89C51單片機智能語(yǔ)音撥號報警系統的設計

　　TFX4-20ma電流環(huán)專(zhuān)用ic93293有高電壓、高?ps壓力傳感器8??、循環(huán)壽命長(cháng)、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池，在便攜式電子設備、電動(dòng)boost升壓電路原理0、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面具有廣闊的應用前景。由若干節鋰離子電池經(jīng)串聯(lián)組成的動(dòng)力鋰離子電池組目前應用最為廣泛。由于每節單體電池的電壓不一致，使用中電池不允許過(guò)充電、過(guò)放電，電池的性能和壽命受溫度影響較大等特點(diǎn)，必須對串聯(lián)鋰離子電池組進(jìn)行監測，確保在使用中鋰離子電池具有良好的狀態(tài)，或者使用中電池出現問(wèn)題立即報警，電源管理系統立即采取保障措施，并提醒相關(guān)人員檢修。單體電壓和電池組的溫度是辨別串聯(lián)鋰離子電池組是否正常工作的主要技術(shù)指標。文獻[1]采用直接采樣法，將要測量的單體電池電壓存儲在非電容上進(jìn)行測量。該方法反應時(shí)間慢、誤差較大、控制復雜; 文獻[2]采用運放和光藕繼電器來(lái)測量串聯(lián)電池組的單體電壓。該方法對太陽(yáng)能發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)7的線(xiàn)性度要求很高，導致硬件成本較高。目前，直接采用集成芯片的串聯(lián)鋰離子電池組監控系統受到青睞，但該方法串聯(lián)電池的數目固定，導致應用不靈活、硬件成本高等缺點(diǎn)。文中研制了一種動(dòng)力鋰離子電池組監測系統，對串聯(lián)鋰離子電池組的單體電壓和電池組的溫度進(jìn)行在線(xiàn)監測，當單體電池電壓偏離規定區間時(shí)，監測系統啟動(dòng)報警程序進(jìn)行聲、光報警; 當電池組溫度偏離規定的區間時(shí)，監測系統啟動(dòng)風(fēng)扇或加熱控制電路，并存儲有關(guān)數據，確保電池組正常工作。整個(gè)監測系統具有連續測量分量、簡(jiǎn)單經(jīng)濟、精度高和可靠性高的特點(diǎn)。

　　1 技術(shù)和方案

　　1. 1 系統結構

　　串聯(lián)鋰離子電池組監測系統包括采用51 系列單片機的核心控制模塊、鋰離子電池組狀態(tài)智能家居33、信號調理模塊，報警及處理系統模塊，監測系統可以通過(guò)RS485 接口與PC 機組成分布式監測系統，實(shí)現一臺PC 監測多個(gè)串聯(lián)電池組，系統結構電機驅動(dòng)51如圖1 所示。

　　狀態(tài)采集模塊包括對單體電池的電壓和電池組的溫度等參數進(jìn)行采集，然后待測量信號進(jìn)行處理，通過(guò)A/D轉換器采樣后傳輸給單片機進(jìn)行數據處理，將有效數據通過(guò)串口傳到本地PC 機，監測人員可以通過(guò)對狀態(tài)數據的進(jìn)行分析從而掌握電池組的工作情況，對不安全的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的處理，確保其工作的可靠性。

　　圖1 串聯(lián)鋰離子電池組監測系統結構圖

　　1. 2 串聯(lián)鋰離子電池組的共地問(wèn)題

　　串聯(lián)鋰離子電池組電壓測量的方法有多種，最簡(jiǎn)單的是電阻分壓測量方法，該方法缺點(diǎn)是大阻值電阻的漂移誤差和電阻漏電流導致測量精度低，且影響電池組的一致性。另外一種較為常用的方法是每一個(gè)單體電池用一個(gè)隔離模擬路燈控制系統0，但是它的體積大且價(jià)格高，適于測量精度要求高且不考慮漏電流和成本的場(chǎng)合。設計選用德州儀器公司的INA117 來(lái)解決串聯(lián)鋰離子電池組的共地問(wèn)題[3].INA117 的失真為0. 001%; 共模擬制比最小86 d電子世界1共模輸入電壓范圍± 200 V，適合于高精度的測量。

　　INA117 內置了380 kΩ、20 kΩ 和21. 1 kΩ3 個(gè)電阻，因此外部電路省去精密電阻，減少了精密電阻帶來(lái)的誤差和系統復雜程度。圖2 是INA117 輸出1 節電池電壓的接法，6 腳和1 腳之間的電壓就是1 節電池兩端的電壓差。

　　圖2 INA117 輸出電壓是兩輸入電壓之差的接法

　　該檢測系統采用16 個(gè)INA117 分別把16 節鋰離子電池的單體電壓挑選出來(lái)。如果它們的1 腳都接相同的地，就可以使16 個(gè)INA117 都有相同的信號地，A/D 轉換器進(jìn)行采樣。共地點(diǎn)選在第8 節電池負極和第9 節電池正極的連接處。

　　每節鋰離子電池最高電壓為5 V，由圖3 可得，第1 個(gè)INA117 的3 腳的輸入電勢最高為40 V.同理，第16 個(gè)INA117 的2 腳輸入電勢最低為- 40 V.第1 至8 個(gè)INA117 的輸出電壓為正，第9 至16 個(gè)INA117 的輸出電壓為負，所以多選一模擬開(kāi)關(guān)和A/D 轉換器都要求可以輸入正、負電壓。多選一模擬開(kāi)關(guān)選用MUX16，為16 選1 可正負電壓輸入模擬開(kāi)關(guān)，因此16節電池只需1 個(gè)MUX16.但由于單片機IO 口有限，文中用一片74LS154 擴展了IO 口，僅用單片機的4 個(gè)IO 口即可控制MUX16 分別選通單節鋰離子電池進(jìn)行電壓采樣。

　　圖3 16 個(gè)INA117 的共地點(diǎn)接法

　　1. 3 A/D 轉換器

　　監測電池組無(wú)需用很高的采樣速度采樣每節電池的電壓，16 節電池電壓的采樣共用1 個(gè)A/D 轉換器[4]。各節電池輸入的測量電壓通過(guò)多選一模擬開(kāi)關(guān)MUX16 與A/D 轉換器連接。根據電池電壓的更新周期和電壓要求，A/D 轉換器傳送給單片機的電壓轉換值誤差最大為10 mV.選擇美信公司MAX1272.

　　MAX1272 是具有故障保護、可通過(guò)軟件選擇輸入范圍的12 位串行模擬數字轉換器，使用SPI 三線(xiàn)通信協(xié)議，+ 5 V 供電，模擬輸入電壓范圍0 ~ 10 V，0 ~ 5 V，± 10 V，± 5 V.內部自帶+ 4. 096 V 參考電壓。當采用內部+ 4. 096 V 參考電壓時(shí)，理想情況下模擬電壓輸入對應的數字輸出，如表1 所示。

　　表1 理想情況下模擬電壓輸入對應的數字輸出

　　由表1 可知，MAX1272 輸出的數字量最高位是符號位，余下的11 位是數據。負數以補碼的形式給出。

　　參考電壓為+ 4. 096 V 時(shí)，1LSB = 1. 220 7 mV.

　　MAX1272 的最大量化誤差，加上非線(xiàn)性、失調等誤差的影響，總誤差約為5 mV.INA117 精度高，正常情況下，誤差在1 mV 以?xún)?。因此，使用INA117 和MAX1272 的組合，可以滿(mǎn)足串聯(lián)鋰離子電池組電池監測系統在電壓誤差10 mV 以下的要求。需要更高的電壓精度，需要選用更高分辨率的A/D 轉換器。

　　MAX1272 的線(xiàn)路連接圖如圖4 所示。

　　圖4 MAX1272 的線(xiàn)路連接圖

　　圖4 中MAX1272 采用了內部參考電壓，6 腳VREF 和地之間接2. 2 μF 鉭電容和0. 1 μF 陶瓷電容。

　　PCB 布線(xiàn)時(shí)，這兩個(gè)電容都要求盡量接近MAX1272。

　　1. 4 溫度監測

　　針對串聯(lián)電池組，傳統的測溫方法多采用模擬溫度傳感器進(jìn)行測量，在數據的采集和傳輸過(guò)程中易受外界環(huán)境的干擾，從而使測得的結果誤差較大，且當測量點(diǎn)較多時(shí)，連線(xiàn)較復雜。文中采用單片機和單地鐵視頻監控系統0數字式溫度傳感器DS18B20 來(lái)解決上述問(wèn)題[5]。其原理如圖5 所示。

　　圖5 溫度巡回檢測系統框圖

　　采用外部5 V 供電，總線(xiàn)上可掛接多片DS18B20，且可以同時(shí)進(jìn)行精確的溫度轉換，而無(wú)需外接驅動(dòng)電路。測溫范圍- 55 ~ + 125 ℃; 測溫精度： 在- 10 ~+ 85 ℃范圍內的精度為± 0. 5 ℃; 在溫度采集過(guò)程中，單片機芯片需對DS18B20 發(fā)命令字，同時(shí)也需要讀取由DS18B20 采集到的溫度。因此，單片機控制器的I /O必須被設置為具有雙向傳輸數據能力。

　　本檢測系統每隔一節鋰離子電池在總線(xiàn)上掛接一片DS18B20，設置8 個(gè)溫度監測點(diǎn)，同時(shí)檢測8 點(diǎn)溫度。實(shí)際應用時(shí)由單片機軟件判斷出需要顯示的溫度值： 當溫度高于10 ℃時(shí)，顯示8 個(gè)溫度點(diǎn)中最高的溫度值; 當溫度低于10 ℃時(shí)，顯示8 個(gè)溫度點(diǎn)中最低的溫度值，達到有效合理的溫度監控效果。

　　1. 5 風(fēng)扇及加熱控制電路

　　對于電池的散熱問(wèn)題，設計了風(fēng)扇控制電路，通過(guò)對測量到的電池溫度值進(jìn)行判斷，決定風(fēng)扇的開(kāi)啟或關(guān)閉。當溫度過(guò)高時(shí)，單片機將發(fā)出信號開(kāi)啟風(fēng)扇。

　　電路如圖6 所示，FAN 為低電平時(shí)，晶體管9014 不導通，此時(shí)繼電器無(wú)動(dòng)作; 當FAN 為高電平時(shí)，晶體管9014 導通，使得繼電器觸點(diǎn)吸合，風(fēng)扇在24 V 電源電壓的供電下開(kāi)始工作。

　　圖6 風(fēng)扇控制電路

　　對于應用環(huán)境復雜的串聯(lián)鋰離子電池組，除了要考慮溫度過(guò)高的情況，還要考慮溫度過(guò)低的情況。因為電池在溫度過(guò)低的環(huán)境下運行時(shí)，會(huì )使鋰離子活性變差，嵌入和脫出能力下降，容易在石墨晶體表面沉積，形成鋰金屬。形成的鋰金屬會(huì )與電解液發(fā)生不可逆的反應。

　　如果鋰離子電池長(cháng)期在低溫下工作，則將使電池的容量下降明顯。因此根據需要設計了加熱器控制電路，原理如風(fēng)扇控制電路。

　　2 監測系統的性能

　　實(shí)測證明，使用INA117、16 選1 模擬開(kāi)關(guān)MUX16、MAX1272、51 單片機和DS18B20 的串聯(lián)鋰離子電池組監測系統監測16 節3. 7 V 鋰離子電池，電壓的測量誤差完全在10 mV 以?xún)?。溫度方面，由于DS18B20 精度較高，溫度誤差在1 ℃以?xún)?。電壓和溫度的測量均達到要求，系統運行可靠。當串聯(lián)鋰離子電池組任何一節電池電壓< 2. 2 V 時(shí)，單片機調用輕度報警程序進(jìn)行聲光報警，并通報存在問(wèn)題的電池。

　　當串聯(lián)鋰離子電池組任何一節電池電壓> 5 V 時(shí)，單片機調用嚴重報警程序進(jìn)行聲光報警。如果溫度值超出預設溫度值的容許范圍，串聯(lián)鋰離子電池組監測系統進(jìn)行聲光報警。風(fēng)扇和加熱控制電路均能根據設定溫度正常啟動(dòng)控制電路。當溫度低于5 ℃時(shí)，啟動(dòng)加熱控制電路; 溫度高于50 ℃時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇控制電路。

　　3 結束語(yǔ)

　　串聯(lián)鋰離子電池組檢測系統，采用高共模抑制比差分運放INA117 解決了共地問(wèn)題，監測電壓誤差正負10 mV，如要進(jìn)一步提高檢測精度，可以選用高位A/D轉換器。檢測時(shí)，鋰離子電池是串聯(lián)接在檢測模塊上的，要保證接線(xiàn)正確。根據實(shí)際應用，可把幾個(gè)檢測系統串接起來(lái)檢測更多的串聯(lián)鋰離子電池組，但要確保共模電壓不超過(guò)INA117 的最大保護共模電壓范圍。

　　參考文獻

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