能，如發(fā)現(xiàn)異常電池，則立即發(fā)出報警信號，同時將異常電池的組號、序號、電壓值、檢測日期及時間打印出來。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

本儀器設計的關(guān)鍵部分在于它的采集器。對蓄電池組進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數(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相連接。這樣當繼電器都不動作時，所有電池均與測量回路斷開。當需要測量某只電池時，所對應的那只繼電器閉合，以使該電池的負端接到測量電池地，電池的正端經(jīng)緩沖器進入A/D轉(zhuǎn)換器。此時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。而本設計采用的則是一種懸浮測量方法進行采樣，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)采用差動方式連接，模擬開關(guān)的工作電源均由所測量的差動方式連接，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數(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，本設計采用光電耦合器來進行隔離，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：單片機通過控制端CA、CB來同時控制模擬開關(guān)A1和A2。如果控制模擬開關(guān)同時選中輸入端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特的采樣方法來完成對蓄電池組的測量。它的特點是采樣器體積小、功耗低、成本低。用單片機作為整機的核心部件，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，又可負責人機對話、輸入控制命令、設置參數(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)及報警信號。在數(shù)據(jù)采集時，單片機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入單片機，在單片機內(nèi)進行處理，并存儲起來，最后將根據(jù)要求輸出數(shù)據(jù)或報警信號。

3 軟件設計

本裝置的系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，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，超限判斷及報警子程序，人機對話及打印子程序，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、串口及打印機等的自檢。初始化將對儀器初始狀態(tài)給予設定，包括定時器和串口的設定及分配、中斷系統(tǒng)的開放、看門狗的啟動等。主程序的最后部分是執(zhí)行指令以使其進入空閑狀態(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行實時監(jiān)測外，其它情況下均為每隔一定的時間時隔測量一次。因此，本裝置的測量方式分為手動控制、遙控及定時三種。任何被開放的中斷都能夠喚醒醒單片機，本儀器的外部中斷0用于響應鍵盤信號，外部中斷1用于響應時鐘芯片MC146818產(chǎn)生的秒脈沖定時信號，串行口的中斷則響應上位機的指令。顯然，這三種測量方式都可以終止單片機的休眠并使它退出空閑狀態(tài)。手動控制是操作人員通過操作儀器面板上的“測量”鍵來使儀器響應中斷0的。而定時控制通過日歷時鐘芯片的定時信號使儀器響應中斷1。遙控信號是上位機通過串口RS232或485發(fā)出測量信號，以使儀器響應串口中斷。

數(shù)據(jù)采集子程序用來完成對電池組電壓進行測量及處理。即將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀入單片機并經(jīng)運算后得到電池電壓值。然后調(diào)用超限判斷子程序進行越限判斷，并在加上標識后存入當前數(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)，同時將當前數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)區(qū)。所以當測量結(jié)束后，還要進行歷史數(shù)據(jù)區(qū)的更新。

人機對話程序的功能是管理儀器并接受操作人員的命令，包括時鐘的設定及修正、定時時間設定、打印命令、測量命令等。此外，還將按照操作人員的意志進行電池組當前數(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行，使用的是手持式數(shù)字萬用表，這樣既浪費時間，又浪費人力，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)測儀是以單片機為核心的智能儀器，它采樣原理新穎、方法獨特、測試精度高、可靠性好、性能價格比高。可對蓄電池組中每一只蓄電池實現(xiàn)在線監(jiān)測，也可替代傳統(tǒng)的人工標示電池測量以完成全體電池的自動測量、存儲及打印。因而使用該儀器省時、省力還可提高測量的準確度。它的廣泛使用可大大提高蓄電池的維護效果，并可盡早發(fā)現(xiàn)電池的缺陷，以使其得到及時處理，達到延長電池壽命的目的。