鉅大LARGE | 點擊量：981次 | 2021年12月25日
基于AVR單片機的智能蓄電池巡檢系統
0引言在通信、電力和微波等系統中，蓄電池組是重要的儲能設備，它可保證通信設備及動力設備的不問斷供電，直接關系到整個直流電源系統的可靠運行。假如不能妥善的管理使用蓄電池組，例如過充電、過放電及電池老化等現象，都會導致電池損壞或電池容量急劇下降(因為電池組一般是由電池單體串聯組成，即使只有一節電池性能惡化，也會嚴重影響整組電池的性能)，從而影響設備的正常供電。因此，及時可靠的對電池組進行巡回檢測關于維護通信系統設備的正常運轉具有十分重要的意義。目前電力系統常用的檢測方法就是平時測量電池的端電壓及每年進行容量核對性放電，顯然平時浮充狀態下的端電壓測量是難以反映電池的好壞的，即使性能差的電池在浮充時也能測得合格的電壓，而一旦停電，需電池放電時，該電池就可能無法保證事故狀態下放電要求，從而擴大事故范圍。文中介紹了一種基于高性能AVR單片機設計的智能電池巡檢系統，該系統采用模塊化設計，結構合理，電器性能及抗電磁干擾性能優越。經試用，運行效果良好。
1電池巡檢系統功能及結構本監控系統實時監測單體電池電壓、電池組端電壓和電流、電池房環境溫度和電池溫度，測量單體電池內阻，統計單體電池參數。電池監測具有過壓、欠壓和差壓報警功能，根據用戶設定的報警參數及時報警，能夠準確查找故障電池，并對電池單體電壓、總電壓，充放電電流，電池內阻進行精確管理及嚴格控制，自動完成電池的精確管理及保養維護。系統具有實時時鐘，參數具有掉電保護功能，掉電后系統設置不會丟失，最多可記錄30條歷史故障，以及該故障排除時間。采用大屏幕液晶顯示屏，長壽命LED背光，實現全中文漢化顯示，除完成數據測量及狀態的實時顯示外，還供應各種菜單、信息提示，真正實現人機對話操作。采用電力部標準通訊協議、RS232或RS485串行通訊接口，支持1200、2400、4800、96OO波特率，可方便地與電力自動化系統對接，實現電池系統自動巡檢。
1．1硬件結構文中所涉及的電池巡檢系統采用主從式結構、模塊化設計，主監控單元配接約14．48mm的320×240液晶屏，并帶R32S485通訊接口與上位機進行通信。從邏輯功能上，該系統分為以下幾個功能模塊：主監控模塊、多個電池巡檢模塊、放電模塊和液晶顯示模塊。系統的整體結構框圖如圖1所示。其中，主監控模塊和電池巡檢模塊為本系統的核心功能模塊。
1．2軟件結構考慮到系統的可移植性及今后的維護和擴充，系統軟件采用c語言編寫，并采用全模塊化的方法設計。模塊的軟件重要由主程序以及其他一些中斷子程序構成。主監控模塊的主程序重要包括電池總電壓檢測、充放電流檢測、溫度檢測及處理程序、放電模塊管理程序以及與電池巡檢模塊通信程序等構成，其流程圖如圖2所示。其中斷子程序重要包括通訊中斷子程序、按時器中斷子程序和鍵盤掃描子程序等。電池巡檢模塊的主程序重要由單體電池電壓采樣子程序、初始化子程序等構成，其流程如圖3所示。其中斷子程序重要是通信中斷子程序和按時器中斷子程序等。
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符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2重要功能模塊的設計概要
2.1主監控模塊高性能的8位單片機Atmega128是采用精簡指令集RISC(reducedinstructionSetCpU)結構的新型單片機，高速度、低功耗，執行一條指令僅需一個時鐘周期；內置看門狗Watchdog按時器，防止程序走飛；片內有128KBFlash程序存儲器，4KBEEpROM數據存儲器，4KbrAM存儲器；多達48個I／0端121，34個不同的中斷源；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。作為電池巡檢監控系統的重要功能模塊，主監控模塊以Atmega128為核心，外部擴展了串行EEpROM24c512和實時時鐘芯片DS1307。該模塊對電池組電壓、充放電流和和兩路溫度進行采樣并處理，通過電子開關對放電進行控制，并通過鍵盤及液晶顯示接口進行按鍵的處理和系統信息的實時顯示，其原理框圖如圖4所示。該模塊對上位機供應RS232、RS485兩種串行通訊方式，并可供應1200、2400、4800和9600四種通訊波特率。對電池檢測單元模塊供應RS485接口，并可以根據這些模塊的通信要求來制定具體的通信協議。
2．1．1蓄電池總電壓、充放電電流采樣
在直流系統中，蓄電池組都是由很多個單體電池串聯在一起供電的，而且充電機給蓄電池充電也不是單體充電，而是對整個串聯在一起的蓄電池一起充電，根據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，進而采取合理的充電方式。并且測試單體電池內阻時，需根據放電電流進行計算。因此，要對蓄電池組的總電壓和充放電電流進行采樣。通過適時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)將測量的電流轉換為電壓信號，通過采樣電路送至單片機。蓄電池總電壓的采集是通過光繼電器進行隔離，經過電阻的分壓送單片機，通過單片機自帶AD進行轉換。
2．1．2溫度采樣環境溫度對蓄電池使用壽命的影響較大，溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時消耗更多的水，從而使電池壽命縮短；溫度太低，會使得電池容量降低，充電接收能力下降，充放電循環減弱，壽命下降。所以在蓄電池管理單元的設計中設置有環境溫度檢測單元，對蓄電池的充放電進行溫度補償。監測電池表面溫度亦可對電池性能進行較準確的評估，蓄電池組中個別電池的失效會對整個系統造成影響。損壞的電池由于真內阻增大，在充放電過程中其功耗亦會大于其它正常電池，故其表面溫度會高于其它電池。當其表面溫度與其它電池相比超限時，則可認為此節電池已損壞。溫度的采集是通過溫度傳感器(采用的TMp35溫度傳感器)將溫度轉換為電壓信號，經采樣電路送至單片機，通過單片機自帶AD進行轉換。
2．1．3單體電池內阻測量多年的研究和運用表明，蓄電池內阻可作為其容量和完好性的有效指標，在蓄電池的老化過程中，其內阻的上升明顯早于充電時端電壓的提高，直到內阻上升了6O％以上時，端電壓才有明顯的增大，電池內阻具有很好的預測性，可以用來評估和預測蓄電池的性能，因為蓄電池的內阻與容量及其完好性有著密切的關系，這種方法越來越受人們重視。蓄電池內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，首先在蓄電池上加上一個交流測試信號，該信號的頻率的選擇應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出現的交流電壓，根據測試數據計算出電池的內部阻抗。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載，對蓄電池進行瞬間大電流放電，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，據此導出電池內部阻抗值。本巡檢系統采用的是直流檢測法。蓄電池從浮充狀態切換到放電狀態，即停止充電后，電池回落到某平衡電位，接入放電負載后，電壓發生階躍變化。這樣，內阻的計算不能使用浮充電壓和放電工作電壓的差值來計算，使用開路平衡電位與放電工作電壓的差值時也不夠穩定。因此，在放電過程改變電流可以克服平衡電位不穩定的因素。采用式(1)，根據在不同電流(JI、J2)下的電壓(ul—u2)變化來計算內阻值。
2．2放電模塊放電模塊采用了大功率的電子負載技術，能瞬間承受高達100A(或200A)的沖擊電流，以實現對電池負荷能力的檢測。放電模塊也可作為長時間5～30A放電負載，實現對電池容量的核對性測試及電池性能的活化。當來自主監控模塊的信號指示放電時，放電負載接通，電池通過負載放電，同時電壓采集模塊將快速采集電池電壓每一變化量。除對主監控模塊的開關指令外，放電模塊內部也設有計時器，當放電超時時，將切斷放電回路，即使電子開關損壞，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。同時放電模塊工作時還受控于交流市電，在放電時如發生交流市電失電，放電模塊將自動終止放電，保證直流系統向負載供電。
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點。蓄電池的監測量中，單體電壓是一重要參數，是判斷單體電池故障的重要依據。單體電池電壓的檢測方法有構造電阻網絡提取電壓、v／F轉換無觸點采樣和繼電器切換提取電壓等。前兩種方法存在誤差積累、電路參數匹配和溫度影響等問題。本系統采用光繼電器無觸點切換，提取電壓的方法電路簡單，并實現對每個測量端口進行隔離。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，單片機通過74HC138E／k譯碼器控制光繼電器的導通和電平轉換電路的切換。CpU控制信號通過控制光繼電器實現每次只將一個電池正負極切入電平轉換電路，從而將單節電池電壓引出，經過采樣電路后進入單片機進行A／I)轉換。該測量方法由于對電池端電壓為直接采樣，不要大量的分壓電阻，沒有誤差積累的情況，也沒有壓頻轉換中受溫度影響的問題，所測電壓就較準確，并且測量電路利用單片機內置的1O位A／I)模數轉換器，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。測量的結果通過RS485通信接口與主監控模塊進行通信。
3結束語以單片機Atmega128為核心的智能電池巡檢監控系統，性能穩定，采樣顯示精度高，報警、控制準確度高，通訊誤碼率低。同時，特別易于系統功能的擴展，實際應用前景廣闊。
