串联蓄电池循环充放电单体检测系统

串联蓄电池循环充放电单体检测系统摘要本设计中的串联蓄电池循环充放电单体检测系统采用凌阳公司的SPCE061A单片机作为主控单元，通过对蓄电池单体的实时检测，及时反映蓄电池容量状态，能够很好地实现串联蓄电池均衡充放电。关键词SPCE061A串联蓄电池均衡充放电单体检测引言蓄电池作为轨道交通机车和客车车辆的启动电源和后备电源，对列车安全运行起着极其重要的作用。随着蓄电池的种类（铅酸、镍铬、镍氢、锂离子等电池）和数量不断增加，给蓄电池的地面维护增加了新的要求和难度。其中充放电作业作为蓄电池地面维护的关键环节，对蓄电池安全可靠使用起着至关重要的作用，掌握合理的充放电过程可获得蓄电池的高荷电容量，延长使用寿命，并且可以增强蓄电池的充电接受能力。而现有的充放电设备，大多未能遵从蓄电池内部的物理、化学变化规律，存在严重的过充电、过放电和析气现象，从而导致充放电过程的低效、耗时和易损。由于各种条件的局限，同组蓄电池的单体性能存在着较大的离散性。如果不加识别地对所有蓄电池单体采用相同的充放电电流和充放电时间，势必造成有的单体过充和过放，而有的单体充放电深度不够。这种单体电池不均衡则是蓄电池组出现故障的主要原因。实时监测蓄电池单体电压，并及时停止充电或放电，可有效避免蓄电池单体的过充或过放。但在蓄电池充放电过程中，蓄电池单体端电压不断发生变化，特别是在充电后期和放电末期，蓄电池的端电压变化速度快，若采用人工测量，其实时性和准确度都难以保证。应用单片机控制的蓄电池单体电压检测系统，可以实时准确地测量每个单体蓄电池的端电压，当充放电符合标准时，及时离线，有效地防止单体电池的过充过放。1整体设计方案本项目实时监测串联的三节蓄电池单体电压，并及时停止充放电，可有效避免蓄电池单体的过充或过放。项目应用单片机作为控制核心，对蓄电池单体分别进行A/D采样，将各串联单体的端电压及时地输入到单片机内，通过跟设定的充放电电压比较，可以实时准确地做出判断，当充放电符合标准时，及时离线，有效地防止单体电池的过充和过放。单片机二极管指示灯数码管显示A/D信号调理电路多路开关控制与驱动电路线性隔离电路光电耦合继电器串联蓄电池组2方案论证与比较21处理器的选择与比较方案一51系列单片机处理速度慢，I/O口少，内部RAM存储量小。再者51系列单片机需要焊接外围的晶振电路和复位电路，这使得单片机的稳定性变差，受干扰大。51单片机采用的编程方式为汇编语言难编程难读懂难修改。方案二凌阳的16位单片机的CPU内核采用凌阳最新推出的NSP（MICROCONTROLLERANDSIGNALPROCESSOR）16位微处理器芯片。由于芯片内部加入了硬件乘法器，这样凌阳单片机即可以做控制，也可以完成数据的信息的处理。而且凌阳单片机还采用了SOC理念，一颗芯片就是一个系统，把传统单片机学要扩展的AD、DA、存储器等器件都做到了芯片内容，方便了单片机的学习和项目的开发。NSP家族有以下特点体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展；具有较强的中断处理能力高性能价格比；指令系统功能强、效率高；功耗低、电压低。鉴于以上的比较本项目采用凌阳SPCE061A单片机作为控制的核心元件。3硬件设计及相关芯片介绍31信号调理电路311多路开关CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。当INH输入端“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。本系统通过单片机控制INH和，分别选通不同路的通道。本系统连接中让一号蓄电池的正极连，负极连；二号蓄电池的正极连，负极连；三号蓄电池的正极连，负极连。312放大电路多路开关所允许通过的电压值上限是5V，并且凌阳单片机标准的采集电压值范围是05V。而所要采集的蓄电池最大电压值是超过5V的，因此我们在这里应用一个二级运放。它的功能可以将输入的电压值缩小一半，从而使得从运放输出口输出的是一个可以通过CD4051并且可以被单片机采样的标准信号。313线性隔离电路在本系统中，输入、输出信号的隔离是必要的，对于开关量输入输出信号，我们采用了光电耦合器或继电器进行隔离，并采用线性隔离措施。LOC111是1对线性光耦合器，应用在电流的隔离上，以保持正确的交流及直流信号由输入到输出的线性特性。此元件包含1个红外发光二极管与2个光电三极管，形成光耦合。其中的个光电三极管是用于伺服反馈，对发光二极管的导通电流予以补偿；另个光电三极管是用于提供输入及输出电路间的电流隔离。32继电器驱动电路当单片机通过电阻R送出一个高电平时，三极管导通，继电器动作，由此实现单片机对继电器的控制。33AD采样模块SPCE061A有8个通道的10位A/D转换器，其中7个为普通A/D转换通道，模拟信号直接通过IOA0IOA6输入，另一个是语音信号输入通道。在ADC内由A/D转换器DAC0和逐次逼近寄存器SAR组成逐次逼近式A/D转换器。ADC采用逐次逼近式，在ADC自动方式启动后，会产生一个启动信号RDY0，此时DAC0的电压模拟量输出值与外部的电压模拟量输入值进行比较，以尽快找出与外部电压模拟量相适应的数字量输出值。逐次逼近式控制首先将SAR中数据的最高有效位设为1，而其它位则全设为0，即1000000000B。这时DAC0输出电压VDAC0与输入电压VIN进行比较，如果VINVDAC0，则保持原先设置为1的位，否则该位会被清零。接着逐次逼近式控制又将下一位试设为1，其余低位依旧设为0，即1100000000B，VDAC0与VIN进行比较，若VINVDAC0，则仍保持原先设置位，否则该位清零。这一过程一直延续到10位中的所有位都被测试之后，A/D转换的结果才保存在SAR内。当10位A/D转换完成时，RDY置1，此时，通过读取P_ADC或P_ADC_MUX_DATA单元，可以获得10位A/D转换的数据。34显示部分系统通过三个红色发光二极管、三个绿色发光二极管和数码管实现系统的动作显示。当系统处于充电状态时，如果一个电池的两端电压值大于了系统设定值，则数码管显示电池两端的电压值和电池的序号，同时对应该电池的红灯会亮起。当三个灯都亮起时，系统自动切换到放电状态，然后红灯全部熄灭。当系统处于放电状态时，如果一个电池的两端电压值小于了系统设定值，则数码管显示电池两端的电压值和电池的序号，同时对应该电池的绿灯会亮起。当三个灯都亮起时，系统自动切换到充电状态，然后绿灯全部熄灭。35稳压电源220V电压通过变压器输出两路18V电压，由于变压器输出端中间地与系统共地，通过整流桥整流后输出一路正电压和一路负电压，后分别经过7815和7915提供正负15V电压，为系统的OP07运算放大器供电。正负15V电压分别经过7805和7905提供正负5V电压，为系统的单片机和其它的一些器件供电。4软件设计该系统流程框图如图所示，首先系统依次对三节蓄电池进行充电检测，当检测到某节蓄电池过充时就让单片机对继电器进行动作使相应蓄电池断开，否则继电器不动作。当检测到三节蓄电池都已经过充时单片机控制继电器动作使充电器断开让蓄电池处于放电。此时进入放电检测，当检测到某节蓄电池过放时单片机使相应继电器动作使其断开。当系统检测到三节蓄电池都处于过放状态时继电器动作使充电器接上就又开始给三节蓄电池充电检测反复循环。软件流程图程序初始化充电U1125U2125U3125U110U210U310AD采样数据处理放电AD采样数据处理开始结束YNNY5