基于AVR单片机的智能蓄电池巡检系统.pdf

电气技术与自动化 舒新 基于 A V R单片机的智能蓄电池巡检系统 瘿 于 AVR 萆 机的 智能 髫电池 枪 系饶 舒新 ( 河海大学 电气工程学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要： 介绍了一种基于 A V R单片机( A t m e g a 1 2 8 ) 的电池巡检 系统的设计方案及其软、 硬件 设计。该监控系统能够及时可靠的对电池组进行巡回检测， 检测蓄电池的各种实时运行数据 及状态，自动检测蓄电池故障并发出报警。 关键词： 单片机； 蓄电池巡检； 电池内阻 中图分类号 ： T M9 1 2 ； TP 2 7 4 5 文献标识码： B 文章编号： 1 6 7 1 5 2 7 6 ( 2 0 0 7 ) 0 1 0 l l 9 一 O 3 I n t e l l i g e n t S t o r a g e B a t t e r y P a t r o l S y s t e m B a s e d o n A VR S i n g l e c h i p S HU Xi n ( C o l l e g e o f E l e c t ri c E n g i n e e r i n g ， H o h a i Un i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h in a ) Ab s t r a c t ： Th e d e s i g n me a n s f o r s t o r a g e b a t t e r y p a t r o l s y s t e m b a s e d o n AVR s i ngl ech i p a n d t h e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e d e s i g n a r e i n t r o d u c ed Th e s y s t e m c a n mo n i t o r t h e g r o u p o f s t o r a g e b a t t e r y i n t i me a n d r e l i a b l y Th e s y s t em C an d e t e c t a l l r e a l t i me 0 p e r a t io n d a t a and s t a t e o f s t o r a g e b a t t e r y。s u p e r v i s e t h e f a i lu r e o f t h e s t o r a g e b a t t e r y a n d s e a d o u t a c o u s t c o p t i c a l a r m Ke y wo r d s ： s i n g l ech i p ；s t o r a g e b a t t e r y p a t r o l ；t h e r esi s t a n c e o f s t o r a g e b a t t e ry 在通信、 电力和微波等系统中， 蓄电池组是重要的储 能设备， 它可保证通信设备及动力设备的不问断供 电， 直 接关系到整个直流电源系统的可靠运行。如果不能妥善 的管理使用蓄电池组， 例如过充电、 过放电及电池老化等 现象， 都会导致电池损坏或电池容量急剧下降( 因为电池 组一般是由电池单体串联组成， 即使只有一节电池性能恶 化， 也会严重影响整组电池的性能) ， 从而影响设备的正常 供电。因此 ， 及时可靠的对电池组进行巡回检测对于维护 通信系统设备的正常运转具有十分重要的意义。目前电 力系统常用的检测方法就是平时测量电池的端电压及每 年进行容量核对性放电， 显然平时浮充状态下的端电压测 量是难以反映电池的好坏的， 即使性能差的电池在浮充时 也能测得合格的电压， 而一旦停电， 需电池放电时， 该电池 就可能无法保证事故状态下放 电要求， 从而扩大事故范 围。 文中介绍了一种基于高性能 A V R单片机设计 的智 能电池巡检系统， 该系统采用模块化设计 ， 结构合理， 电器 性能及抗电磁干扰性能优越。经试用， 运行效果 良好。 1 电池巡检 系统功 能及 结构 本监控系统实时监测单体电池电压、 电池组端电压和 电流、 电池房环境温度和电池温度 ， 测量单体电池内阻， 统 计单体电池参数。电池监测具有过压、 欠压和差压报警功 能 ， 根据用户设定的报警参数及时报警， 能够准确查找故 障电池， 并对电池单体电压、 总电压， 充放 电电流， 电池内 阻进行精确管理及严格控制， 自动完成电池的精确管理及 保养维护。系统具有实时时钟， 参数具有掉电保护功能， 掉电后系统设置不会丢失， 最多可记录 3 0 条历史故障， 以 及该故障排除时间。 采用大屏幕液晶显示屏， 长寿命 L E D背光， 实现全中 Ma c h i n eB u i Mi n g Au t o ma t i o n 。 F e b 2 0 0 7， 3 6 ( j) ： j 1 9 1 2 1 文汉化显示， 除完成数据测量及状态的实时显示外， 还提 供各种菜单 、 信息提示， 真正实现人机对话操作。采用电 力部标准通讯协议、 R S 2 3 2或 R S 4 8 5串行通讯接口， 支持 1 2 0 0 、 2 4 0 0 、 4 8 0 0 、 9 6 O O波特率 ， 可方便地与电力 自动化 系统对接， 实现电池系统自动巡检。 1 1 硬件结构 文中所涉及的电池巡检系统采用主从式结构、 模块化 设计 ， 主监控单元配接约 1 4 4 8 m m的 3 2 0 2 4 0液晶屏， 并带 R 3 2 S 4 8 5 通讯接口与上位机进行通信。从逻辑 功能上， 该系统分为以下几个功能模块： 主监控模块、 多 个电池巡检模块、 放电模块和液晶显示模块。系统的整体 结构框图如图 1 所示。其中， 主监控模块和电池巡检模块 为本系统的核心功能模块。 图 1 系统硬 件结构框 图 1 2 软件 结构 考虑到系统的可移植性及今后的维护和扩充， 系统软 件采用 c语言编写，并采用全模块化的方法设计。模块 的软件主要由主程序以及其他一些中断子程序构成。 主监控模块的主程序主要包括电池总电压检测、 充放 电流检测、 温度检测及处理程序、 放 电模块管理程序以及 与电池巡检模块通信程序等构成 ， 其流程图如图2所示。 -l 1 9 维普资讯 电气技术与自动化 舒新 基于AV R单片机的智能蓄电池巡检系统 其中断子程序主要包括通讯中断子程序 、 定时器中断子程 序和键盘扫描子程序等。电池巡检模块的主程序主要由 单体电池电压采样子程序、 初始化子程序等构成， 其流程 如图 3 所示。其中断子程序主要是通信中断子程序和定 时器中断子程序等。 程序入U 系统初始化 二工二 参数初始化 蓄电池组总电压采集子程序 充放电电流采集子程序 温度采集子程序 与电池巡检模块通信子程序 图2 主监控模块流程图 图 3 电池巡检模块流程图 2 主要 功能模 块的设计概要 2 。 1 主监控模块 高性能的8 位单片机 A t m e g a 1 2 8 是采用精简指令集 R I S C( r e d u c e d i n s t r u c t i o n S e t C P U) 结构的新型单片机， 高 速度、 低功耗， 执行一条指令仅需一个时钟周期； 内置看门 狗Wa t c h d o g 定 时器， 防止程序走飞； 片内有 1 2 8 KB F l a s h 程序存储器 ， 4 K B E E P R O M数据存储器， 4 K B R A M 存储 器； 多达 4 8个 I 0端12 1 ， 3 4个不同的中断源； 除拥有普通 异步串行通信接 口外， 还拥有同步串行 S P I 接 12 1 、 双线串 行 TwI 接 12 1 、 I S P下载和 J T A G仿真等功能； 工作电压范 围宽， 电源抗干扰性能较强。 作为电池巡检监控系统的主要功能模块 ， 主监控模 块以 A t me g a 1 2 8为 核心 ，外部 扩 展 了 串行 E E P R OM 2 4 c 5 1 2和实时时钟芯片 D S 1 3 0 7 。该模块对电池组电压 、 充放电流和和两路温度进行采样并处理，通过电子开关 对放电进行控制 ， 并通过键盘及液晶显示接 口进行按键的 处理和系统信息的实时显示， 其原理框图如图4 所示。该 模块对上位机提供 RS 2 3 2 、 R S 4 8 5两种串行通讯方式， 并 可提供 1 2 0 0 、 2 4 0 0 、 4 8 0 0和 9 6 0 0四种通讯波特率。对 电池检测单元模块提供 R S 4 8 5接 口， 并可以根据这些模 块的通信要求来制定具体的通信协议。 1 2 0 - 4电 组 电 压 采 样L 液 晶 屁 示 - d充 放 电 流 采 样 + 拨 码 器 I F冉 = l 主监控 RS 4 8 5 R S 2 3 2 一l 厂 C P U 与上位机通信 I 时 时 钟 F- - - R S 4 8 5 与 电 池 巡 检 模 块 通 信 I放 电 控 制 - _ 一 _ E E P R O M 图4 主监控模块原理框图 2 1 1 蓄电池总电压、 充放电电流采样 在直流系统中， 蓄电池组都是由很多个单体电池串联 在一起供电的， 而且充 电机给蓄电池充 电也不是单体充 电， 而是对整个串联在一起的蓄电池一起充电， 根据蓄电 池组的总电压和充放电电流大小来判断蓄电池组的物理 状态， 进而采取合理的充电方式。并且测试单体电池内阻 时， 需根据放电电流进行计算。因此， 需要对蓄电池组的 总电压和充放电电流进行采样。通过适时采样电池组组 端电压和电流， 记录其变化情况 ， 可以综合分析电池组的 整体性能。 充放电电流的采集是通过电流传感器( 采用霍尔传感 器) 将测量的电流转换为电压信号， 通过采样电路送至单 片机。蓄电池总电压的采集是通过光继电器进行隔离， 经 过电阻的分压送单片机， 通过单片机 自带 AD进行转换。 2 1 ， 2 温度采样 环境温度对蓄电池使用寿命 的影响较大， 温度 升高 时， 蓄电池的极板腐蚀将加剧， 同时消耗更多的水， 从而使 电池寿命缩短； 温度太低 ， 会使得电池容量降低， 充电接收 能力下降， 充放电循环减弱， 寿命下降。所以在蓄电池管 理单元的设计中设置有环境温度检测单元， 对蓄电池的充 放电进行温度补偿。监测电池表面温度亦可对电池性能 进行较准确的评估， 蓄电池组中个别电池的失效会对整个 系统造成影响。损坏的电池由于真内阻增大， 在充放电过 程中其功耗亦会大于其它正常电池 ， 故其表面温度会高于 其它电池。 当其表面温度与其它电池相 比超限时， 则可认 为此节电池已损坏。 温度的采集是通过温度传感器( 采用的 T MP 3 5温度 传感器) 将温度转换为电压信号， 经采样电路送至单片机， 通过单片机自带 A D进行转换。 2 1 3 单体电池内阻测量 多年的研究和运用表明， 蓄电池内阻可作为其容量和 完好性的有效指标， 在蓄电池的老化过程中， 其内阻的上 升明显早于充电时端电压的提高 ， 直到 内阻上升了 6 O 以上时， 端电压才有明显的增大， 电池内阻具有很好 的预 测性， 可以用来评估和预测蓄电池的性能， 因为蓄电池的 内阻与容量及其完好性有着密切的关系 ， 这种方法越来越 受人们重视。 蓄电池内部阻抗检测方法分为交流检测法和直流检 测法两种。采用交流检测法测量时， 首先在蓄电池上加上 一 个交流测试信号 ， 该信号的频率的选择应保证测量过程 不受电容的影响， 然后测量流过蓄电池的电流和电池两端 h t t p ： Z Z H D c h i tin jo u r n a 1 n e t c n E ma i l ： Z Z H D c h i o u ma I n e t c n 机械 制造与 自动化 维普资讯 电气技术与自动化 舒新 基于 A V R单片机的智能蓄电池巡检系统 产生的交流电压， 根据测试数据计算出电池的内部阻抗。 但交流检测法抗干扰能力差， 容易受外部噪声源的影响。 采用直流检测法 ， 在电池组两端接入放电负载， 对蓄电池 进行瞬间大电流放电， 然后测量电池端电压在放电过程中 的瞬间变化和放电电流值， 据此导出电池内部阻抗值。 本巡检系统采用的是直流检测法。蓄电池从浮充状 态切换到放电状态， 即停止充电后， 电池回落到某平衡电 位， 接入放电负载后 ， 电压发生阶跃变化。这样， 内阻的计 算不能使用浮充电压和放电工作电压的差值来计算， 使用 开路平衡电位与放电工作电压的差值时也不够稳定。因 此， 在放电过程改变电流可以克服平衡电位不稳定的因 素。采用式( 1 ) ， 根据在不同电流 ( J I 、 J 2 ) 下的电压( ul u2 ) 变化来计算内阻值。 压频转换中受温度影响的问题， 所测电压就较准确， 并且 测量电路利用单片机内置的 1 O 位 A I ) 模数转换器 ， 从而 保证了测量精度。 在软件上采用递推平均滤波算法来保证测量的精度。 测量的结果通过 R S 4 8 5通信接 口与主监控模块进行通 信。 3 结束语 以单片机 A t me g a 1 2 8为核心的智能电池巡检监控系 统， 性能稳定， 采样显示精度高， 报警、 控制准确度高 ， 通讯 误码率低。同时， 特别易于系统功能的扩展， 实际应用前 景广阔。 R = ) 姥 ： 2 2放 电模 块 放电模块采用了大功率的电子负载技术， 能瞬间承受 高达 1 0 0 A ( 或 2 0 0 A) 的冲击电流， 以实现对电池负荷能力 的检测。放电模块也可作为长时间 5 3 0 A放电负载， 实 现对电池容量的核对性测试及电池性能的活化。当来自 主监控模块的信号指示放电时， 放 电负载接通， 电池通过 负载放电， 同时电压采集模块将快速采集电池电压每一变 化量 。 除对主监控模块的开关指令外 ， 放电模块内部也设有 计时器， 当放电超时时， 将切断放电回路 ， 即使电子开关损 坏， 放电回路也将被切断， 从而大大提高了放电模块的工 作可靠性。放电模块还没有过流、 超温等异常保护。同时 放电模块工作时还受控于交流市电， 在放电时如发生交流 市电失电， 放电模块将 自动终止放电， 保证直流系统向负 载供电。 2 3 电池巡检模块 电池组单体电池电压是最可靠的电池特征。蓄电池 的监测量中， 单体电压是一重要参数， 是判断单体电池故 障的重要依据。单体电池电压的检测方法有构造电阻网 络提取电压、 v F转换无触点采样和继 电器切换提取电 压等。前两种方法存在误差积累、 电路参数匹配和温度影 响等问题。本系统采用光继电器无触点切换 ， 提取电压的 方法电路简单， 并实现对每个测量端 口进行隔离 。 保证了 测量有良好的安全性及高精度。其原理如图 5 所示。 单 体 电 池 电 压 采 集 电 转 换 电 路 H鎏 藻 H 图5 电池单体电压采样电路 电池检测模块亦采用了高性能的 8位 At me g a 1 2 8单 片机， 单片机通过 7 4 H C1 3 8_E k 译码器控制光继电器的 导通和电平转换电路的切换。C P U控制信号通过控制光 继电器实现每次只将一个电池正负极切入电平转换电路， 从而将单节电池电压引出， 经过采样电路后进入单片机进 行 A I ) 转换。该测量方案由于对电池端电压为直接采 样 ， 不需要大量的分压电阻， 没有误差积累的情况， 也没有 Ma c h i n e Bu i l d i n g Au t o m a t io n， F e b2 0 0 7 ， 3 6 ( J ) ： 1 1 91 2 1 1 李勋， 耿德根 A V R单片机应用技术 M 北京： 北京航空 航天大学出版社， 2 0 0 2 2 卢建锋， 韩磊 ， 杨咏新， 张建领 一种基于A V R单片机的直 流电源监控系统 J 仪器仪表学报， 2 0 0 4 ， ( 4 ) 增刊 收稿 日期： 2 0 0 6 0 8 2 1 多点驱 动带式机 斩 波软 启动 兖州矿业( 集团)