毕业设计（论文）-基于单片机的变电站蓄电池组在线检测装置.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘要蓄电池的作用是把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。它的工作原理是先把电能转化为化学能，等需要的时候再转化回来。蓄电池种类很多，目前常用的蓄电池主要是铅酸蓄电池。蓄电池有很多参数，比如电压、电流、温度等。如果这些参数不在正常范围内，就会影响蓄电池的寿命。现在随着国民经济的迅速发展，电力系统发挥着越来越重要的作用，蓄电池组作为其中一个重要组成部分，其工作状况的好坏直接影响到电力系统的安全、可靠和高效运行，因此蓄电池监测具有很重要意义。本监测系统是以单片机为核心，通过电压采集电路和温度采集电路来测电压和环境温度两个参数，并有报警电路，当参数超限时系统可以报警，显示电路来显示所测参数。其中在电压采集电路中线性光耦合器件TIL300可以有效地将测量通道与计算机系统隔离开来，而且对信号放大的线性度也很好。温度采集电路采用广泛使用的数字温度采集芯片DS18B20对蓄电池所在场所的环境温度进行采集。报警电路采用蜂鸣器，参数超限时它可报警。显示电路采用数码管来进行显示，并且用专业的驱动芯片来驱动各个数码管。关键词：蓄电池、 单片机、 监测Abstract The batterys role is limited to the energy stored in the right places. It worksby first turning electrical energy into chemical energy, into back when needed. Battery type are very many , at present the commonly used batterymainly is thelead-acid battery.The battery has many parameters, such as voltage, current, temperature, etc. If these parameters are not within the normal range, it will affect battery life. Now along with the national economy rapid development, the electrical power system plays the more and more vital role, the battery unit was taking important constituent, its working condition quality affects directly the electrical power system security, reliable and the highly effective movement, therefore the battery monitor has the very vital significance. This monitoring system is based on Single chip microcomputer as the core,through the voltage gathering electric circuit and the temperature gathering electric circuit measured the voltage and the ambient temperature two parameters, and have the alarm circuit, when the parameter ultra time limit system may report to the police, the display circuit to display the measured parameters.In which linear light coupled apparatus TIL300 may survey effectively in the voltage gathering electric circuit the channel and the computer system isolates, moreover the linearity which enlarges to the signal very is also good. The temperature gathering electric circuit uses the widespread use digital temperature gathering chip DS18B20 presents to the accumulator cell the ambient temperature to carry on gathering. The alarm circuit uses the buzzer, the parameter ultra time limit it may report to the police. Display circuits used digital tube display, and with a professional driver to drive the digital pipe.Keywords: battery, single chip microcomputer, monitoring摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景11.2课题意义22 蓄电池32.1 蓄电池介绍32.2 蓄电池分类42.3 蓄电池发展现状52.4 阀控蓄电池失效原理62.4.1蓄电池设计结构上的因素62.4.2蓄电池工艺质量的因素72.4.3使用环境因素72.5 蓄电池监测方法和研究现状82.5.1 V/F转换提取电压法92.5.2电阻分压法102.5.3 浮动地技术测量电池端电压112.5.4 线性电路直接采样法112.5.5 开关矩阵法123 硬件设计143.1 系统组成143.2 单片机143.3 复位电路与时钟电路173.4 电压采集电路183.5 温度测量电路203.6 报警电路233.7 显示电路243.8 电源部分电路254 软件设计274.1 系统总体功能274.2 主程序284.3 电压程序284.4 温度程序304.5 显示程序314.6 A/D转换程序344.7 定时程序345 设计小结36致 谢37参考文献38附 录39521 绪论铅酸蓄电池作为一种化学电源，自从蓄电池问世以来，尤其是近年来随着阀控式铅酸蓄电池的出现，蓄电池以其价格低廉、易于浮充使用、电能效率高、电源独立性好、可移动等优点被广泛应用于汽车、船舶、变电站、发电厂、邮电通讯系统、铁路客车等各个领域。在电力系统中，蓄电池一般作为应急电源电源使用，是电力系统中一个重要组成部分，因此蓄电池的好坏将直接关系到电力系统是否能够安全、可靠运行。现在随着国民经济的迅速发展，电力系统和通信系统发挥着越来越重要的作用。而蓄电池作为系统中重要的组成部分，它的好坏又直接影响到电力系统和通信系统是否能安全、可靠和高效运行，所以必须保证蓄电池的质量。为了提高蓄电池的使用寿命，保证其可靠运行，需要经常对蓄电池参数进行严格测量，以确保蓄电池组处于最佳的工作状况。1.1 课题背景电力系统中有三大电气设备，分别为一次设备(如发电机、主变压器等)，二次设备(如监视、测量、保护等)和直流电源设备。直流保护操作电源是发电厂和变电站必备的设备之一，稳定、可靠、安全的保护操作电源是保证电网正常运行的关键。而这其中的核心是蓄电池组。它与充电整流设备，直流馈电网络等设备构成电力系统中发电厂、变电站直流电源系统。蓄电池组是一个独立于发电厂、变电所用交流电源的直流电源。在正常状态下它为断路器提供合闸电源；在发生故障时，当发电厂、变电所用电中断时，发挥其“独立电源”的作用，为继电保护及自动装置、断路器跳闸与合闸、拖动机械设备的直流电动机、通信、事故照明提供电源。一但蓄电池不能正常工作，那么继电保护及自动装置将不能工作，断路器不能跳闸与合闸。可以想象，这将带来多么大的损失。平时蓄电池组并联在整流设备上，长期保持浮充备用状态。负荷由交流供电，只有当交流失电时，蓄电池组才向负荷提供能量，所以蓄电池的容量应该经常处于饱满的状态。但由于免维护阀控蓄电池本身构造的特点，这种电池在长期浮充以后，常常会出现活性物质脱落、电解液干涸、极板变形、栅极腐蚀及硫化等现象，加之由于使用维护不当等原因，电池早期失效现象经常发生。为防止事故发生，必须及早发现坏掉的电池。只有通过对电池参数的测量，才能判断电池是否正常，才能及早发现和更换坏掉的电池，保证系统正常运行。1.2课题意义蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源, 历史悠久, 使用广泛, 与我们的社会生活息息相关。作为后备电源, 蓄电池是确保设备正常运行的最后一道生命线, 如果听任其长期处于状态不明的情况下运行, 那么将存在严重隐患。随着时间的推移, 电池使用年限的增加, 由电池引起的中断事故将防不胜防。因此, 合理可靠地对电池进行管理和维护, 能够保证电池有较长的使用寿命,从而达到保证设备拥有不间断电源。在电源系统的维护中, 蓄电池的维护管理占据非常重要的地位。怎样才能延长蓄电池的使用寿命, 保证蓄电池有足够的容量, 充分发挥蓄电池作为后备电源的作用, 确保通信、电力、应急等系统的正常运行。这对各个行业电源及后备电源维护有着非常重要的意义。在现今这个以工业为主的社会中，铅酸蓄电池的应用越来越广泛了，如今交通工具大都装有蓄电池，诸如各式各样的飞机、船用、火车和汽车等，还有通信、电力和金融行业的后备电源等等。这些场合都是要求蓄电池的运行绝对可靠，这样就对蓄电池的检测和维护提出了很高的要求。如果这些领域在蓄电池方面出现了故障，没有及时发现和解除，那么造成的严重后果是无法估量的。因此蓄电池检测仪表对蓄电池的正常运行，提高蓄电池的使用寿命，减少应用领域事故发生，降低财产损失有着重要的意义，应用前景广阔。本文主要针对的是电力系统中变电站的蓄电池，它一般是阀控密闭蓄电池。由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水，所以也叫免维护蓄电池。它只是不需要经常补充蒸馏水而已，并不是真的不需要维护。实际这类电池容量的检测比开口式铅酸蓄电池更为复杂，开口式电池可以通过测量电解液的密度来判断蓄电池的状态，而这类电池首先从外观上不能发现内部故障，也不能通过测量电解液的密度来判别电池的好坏。其次目前常规的测量方法是对蓄电池进行恒流长时间做放电试验，直到达到终止电压时停止放电，这种方法需要停电进行，而且试验方法复杂，另外由于试验间隔期一般较长，对于电池组容量意外降低的情况难以及时发现。并且蓄电池组发生故障后，如果进行人工维护，蓄电池数量较多，情况各异，维护工作量大，且不易发现故障电池，将直接影响故障处理的准确和及时。因此，平时对蓄电池组运行自动检测、故障诊断及其早期发现就显得十分必要,这样不但能尽快发现失效电池，以免影响整组电池的运行，而且能减少电池失效的概率，使电池始终运行在最佳状态，这正是监测系统的作用。2 蓄电池2.1 蓄电池介绍蓄电池是一种化学电源，即是一种把氧化还原反应所释放出来的能量直接转变成低压直流电能的装置。它既可以储存能量，又可以释放能量，并且转换效率高，对环境的适应性很强。虽然它的构造是各种各样的，但构成电池的主要部件都是正负极板、电解液、隔板和电池槽等。其中正负极板上的活性物质和电解液发生化学反应，对电池产生电流起着主导作用。它 的 正 极 活 性 物 质 是 二 氧化铅(PbO2) , 负极活性物质是海绵状金属铅 ( Pb) , 电解液是稀硫酸 (H2 SO4 ) ,4它们之间通过可逆的化学反应来产生电子的移动，即产生电流，达到了能量的相互转化。一般的蓄电池铅酸蓄电池是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成，其放电的化学反应是依靠正极板活性物质(二氧化铅和铅)和负极板活性物质 (海绵状纯铅)在电解液(稀硫酸溶液)的作用下进行，其中极板的栅架，传统蓄电池用铅锑合金制造，免维护蓄电池是用铅钙合金制造，前者用锑，后者用钙，这是两者的根本区别点。不同的材料就会产生不同的现象：传统蓄电池在使用过程中会发生减液现象，这是因为栅架上的锑会污染负极板上的海绵状纯铅，减弱了完全充电后蓄电池内的反电动势，造成水的过度分解，大量氧气和氢气分别从正负极板上逸出，使电解液减少。用钙代替锑，就可以改变完全充电后的蓄电池的反电动势，减少过充电流，液体气化速度减低，从而减低了电解液的损失。由于免维护蓄电池采用铅钙合金栅架，充电时产生的水分解量少，水份蒸发量低，加上外壳采用密封结构，释放出来的硫酸气体也很少，所以它与传统蓄电池相比，具有不需添加任何液体，对接线桩头、电线腐蚀少，抗过充电能力强，起动电流大，电量储存时间长等优点。免维护蓄电池因其在正常充电电压下，电解液仅产生少量的气体，极板有很强的抗过充电能力，而且具有内阻小、低温起动性能好、比常规蓄电池使用寿命长等特点，因而在整个使用期间不需添加蒸馏水，在充电系正常情况下，不需从拆下进行补充充电。但在保养时应对其电解液的比重进行检查。大多数免维护蓄电池在盖上设有一个孔形液体(温度补偿型)比重计，它会根据电解液比重的变化而改变颜色。可以指示蓄电池的存放电状态和电解液液位的高度。当比重计的指示眼呈绿色时，表明充电已足，蓄电池正常；当指示眼绿点很少或为黑色，表明蓄电池需要充电；当指示眼显示淡黄色，表明蓄电池内部有故障，需要修理或进行更换。免维护蓄电池也可以进行补充充电，充电方式与普通蓄电池的充电方法基本一样。充电时每单格电压应限制在23-24V间。注意使用常规充电方法充电会消耗较多的水，充电时充电电流应稍小些(5A以下)。不能进行快速充电，否则，蓄电池可能会发生爆炸，导致伤人。当免维护蓄电池的比重计，显示为淡黄色或红色时，说明该蓄电池已接近报废，即使再充电，使用寿命也不长。此时的充电只能做为救急的权宜之计。2.2 蓄电池分类蓄电池种类很多，有铅酸蓄电池、铅酸胶体蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、锌空气电池和燃料电池等目前常用的蓄电池主要是铅酸蓄电池分别为普通蓄电池、干电荷蓄电池和免维护蓄电池。铅酸蓄电池一般是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成。镍镉电池是前几年使用最为普遍的充电电池。它的优点主要是价格便宜，缺点是其自放电率较高，存在记忆效应，且会对环境产生污染，因此也将逐渐地退出市场。通常可以充放电1000次左右。 近两年来，重量更轻容量更大的镍氢电池得到了更为普遍的使用。在手机、数码相机、数码摄像机等便携式设备中都能见到镍氢电池的身影。镍氢电池的容量比镍镉电池高1.52倍，且具有不污染环境、价格便宜、性能好等优点。镍氢电池的自放电率大概为20左右。同其他充电电池相比较，锂电池具有最高的能量/重量、能量/体积比、无记忆效应等优点。但是锂电池成本高而且充电器要求也是最高的。如果对锂电池充电不当的话，很容易损坏电池，甚至产生电池爆炸。 最具代表的蓄电池是铅酸蓄电池，它是许多船用的动力源或应急电源，也是火车指挥调度、邮电通信、银行运营等必不可少的应急电源。因此它的性能将直接关系到系统的可靠运行，火车调度、邮电通信、银行运营等。我们平时见到的大的蓄电池多为铅蓄电池。目前，我们常用的蓄电池主要分为三类 , 分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三种。普通蓄电池:普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。它的主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低 ( 即每公斤蓄电池存储的电能 ) 、使用寿命短和日常维护频繁。 干荷蓄电池：它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时，只需加入电解液，等过 20 30 分钟就可使用。 免维护蓄电池：免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种：第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护( 添加补充液 ) ；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。 2.3 蓄电池发展现状铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富等优点，中国铅酸蓄电池行业经过50年的建设与发展，已基本形成了大中小企业相结合、具有一定规模的铅酸蓄电池制造体系。“八五”计划期间，铅酸蓄电池行业发展稳定，产品档次和水平有了明显提高，产量有了进一步发展。进入“九五”计划时期之后，随着我国改革开放进一步向纵深发展，各行业结构作了适当的调整，能源、交通和通讯等支柱产业飞速发展，给铅酸蓄电池行业带来了巨大的发展机遇。中国铅酸蓄电池的需求以每年1540的速度增长。高能电池、廉价的燃料电池以及微电池的发展将会使愈来愈多的电子产品“动”起来。电池的种类将会更多、应用范围更广，价格更低廉且更加“清洁”。和太阳能联系在一起的电池以及以大气为活性物质的燃料电池将会在现代经济中飞速发展。电池技术将是新世纪的第二大关键技术，有着非常广阔的前景。铅酸电池在重量比能量、体积比能量等方面比锂离子电池低得多，几乎是镍基电池的二分之一；在循环寿命、再生率、自放电和安全性方面 铅酸电池比镍基电池和锂电池好，作为应用范围最广、用量最大的化学电源，铅酸蓄电池行业的机遇与挑战并存，随着能源、交通、通信等基础产业的迅速崛起铅酸蓄电池的市场前景非常广阔，特别是适应环保与免维护需求的阈控式密封铅酸蓄电池已经被人们接受，并且在很多领域已逐渐取代传统的开口式铅酸蓄电池 但也应该看到，目前铅酸蓄电池行业整体技术水平、管理水平、人员素质、产品质量等参差不齐，急需进一步完善和提高，技术上应不断创新，使产品本身增强与其他化学电源品种的竞争力。随着中国加入WTO，将会有很多的国外一流企业加入市场竞争，对中国铅酸蓄电池企业构成很大的威胁。因此，中国的铅酸蓄电池企业应尽快完善、更新和发展产品技术，提高产品的档次和质量并且降低或本，使产品更具有竞争力，并要不断控制和限制创建低水平的蓄电池厂家，生产高质量的免维护汽车蓄电池、大中小阀控式密封铅酸蓄电池和作为动力源的牵引用蓄电池，增强与世界著名品牌蓄电池厂家的抗衡能力，使蓄电池行业走上健康良好发展轨道。2.4 阀控蓄电池失效原理阀控铅酸蓄电池是一个复杂的电化学体系，蓄电池的性能和寿命取决于电极的材料、工艺、活性物质的组成和结构、及蓄电池运行状态和条件等。基本上可以分为三类。2.4.1蓄电池设计结构上的因素板栅腐蚀：在充电时，特别是在过充电时，正极板栅要遭到腐蚀，逐渐被氧化成二氧化铅而失去板栅的作用，为补偿其腐蚀量必须加粗加厚正极板栅。电池设计寿命是按正极板栅合金的腐蚀速率进行计算的，正极板栅被腐蚀的越多，电池的剩余容量就越少，电池寿命就越短。干涸失效：阀控式密封铅酸蓄电池一旦处于“富液”状态，会使隔板中氧气的通道阻塞，气体复合效率低，电池内压力增大，一部分氧气来不及复合就从电池内部溜出，导致失水。特别是在安全阀性能不良情况下，失水更加严重，经过一段时间后，电池会失水而干涸。枝状结晶生成：阀控蓄电池由于电解液不流动所以不易产生枝状晶体。但当阀控蓄电池处于过放电状态，或长期以放电状态放置时，枝状晶体穿透隔膜的现象仍会发生。在这种情况下，负极pH值增加，极板上生成可溶性铅颗粒，促进板状结晶生成穿透隔膜造成极间短路，使电池失效。这种失效电池的电压为零。负极板硫酸盐化：由于化合反应的发生，无论电池处于充电或放电状态，负板总有硫酸铅存在，使负极长期处于非完全充电状态，形成不可逆硫酸铅，使电池容量减少，导致电池失效。阀控蓄电池比防酸隔爆蓄电池更易出现负极的硫酸化。这是由于：实现氧循环而造成的负极板较低的电位；固定的电解液造成的电解质的分层。热失控：热失控是阀控蓄电池所特有的一种失效模式热，它与闭合氧循环的机理有关。水分解为氢气和氧气的过程会产生热量，每18克水分解产生2106千焦的热量。常规蓄电池在充电时，除了活性物质的再生外，还有电解质中的水电解生成氢气和氧气。气体从电池内析出的过程中带走了水电解所产生的热量。阀控蓄电池在充电时内部产生的氧气流向负极，氧气在负极板使活性物质海棉状铅氧化，并有效地补充了电解而失去的水。这样，虽然消除了爆炸性混合气体排出的问题，但这种密封结构使得热扩散减少了一种重要途径，散热只能通过电池壳壁的热传导进行。当阀控蓄电池工作在浮充或完全再化合模式的过充状态时，没有纯化学反应，几乎所有过充的能量都转化成热能。如果系统周围环境能将产生的热散发并达到平衡，那么就没有热失控问题。当再化合反应热量升高率超过了散热率，电池的温度就会升高并且需要更大的电流来维持浮充电压。而额外的电流又引起更多的化合反应和热量产生，从而进一上使电流温度升高，并如此往复。这种纯效应加速电池干涸和内部压力的升高，严重时会造成电池熔化或爆炸起火。热失控的潜在问题会由于环境温度的升高、单体或充电系统的故障而进一步恶化。因此电池安装时良好的通风和合适的环境温度很重要。为降低发生热失控的风险，充电装置的浮充电压应根据蓄电池的环境温度进行温度补偿。2.4.2蓄电池工艺质量的因素在实际情况中，由于电池生产工艺质量的问题，如原材料成分不稳定，极板涂膏量不一致，极耳腐蚀断裂，壳体和壳盖间渗透漏液，阀盖开闭不灵等，都造成蓄电池性能离散性大，也是蓄电池早期失效的主要因素。2.4.3使用环境因素有些用户认为阀控蓄电池是免维护电池，厂家也有类似的误导宣传。阀控蓄电池特有的氧复合机理和阀控密封的结构，虽然在一定程度上减少了它的维护工作量，但使得其比防酸隔爆蓄电池在可靠性和鲁棒性上有所下降，更容易受环境的变化、使用条件等因素的影响。过充、过放、渗液、环境温度过高、浮充电压过高等因素对阀控蓄电池的健康影响更大。环境温度：环境温度过高对阀控蓄电池使用寿命的影响很大。温度升高时，蓄电池的极板腐蚀将加剧，同时将消耗更多的水，从而使电池寿命缩短。阀控蓄电在使用中对温度有一定要求。典型的阀控蓄电池高于25时，每升高69，电池寿命缩短一半。因此，其浮充电压应根据温度进行补偿，一般为24 mV，而现有很多充电机没有此功能。为达到阀控蓄电池的最佳使用寿命，应尽可能创造恒温下的使用环境，同时保持蓄电池良好的通风和散热条件。具体来说，安放蓄电池的房间应有空调设备。蓄电池摆放要留有适当的间距，改善电池与环境媒介的热交换。电池间保持不小于15mm的间隙，电池与上层隔板间有不小于150mm的间距的“通风道”来降低温升。过度充电：提升浮充电压，或环境温度升高，使充入电流陡升，气体再化合效率随充电电流增大而变小，在005C时复合率为90，当电流在01C时，气体再化合效率近似为零。由于过充电将使产生的气体不可能完全被再化合，从而引起电池内部压力增加，当到达一定压力时，安全阀打开，氢气和氧气逸出，同时带出酸雾，消耗了有限的电解液，导致电池容量下降或早期失效。其次，在长期过充电状态下，H+增加，从而导致正极附近酸度增加，板栅腐蚀加速，使板栅变薄，加速电池的腐蚀，使电池容量降低，从而影响蓄电池的寿命。为避免产生多余的气体，阀控蓄电池对充电机稳压、限流精度提出了较高的要求。过度放电或小电流放电：蓄电池过度放电主要发生在交流电源停电后，蓄电池长时间为负载供电。当蓄电池被过度放电时，会在电池的阴极造成“硫酸盐化”。因硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响。在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，蓄电池的使用寿命就越短。小电流放电条件下形成的硫酸铅，要氧化还原是十分困难的，若硫酸铅晶体长期得不到清理，必然会影响蓄电池的容量和使用寿命。由第4节可知，过度放电或小电流放电对阀控蓄电池的影响比对常规蓄电池的影响更大。因此在直流系统交流电源失去后，要严密监视蓄电池的电压和电流，防止阀控蓄电池过度放电。为避免小电流放电，阀控蓄电池不应长期退出系统运行。2.5 蓄电池监测方法和研究现状我国电力行业起步比较晚，阀控铅酸蓄电池上世纪70年代才问世，经过了迅猛的发展，但其监测技术还不是很完善。目前的测量方法有电压测量、电流测量、临界电压内阻测量等。电压测量是对于损坏的的电池，其充电时通常表现为电压过高或过低。电流测量是监测电池组的充放电电流，根据充放电电流的大小可以准确判断故障。临界电压内阻测量是通过瞬时小电流放电（小于5s）配以先进算法，并采用科学的开尔文四线制接线方法，有效的消除了连接线对测试数据的影响，在不影响直流系统正常运行情况下保证了测试的准确性和安全性。华塑科技公司生产的H3G在线监测系统在行业内处于领先水平，它包括五个单元：监测单元能显示所有监测内容；控制单元用于站端控制套系统工作，包括数据通讯、控制、智能管理分析功 能实现，同时完成与远端计算机交互。控制单元具有人机交换键盘、液晶显 示、重要与一般报警指示、数据存储和通信功能；电压数据采集单元用于电池单体电压数据采集，每个单元可以同时采集40节 电池电压；内阻单元用于测试电池单体内阻数据，每个单元测试1组蓄电池组；容量单元用于对蓄电池组进行自动核对性放电，两组蓄电池组可以共用一个容量单元。H3G蓄电池在线监测系统采集并自动记录数据,数据包括有： 电池组总电压 单体电池内阻 单体电池电压 蓄电池连接条电阻（选配） 浮充电流（选配） 单体电压精度：0.1% 单体内阻精度：1% 电流精度：1% 温度：0.5 工作温度：050 相对湿度：5%95%测量范围016V 测量范围100100000 测量范围0100A（可选） 测量范围-40+70蓄电池运行状态的监测主要是通过检测蓄电池的电压、电流、温度等同蓄电池性能密切相关的参数，其中对温度和电流的测量相对来说比较容易实现，对单个电池的电压检测也比较简单，但是要实现对串联在一起的蓄电池组中单体电池电压的准确测量一直是一个难于解决的问题。而电压检测是最直接检测也是最常用的一个参数，也是目前许多电池监控系统普遍采用的检测方法，在解决如何测量蓄电池组中的单体电池电压的问题上，主要方法有：2.5.1 V/F转换提取电压法V/F转换法的原理图如图2-1所示，其工作原理如下：信号采集采用V/F转换方法，单节蓄电池采用分别采样，取单节蓄电池的端电压经分压（降低功耗）后作为V/F转换的输入，分压电阻的分散性可通过V/F转换电路调整V/F转换信号输出通过光电隔离器件送到模拟开关，处理器通过控制模拟开关采集频率信号。数据采集电路与数据处理电路采用光电隔离和变压器隔离技术，实现两者之间电气上的隔离。但采用V/F转换作为A/D转换器的缺点是响应速度慢，在小信号范围内线性度差，精度低，而且测量的数据不是很准确。图2-1 V/F转换法的原理图2.5.2电阻分压法电阻分压法主要是通过电阻分压将实际电压衰减到测量芯片可接受的电压范围，然后进行模数转换。U1对应BT1 的电压，Un-1 对应从BT1 到BTn-1 之间的电压，Un 对应整个电池组的电压，如图2-2 所示。这种方法测量方面，成本低，寿命长，但是存在累积误差，且无法消除。随着单体电池数的增多，单体电池电压测量误差会随着共模电压的增大而增大。图2-2 电阻分压法原理图2.5.3 浮动地技术测量电池端电压由于串联在一起的电池组总电压达几十伏，甚至上百伏，远远高于模拟开关的正常工作电压，因此需要使地电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测量正常进行，其原理图如图2-3所示。每次工作时，先由模拟开关选通，使其被测电池两端的电位信号接入测试电路，此信号一方面进入差分放大器；另一方面进入窗口比较器，在窗口比较器中与固定电位Vr相比较， 从窗口比较器输出的开关量状态可识别出当前测量地（GND）的电位是太高，太低或者正好（相对于Vr）。如果正好，则可以启动A/D进行测量。如果太高或太低，则通过控制器对地（GND）电位行浮动控制。由于地电位经常受现场干扰发生变化，而该方法不能对地电位进行实时精确控制，因而影响整个系统的测量精度。图2-3 浮动地测电压原理图2.5.4 线性电路直接采样法线性电路直接采样法是为每个蓄电池配置一块采集板，贴近蓄电池安装，就近完成信号的采集和转换，将转换后的数字信号传输给单片机系统进行处理和传输。该方法的原理框图如图2-4所示。该方法采用线性运算放大器组成线性采样电路、后经电压跟随器送入A/D转换器、转换后的数字信号传输给单片机系统、无须外加采样保持电路，根据串联电池组总电压的大小、选择适当的放大倍数、无须电阻分压网络或改变地电位、就可以直接测量任意一只电池的电压。图2-4 线性电路直接采样法原理图2.5.5 开关矩阵法由于差分放大器可以克服共模信号的干扰，而只对差分信号进行处理。利用开关矩阵把每个单体电池的两端引出，即可进行端电压的测量而不受到其它电池的影响。该方案整体结构如图2-5所示，当SB1和SB2闭合时，其它开关都关断，电池BT1的两端电位分别接入差分放大器的正端和负端，经过差分放大器放大后送入模数转换器进行模数转换；当SB2和SB3闭合而其它开关都关断时，电池BT2的两端电位进行差分放大器的正端和负端，依次类推可以测量所有电池组中的单体电池电压。图2-5 开关矩阵法原理图3 硬件设计3.1 系统组成本系统为蓄电池监测系统，要能够实时在线监测蓄电池的端电压，环境温度等参数，当参数不在正常范围内时能够报警。蓄电池监测系统由以下几大部分组成：电压测量部分、温度测量部分、单片机、报警部分、显示部分。其中电压测量部分用来测量蓄电池的端电压，温度测量部分用来测量环境温度，单片机作为整个系统的控制单元，报警部分是当参数超限时报警，显示部分用来显示所测参数。具体的系统框图图3-1。图3-1 系统框图3.2 单片机本系统中使用的单片机为MCS-96系列中的80C196，它是Intel公司生产的一种16位单片机，适用于高速的控制系统中。它在硬件及指令系统的设计上较8位机有很多不同之处。如外部数据总线宽度可控、CPU采用寄存器-寄存器结构、片内有A/D转换器、能在运行时对EPROM编程等等。MCS-96的主要性能特点是：16位的CPU，没有累加器，采用寄存器-寄存器结构。5个8位的输入/输出端口。有高速的I/O系统。全双工的串行口。4/8通道的10位A/D转换器。可供用户使用的8个中断源。脉宽调制输出装置。专门的波特率发生器。16位的监视定时器。4个16位的软件定时器。2个16位定时器/计数器。6.25us的16位乘16位和32位除16位指令。部分3操作数指令。运行时可对EPROM编程。ROM/EPROM的内容可加密。232字节的寄存器阵列。图3-2 80C196引脚图80C196引脚如图3-2，引脚功能如下： CLKOUT内部时钟发生器的输出，时钟频率为晶振频率的1/3，占空比为33%。BUSWIDTH输入信号，用以选择外部数据总线的宽度（8位/16位）。当芯片组态寄存器CCR.1=1时，此信号用来在运行中选择总线的位数。若BUSWIDTH=1时，总线为16位，BUSWIDTH=0时，总线为8位。当CCR.1=0时，总线保持8位。对于8X9X-90系列的产品，没有总线控制功能，此引脚常接至Vcc。制造厂用此引脚作测试用。NMI非屏蔽中断信号输入，当此引脚有一个正跳变时，监视定时器复位，同时形成对外部程序存储器0000H单元的一个中断矢量。INST当对外部存储器进行读操作时，此引脚输出为高，表示是取指周期。ALE/ADV地址锁存允许或地址有效输出信号，只有在访问外部程序存储器时，此引脚的信号才有效。这两种信号都是用来锁存地址/数据总线上的地址信号的，通过CCR寄存器选择引脚功能。RD对外部存储器进行读操作时，此引脚输出为低。WR/WRL对外部存储器进行写操作时，输出低电平信号。BUS是8位时，每次写操作，此引脚输出为低；若BUS是16位，写偶数地址的存储单元时，此引脚输出为低。BHE/WRH由CCR选择此引脚作为总线高允许信号或写高位字节信号。READY加长存储器周期的输出控制信号。若在CLKOUT下跳前此引脚未升高，存储控制器进入等待方式，直到READY出现高电平。总线的等待周期最长可达到1us。HSI高速输入单元，其中HIS.2和HIS.3与高速输出单元的HSO.4和HSO.5共用。HSO高速输出单元。P08位高阻抗输入口，作8位数字量输入口线或片内A/D转换器的8个模拟量输入信号。P18位准双向I/O口。P28位多功能口，其中6根分别与RXD、TXD、EXTINT、T2CLK、T2RST、PWM功能线合用。P2.6和P2.7为准双向口线。P3、P4漏极开路的8位双向I/O口线，这16根口线用作地址/数据分时复用的总线。它有较强的内部上拉。EA外部存储器选择信号。EA=1，访问片内ROM的2000H到3FFFH单元。EA=0，访问片外同地址存储单元。XTAL1内部振荡器反相器和内部时钟发生器的输入。XTAL2内部振荡器反相器的输出。RESET复位。VCC主电源（+5V）。VSS数字地（0V）。VREFA/D转换器的参考电源。VPPEPROM的编程电源。ANGNDA/D转换器的参考地。通常与VSS同电平。因为80C196单片机内部没有程序存储器，所以必须连接外部程序存储器2764（8KB），用P3、P4作为总线。P3既作数据总线又作地址总线（低位地址），P4只作地址总线（高位地址）。因此，在读取程序时，必须把P3的地址进行地址锁存，具体电路如图3-3。设计中采用的是2764，它共需要13根地址总线。而另一方面，80C196程序访问的首地址是2080H，这样在读程序存储器时，P4.5一定得是高电平，因此要对P4.5作悬空处理，才能正确访问到EPROM2764的程序指令。P4.6作为EPROM2764的片选信号。 图3-3 程序存储器扩充电路3.3 复位电路与时钟电路单片机的复位电路采用上电及手动复位电路，如图3-4，当按下复位键时，复位端为低电平，之后就可复位。时钟电路如图3-5，两个电容都为30pF，XTAL1和XTAL2两端接晶体谐振器，与内部反相器构成稳定的自激振荡器。图3-4 复位电路图3-5 时钟电路3.4 电压采集电路为了对蓄电池组的单节电池电压特别是高压部分的单节电池电压实施实时在线检测，得到准确的电压信息送单片机进行分析判断，我们采用线性光耦合放大电路。线性光耦合器件TIL300的输入输出之间能隔离3500V的峰值电压，可以有效地将测量通道与计算机系统隔离开来，使计算机系统避免测量通道部分较高电压的危害，对信号放大的线性度也很好。多路输入和信号调理电路如图3-6所示。图中TIL300是光线光耦合器件，适合交流与直流信号的隔离放大。图3-6 信号调理电路U1B构成一个负反馈放大器，对信号进行放大，U3B是一个射极跟随器，对信号进行保持。12V也是个独立电源，用于U3B和TIL300的输出部分。这两个电源的隔离对电路的高压隔离性能有很大影响，应选用电源变压器中两组彼此有良好绝缘的线圈来制作。串接的50电阻是测量回路中的限流电阻、防止意外短路或绝缘不良产生过大电流烧毁器件或毁坏蓄电池。由于U1B运算放大器的输入阻抗很高，50限流电阻对测量精度无影响。这些限流电阻应选择功率值大于1W的金属膜电阻。调节电位器R4可以适应不同端电压的蓄电池。 电路中具体哪一个通道选通，由八路模拟开关CD4051决定。CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。EN是禁止端，当 EN=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=5V，VSS=0V，当VEE=5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。 . 使用十六进制代码就可以对CD4051进行操作了。比如说P1=0X07，这样CD4051就选择的是7号（二进制111）通道了。图3-7 CD4051引脚CD4051引脚如图3-7，功能如下：A、B 、C：地址端X0X7：输入端EN：禁止端X：公共输出端VCC：正电源VEE：模拟信号地GND：地具体电压测量电路图3-8，电压信号通过负反馈放大器的放大和射极跟随器的信号保持之后接八路选择开关CD4051，CD4051的输出先经过一个电压跟随器和RC网络和P3.0相连，因为单片机内部就有A/D转换器，如图3-9。3.5 温度测量电路由于温度对蓄电池的性能有比较大的影响，因此对温度参数的测量采集比较重要，本系统选用已经被广泛使用的1-wire数字温度采集芯片DS18B20对蓄电池所在场所的环境温度进行采集。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装图3-8 电压测量电路图3-9 CD4051与单片机连接形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。图3-10 DS18B20引脚DS18B20引脚如图3-10，引脚功能如下：GND：地DQ：数字信号输出VDD：电源DS18B20的主要特性：适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 温范围55+125，在-10+85时精度为0.5 可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温 在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快 测量结果直接输出数字温度信号，以一 线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。温度测量电路如图3-11，数据输出必须加上拉电阻。GNDDQVDDDS18B20GNDVDD4.7KVCCP3.1图3-11 温度测量电路3.6 报警电路当单片机对检测的数据进行分析处理后，如此时有关参数超过了设定的正常蓄电池状态参数的极限值，单片机会发出声光报警指令，启动蜂鸣器报警。具体电路如图3-12，利用三极管的放大作用驱动蜂鸣器。图3-12 报警电路3.7 显示电路显示电路采用数码管，因为I/O口不能直接驱动数码管，所以选用驱动芯片HD7279来驱动数码管。HD7279是一片具串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示，键盘接口的全部功能。图3-13 HD7279引脚HD7279引脚如图3-13，引脚动能如下：VDD：正电源NC：无连接，必须悬空VSS：接地CLK：同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升沿表示数据有效。CS：片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据DATA：串行数据输入/输出端，当芯片接收指令时，此引脚为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在“读”指令最后一个时钟的下降沿变为输出端。KEY：按键有效输出端，平时位高电平，当检测到有效按键时，此引脚变为低电平。SGSA：段g段a驱动输出DP：小数点驱动输出DIG0DIG7：数字0数字7驱动输出CLKO：振荡输出端RC ：RC振荡器连接端RESET：复位端HD7279主要特性 ： 串行接口，无需外围元件可直接驱动LED各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性（循环）左移/（循环）右移指令具有段寻址指令，方便控制独立LED64键键盘控制器，内含去抖动电路具体显示电路如图3-14，SGSA 段g段a驱动输出，DIG0DIG7 数字0数字7驱动输出。3.8 电源部分电路为满足芯片的电源需求，画出了+12V、-12V、+5V、-5V电源的电路图。具体电路如图3-15。三相电源经过变压器降压，再经过整流、滤波等工序，就可以得到需要的直流电源。图3-14 显示电路图3-15 电源电路4 软件设计对于软件编程采用汇编语言。汇编语言(Asse