智能蓄電池在線(xiàn)監測儀的設計

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

關(guān)鍵詞：電源 蓄電池 單片機 在線(xiàn)監測

1 引言

蓄電池是一種能將電能轉化為化學(xué)能儲存起來(lái)，使用時(shí)再將化學(xué)能轉變?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(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。由于蓄電池是一種化學(xué)反應裝置，其內部的化學(xué)反應一般不易及時(shí)察覺(jué)，日常使用中的缺陷也不會(huì )立即反應出來(lái)，因此蓄電池的保養維護工作至關(guān)重要。其很重要的一項維護工作是對電池端電壓進(jìn)行測量，由于電池組中電池的數量很多，通常只能對其標示電池進(jìn)行測量，而無(wú)法做到對每只電池都進(jìn)行測量，因此不易及時(shí)發(fā)現異常電池，而如果異常電池得不到及時(shí)處理，故障現象將會(huì )日益嚴重，輕則導致電池組容量降低，重則將出現反極現象而損壞電池組中的其它電池。

智能蓄電池在線(xiàn)監測儀就是筆者為解決這一問(wèn)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(jìn)行巡檢。其工作方式有手動(dòng)測量、自動(dòng)測量和遙控測量三種。自動(dòng)測量又分為實(shí)時(shí)檢測和定時(shí)檢測，定時(shí)檢測的時(shí)間間隔可根據用戶(hù)要求設定。遙控測量是在集中監控情況下，由上位機通過(guò)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(kāi)始測量，并將測量數據及判定結果送到上位機。手動(dòng)測量由用戶(hù)通過(guò)操作面板啟動(dòng)測量。手動(dòng)測量的結果可立即由打印機打印出來(lái)，而自動(dòng)測量和遙控測量得到的結果將存于機內，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警功能，如發(fā)現異常電池，則立即發(fā)出報警信號，同時(shí)將異常電池的組號、序號、電壓值、檢測日期及時(shí)間打印出來(lái)。此外，本儀器還可測量電池組的充、放電電流，監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(jìn)行測量要考慮的首要問(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數量較多，整組電壓很高，因此直接測量比較困難。目前對蓄電池組監測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常開(kāi)接點(diǎn)相連接。這樣當繼電器都不動(dòng)作時(shí)，所有電池均與測量回路斷開(kāi)。當需要測量某只電池時(shí)，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(jìn)入A/D轉換器。此時(shí)其它電池與測量電路仍處于隔離狀態(tài)，因而對測量沒(méi)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(jìn)行采樣，其原理如圖3所示。它是利用模擬開(kāi)關(guān)完成對被測量的電池的切換。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量的差動(dòng)方式連接，模擬開(kāi)關(guān)的工作電池均由所測量的蓄電池來(lái)提供。這樣就解決了電池組的電池數量多、電壓高、難以測量的問(wèn)題。為了保證蓄電池組的電壓不影響測量系統的工作，本設計采用光電耦合器來(lái)進(jìn)行隔離，從而構成了懸浮采樣系統。該懸浮系統的工作過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C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的負端電壓。如果將OUT2接到測量系統的地電平，OUT1接到測量系統的信號輸入端，那么測量結果即是電池E2的值。這樣，單片機通過(guò)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(lái)完成對蓄電池組的測量。它的特點(diǎn)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、數據采集和數據處理，又可負責人機對話(huà)、輸入控制命令、設置參數、輸出顯示數據、輸出打印數據以及輸出報警信號，還可通過(guò)通訊接口接受命令和發(fā)送數據及報警信號。在數據采集時(shí)，單片機通過(guò)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(guò)緩沖器輸入到A/D轉換器MC14433，經(jīng)A/D轉換后的數字信號再經(jīng)光電耦合器隔離后進(jìn)入單片機，在單片機內進(jìn)行處理，并存儲起來(lái)，最后將根據要求輸出數據或報警信號。

3 軟件設計

本裝置的系統軟件采用模塊化設計，由匯編語(yǔ)言編程的若干子程序塊組成。其中包括主程序，數據采集及處理子程序，超限判斷及報警子程序，人機對話(huà)及打印子程序，中斷處理子程序等。

系統主程序用于完成儀器的自檢和初始化。自檢包括RAM工作區、A/D轉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(shí)器和串口的設定及分配、中斷系統的開(kāi)放、看門(mén)狗的啟動(dòng)等。主程序的最后部分是執行指令以使其進(jìn)入空閑狀態(tài)。本裝置所監測的對象是蓄電池，除了在電池的充電和放電過(guò)程中需要對它們進(jìn)行實(shí)時(shí)監測外，其它情況下均為每隔一定的時(shí)間時(shí)隔測量一次。因此，本裝置的測量方式分為手動(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，本儀器的外部中斷0用于響應鍵盤(pán)信號，外部中斷1用于響應時(shí)鐘芯片MC146818產(chǎn)生的秒脈沖定時(shí)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(dòng)控制是操作人員通過(guò)操作儀器面板上的“測量”鍵來(lái)使儀器響應中斷0的。而定時(shí)控制通過(guò)日歷時(shí)鐘芯片的定時(shí)信號使儀器響應中斷1。遙控信號是上位機通過(guò)串口RS232或485發(fā)出測量信號，以使儀器響應串口中斷。

數據采集子程序用來(lái)完成對電池組電壓進(jìn)行測量及處理。即將A/D轉換器轉換的結果讀入單片機并經(jīng)運算后得到電池電壓值。然后調用超限判斷子程序進(jìn)行越限判斷，并在加上標識后存入當前數據區。由于該儀器可以存儲30天的歷史數據，因此每次測量之后都需將歷史數據區最早存入的數據移出數據區，同時(shí)將當前數據存入歷史數據區。所以當測量結束后，還要進(jìn)行歷史數據區的更新。

人機對話(huà)程序的功能是管理儀器并接受操作人員的命令，包括時(shí)鐘的設定及修正、定時(shí)時(shí)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(jìn)行電池組當前數據或歷史數據的顯示和打印等。

4 結束語(yǔ)

蓄電池組作為備用電池，往往不允許電源有間斷，因此對電池組的性能要求是比較高的。傳統的對蓄電池端電壓的測量依靠人工來(lái)進(jìn)行，使用的是手持式數字萬(wàn)用表，這樣既浪費時(shí)間，又浪費人力，而且測量過(guò)程中也難免引入人為誤差。直流電源系統在線(xiàn)監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(jià)格比高?？蓪π铍姵亟M中每一只蓄電池實(shí)現在線(xiàn)監測，也可替代傳統的人工標示電池測量以完成全體電池的自動(dòng)測量、存儲及打印。因而使用該儀器省時(shí)、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)現電池的缺陷，以使其得到及時(shí)處理，達到延長(cháng)電池壽命的目的。