蓄電池在線智能監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì).doc

蓄電池在線智能監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì) 摘要蓄電池作為電力系統(tǒng)的后備電源，其維護(hù)工作對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。對(duì)蓄電池實(shí)施在線監(jiān)測(cè)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)失效電池，是蓄電池維護(hù)工作的重中之重。文中介紹一種以單片機(jī)ADuC831為核心的新型蓄電池在線智能監(jiān)測(cè)儀，能實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池?zé)o論在浮充狀態(tài)還是充、放電動(dòng)態(tài)過(guò)程中的狀態(tài)檢測(cè)。著重介紹其軟硬件設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞蓄電池；在線監(jiān)測(cè)：ADuC831；NVSRAM； 1 引 言蓄電池在發(fā)電廠、變電站等電力系統(tǒng)中是一種最為常用的后備電源，但由于使用不當(dāng)或者不能及時(shí)維護(hù)，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致蓄電池組中個(gè)別蓄電池的早期失效。早期失效的個(gè)別蓄電池在后備電池投入使用時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)電池組的放電容量，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)的崩潰。因此，為保證在交流電斷電時(shí)用電設(shè)備安全可靠運(yùn)行，避免蓄電池在長(zhǎng)期使用過(guò)程中因個(gè)別電池失效而引發(fā)事故帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和及時(shí)的故障診斷成為蓄電池維護(hù)工作的一個(gè)極為重要方面。目前蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器都是在浮充狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的端電壓測(cè)量的，而能準(zhǔn)確反映蓄電池容量信息的蓄電池電導(dǎo)測(cè)試儀只能做定期測(cè)量，不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在故障的失效電池。該文介紹一種基于ADuC831單片機(jī)系統(tǒng)的蓄電池在線智能監(jiān)測(cè)儀，能實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池?zé)o論在浮充狀態(tài)還是充、放電動(dòng)態(tài)過(guò)程中的狀態(tài)檢測(cè)，對(duì)蓄電池內(nèi)部開(kāi)路、短路、過(guò)壓、欠壓及過(guò)度放電等異常狀態(tài)及時(shí)報(bào)警，并且能對(duì)2V、6V和12V多種節(jié)電壓測(cè)量，提高了對(duì)蓄電池監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、自動(dòng)化和智能化程度。 2系統(tǒng)工作原理蓄電池的充放電過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程，其狀態(tài)檢測(cè)和失效預(yù)期診斷也一直是蓄電池維護(hù)中的難題。由于電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性以及蓄電池使用環(huán)境的差異，至今還沒(méi)有一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法對(duì)蓄電池的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)快速準(zhǔn)確判定。但大量的實(shí)驗(yàn)已得出以下結(jié)論3：（1）蓄電池充、放電過(guò)程中，在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，端電壓變化明顯比其它電池快的單節(jié)一定是有故障的落后電池。蓄電池充、放電都有一個(gè)截止電壓，過(guò)度放電和過(guò)度充電都會(huì)加速電池失效，減少電池的使用壽命。圖2-1是一組蓄電池放電時(shí)的電壓變化曲線。從圖中可以明顯看出個(gè)別電池端電壓突然變化加大，表明該電池已經(jīng)損壞。（2）蓄電池在交流電正常時(shí)一直保持浮充狀態(tài)，并要保持一個(gè)適當(dāng)?shù)母〕潆妷?。浮充電壓過(guò)高會(huì)造成電池發(fā)熱量過(guò)大，出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，還容易因電解水反應(yīng)劇烈使電池失水過(guò)多；浮充電壓過(guò)高還會(huì)惡化電池組的均勻性，加大電池之間的差異。浮充電壓過(guò)低又會(huì)使電池因自放電損失的電量無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充，加速電池老化。（3）串聯(lián)在一起的蓄電池各單節(jié)電池在充足電或放完電后，端電壓應(yīng)該是均勻的，不應(yīng)有大的差異。如果電池組不均勻，在充電時(shí)一部分電池充電不足，另一部分電池過(guò)充電；在放電時(shí)一部分電池尚未達(dá)到終止電壓，但另一部分電池又會(huì)過(guò)放電，甚至出現(xiàn)“反極”現(xiàn)象。長(zhǎng)此下去就會(huì)引起惡性循環(huán)，加速電池失效4。（4）環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響蓄電池的浮充電壓，溫度過(guò)高就會(huì)加速蓄電池的老化速度。（5）在大量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析蓄電池組的端電壓的分布規(guī)律，結(jié)果表明它們的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差符合正態(tài)分布，平均值表明了全組端電壓的宏觀性能，標(biāo)準(zhǔn)差則表征了各單節(jié)電池端電壓的離散程度。因而可以利用這一規(guī)律判斷電池組的均勻性，并可以找出差異相對(duì)較大的電池，也就是可能已經(jīng)失效的電池4。為準(zhǔn)確檢測(cè)和判斷蓄電池的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)采用以下檢測(cè)判斷方法：（1）實(shí)時(shí)在線巡回檢測(cè)每節(jié)電池的電壓，判斷蓄電池的充、放電狀態(tài)； （2）實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組的總電壓和環(huán)境溫度；（3）根據(jù)端電壓、總電壓和溫度對(duì)蓄電池狀態(tài)實(shí)時(shí)診斷；（4）利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并在一定時(shí)間段內(nèi)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理；（5）讓采樣參數(shù)和綜合分析得出的數(shù)據(jù)，根據(jù)蓄電池現(xiàn)在所處的是浮充狀態(tài)還是動(dòng)態(tài)充、放電過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的失效模式進(jìn)行比較，得出對(duì)當(dāng)前電池性能的準(zhǔn)確診斷。對(duì)判斷為存在異常的電池及時(shí)報(bào)警處理。 3蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)31系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集電路、溫度傳感器、NVSRAM、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路、ADuC831單片機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。系統(tǒng)以ADuC831單片機(jī)為核心，數(shù)據(jù)采集電路不斷循環(huán)采集各個(gè)單體電池電壓、總電壓及環(huán)境溫度，經(jīng)差分放大、模擬開(kāi)關(guān)等，由ADuC831單片機(jī)的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行分析處理，測(cè)量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)顯示、打印，個(gè)別電池出現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)自帶128K非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，能記錄采樣值及蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，且能通過(guò)RS232或RS485通訊接口把數(shù)據(jù)上傳。該系統(tǒng)具有以下幾個(gè)功能特點(diǎn)：（1）采用功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集芯片ADuC831作為控制核心；（2）對(duì)蓄電池組的浮充狀態(tài)和充、放電動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)施實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷；（3）數(shù)據(jù)采集電路采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)蓄電池個(gè)數(shù)確定模塊數(shù)量，每個(gè)模塊可測(cè)量一組16節(jié)電池，最多可測(cè)量112路單體電池電壓；（4）可兼容2V、6V和12V電池，具有良好的可擴(kuò)展性能；（5）采用大屏幕液晶顯示器，能直觀的了解足夠的電池信息；（6）配有大容量非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘；（7）有RS232和RS485通訊接口，可以與上位機(jī)或其它監(jiān)控設(shè)備通訊。32關(guān)鍵電路設(shè)計(jì) （1）數(shù)據(jù)采集電路監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要是電池組中每一節(jié)電池的端電壓，這些串聯(lián)電池標(biāo)稱電壓都相同（2V、6V或12V），末端電壓為216V或更高。對(duì)蓄電池進(jìn)行檢測(cè)的關(guān)鍵在于對(duì)電壓采樣的精確程度，因而采樣電路設(shè)計(jì)得是否適當(dāng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。對(duì)每節(jié)電池電壓進(jìn)行測(cè)量，有兩種方法：對(duì)每節(jié)電池電壓直接采樣。采樣第（n1）節(jié)電池的端電壓，減去第n節(jié)電池的端電壓得第n節(jié)電池電壓。雖然前一種方法可以避免誤差傳遞，利于精確測(cè)量，但電路相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)成本也相對(duì)較高。因此，選用第二種測(cè)量方法。以2V電池為例，每塊板可接16節(jié)電池，那么17個(gè)端口的理想端電壓分別是0V，2V，4V，30V，32V。由于ADuC831內(nèi)嵌的AD轉(zhuǎn)換口的輸入電壓必須低于其基準(zhǔn)電壓Uref（25V），采用圖32的采樣電路。該電路的最大好處是不但可以保證采樣值能隨蓄電池端電壓的變化相應(yīng)地實(shí)時(shí)變化，而且能夠使每一路采樣的精度相同，使后續(xù)的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。該電路為典型的線性電路，根據(jù)運(yùn)算放大器的特性，可分析計(jì)算出經(jīng)過(guò)采樣電路后的輸出電壓為其中Vn是第n路的輸入端電壓。Vn經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)選通后，再經(jīng)電壓跟隨器，由ADuC831內(nèi)置12位高精度的自校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。Rn1、Rn2、Rn3、Rn4和Rn5的值可以根據(jù)要檢測(cè)的蓄電池標(biāo)稱電壓是2V、6V還是12V，以及是測(cè)量單節(jié)電池電壓還是電池組總電壓進(jìn)行匹配選擇。溫度測(cè)量單獨(dú)分配一個(gè)采樣通道，負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境溫度的監(jiān)控。各路電壓采用相同的采集通道分別采樣，而不是設(shè)計(jì)每組一個(gè)采集通道，利用模擬開(kāi)關(guān)或繼電器進(jìn)行切換采樣。這樣不但保證了數(shù)據(jù)采集精度一致，而且避免了因頻繁切換測(cè)量通道造成的儀器工作不可靠。 （2）MCU該系統(tǒng)以ADuC831單片機(jī)為核心。ADuC831是美國(guó)ADI公司的高性能微轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)核與8051兼容，它的內(nèi)部存貯器組織、片內(nèi)外圍設(shè)備等與8051的結(jié)構(gòu)相似，指令系統(tǒng)與8051的指令系統(tǒng)完全一樣，定時(shí)器計(jì)數(shù)器和串行接口等的工作方式也與8051的完全一樣。ADuC831芯片的閃速電擦除（FlashEE）程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與80C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器不同，尤其是該芯片中所集成的8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的工作方式比傳統(tǒng)的ADC芯片的工作方式靈活得多，這使得利用ADuC831開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常方便。ADuC831單片機(jī)片內(nèi)有62KB的閃速電擦除（PlashEE）程序存儲(chǔ)器，因此不用片外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，就可以滿足程序空間的需要。而且還帶有4KB的FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以用于存儲(chǔ)各種參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，而無(wú)需占用程序存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間。ADuC831還有2034B的數(shù)據(jù)SRAM。另外，ADuC831的功能還包括看門狗定時(shí)器、電源監(jiān)視器以及ADCDMA功能，并為多處理器接口和IO擴(kuò)展提供了32條可編程的IO線、I2C兼容的串行接口、SPI串行接口和標(biāo)準(zhǔn)UART串行端口IO1、2。 （3）復(fù)位電路MCU的復(fù)位電路采用IMP708芯片，該芯片有上電復(fù)位、看門狗和電源監(jiān)控功能。在系統(tǒng)的程序由于外部干擾導(dǎo)致“跑飛”時(shí)，IMP708的看門狗在一可選擇的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)熱啟動(dòng)系統(tǒng)。IMP708的電源監(jiān)控功能來(lái)保護(hù)低電壓的情況，當(dāng)電源電壓降低到Vcc允許的最小值時(shí)，可以向MCU發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位并保持著直到電壓回升。另外系統(tǒng)的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DS1556也具有電源監(jiān)控功能，當(dāng)電源電壓降低到Vcc允許的最小值時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生低電平信號(hào)。因此利用該信號(hào)產(chǎn)生中斷，復(fù)位系統(tǒng)，并切斷系統(tǒng)電源對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器供電，而改為由內(nèi)置鋰電池供電，保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不丟失，直到系統(tǒng)電源恢復(fù)正常，系統(tǒng)正常運(yùn)行。因此通過(guò)IMP708和DS1556的雙重監(jiān)控能夠保證使系統(tǒng)可靠運(yùn)行。 （4）液晶顯示采用TM240128A大屏幕液晶顯示器，能顯示足夠多的電池信息。該液晶顯示器內(nèi)藏T6963C控制器，與80C51單片機(jī)可以直接接口，而且具有8K的顯示RAM，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)分屏顯示。而且自帶背光，能調(diào)節(jié)液晶的顯示亮度，方便維護(hù)人員查看。 （5）數(shù)據(jù)處理及通訊電路數(shù)據(jù)處理電路包括存儲(chǔ)電路和打印電路。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用DALASSEMICODUCTOR公司的DS1556，該存儲(chǔ)器是非易失性的SRAM（NVSRAM），有128K的存儲(chǔ)容量，內(nèi)置鋰電池能在斷電情況下使所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)保存10年不丟失。DS1556還帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），且可以通過(guò)專門的寄存器編程控制，能夠提供維護(hù)蓄電池所需的時(shí)間信息，而且可以記錄個(gè)別電池發(fā)生故障的時(shí)間。NVSRAM中存儲(chǔ)的一定時(shí)間段內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)和個(gè)別電池發(fā)生故障的詳細(xì)數(shù)據(jù)，可以在任何需要的時(shí)候通過(guò)按鍵調(diào)用相關(guān)程序查看。DS1556還具有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電源監(jiān)控和定時(shí)報(bào)警功能。所存儲(chǔ)的測(cè)量參數(shù)可以隨時(shí)通過(guò)自帶的微型打印機(jī)進(jìn)行輸出。通訊電路可以進(jìn)行RS485和RS232通訊，通過(guò)單片機(jī)的串行通訊接口可以與上位機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，供維護(hù)人員對(duì)檢測(cè)參數(shù)做進(jìn)一步的分析。另外，系統(tǒng)設(shè)有5個(gè)按鍵，根據(jù)液晶顯示的提示信息，可以方便的進(jìn)行有關(guān)的按鍵操作，使人機(jī)界面更加友好，并且極大地提高了系統(tǒng)的智能化水平。33系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，系統(tǒng)軟件的主流程如圖33所示。主要分為主程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、通訊程序和打印程序。主程序?yàn)橄到y(tǒng)控制程序，該模塊是軟件的總體調(diào)度和中心控制模塊，控制和協(xié)調(diào)各模塊程序有序、高效地執(zhí)行，保障整個(gè)系統(tǒng)順暢無(wú)誤工作。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)自檢、相關(guān)外圍設(shè)備的初始化和主要參數(shù)（包括蓄電池的性能參數(shù)、通訊參數(shù)以及測(cè)量參數(shù)）設(shè)置。數(shù)據(jù)采集處理程序控制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和AD轉(zhuǎn)換，保證電池電壓參數(shù)及溫度能夠及時(shí)得到響應(yīng)處理。主要是控制模擬開(kāi)關(guān)選擇相應(yīng)的通道，同時(shí)選擇對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換通道，并對(duì)數(shù)據(jù)程序進(jìn)行分析處理，包括對(duì)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和誤差補(bǔ)償5、蓄電池所處狀態(tài)判定。根據(jù)蓄電池組處在浮充、放電還是充電狀態(tài)，調(diào)用相應(yīng)的失效模式得出當(dāng)前的電池狀況，對(duì)超限的數(shù)據(jù)立即報(bào)警，并在液晶屏幕上顯示詳細(xì)的故障信息，數(shù)據(jù)送液晶顯示，并送NVSRAM保存，留作維護(hù)人員的參考數(shù)據(jù)。對(duì)蓄電池的“健康狀況”的診斷根據(jù)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的分析、判斷。通訊和打印程序主要負(fù)責(zé)根據(jù)需要讓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與上位機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電池的狀態(tài)信息的打印輸出。 4結(jié)束語(yǔ)該蓄電池在線監(jiān)測(cè)儀主要用于對(duì)變電站、發(fā)電廠等電力系統(tǒng)的備用蓄電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，由于該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有很好的可擴(kuò)展性能，可以設(shè)定要監(jiān)測(cè)的蓄電池節(jié)數(shù)，因此也可以對(duì)通訊、郵電等系統(tǒng)的備用直流蓄電池實(shí)施監(jiān)控。該監(jiān)測(cè)儀可以獨(dú)立對(duì)某個(gè)蓄電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè)或由許多監(jiān)測(cè)儀組成一個(gè)大的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)分散的監(jiān)控對(duì)象實(shí)施監(jiān)控，也可以和直流漏電檢測(cè)儀器、充電儀器等一起組成直流系統(tǒng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)監(jiān)控儀通過(guò)自帶的通訊端口和控制中心通訊。實(shí)踐證明該蓄電池在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化程度高，測(cè)量準(zhǔn)確，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池組存在的早期故障電