智能蓄电池在线监测仪的设计

    摘要：介绍一种以单片机为核心的智能化蓄电池在线监测仪器的设计思想和方法。该设计可取代传统的标示电池的人工测量方式，能完成对蓄电池组中每一只蓄电池的在线监测，同时还可测量电池组的充、放电电流和电池组的自放电率。使用该仪器可改善蓄电池的维护效果，进一步提高电池的可靠性。

    关键词：电源 蓄电池 单片机 在线监测

1 引言

蓄电池是一种能将电能转化为化学能储存起来，使用时再将化学能转变为电能的电源。它是一种供电方便、安全可靠的直流电源，因而在国民经济的各个领域得到了广泛的应用。由于蓄电池是一种化学反应装置，其内部的化学反应一般不易及时察觉，日常使用中的缺陷也不会立即反应出来，因此蓄电池的保养维护工作至关重要。其很重要的一项维护工作是对电池端电压进行测量，由于电池组中电池的数量很多，通常只能对其标示电池进行测量，而无法做到对每只电池都进行测量，因此不易及时发现异常电池，而如果异常电池得不到及时处理，故障现象将会日益严重，轻则导致电池组容量降低，重则将出现反极现象而损坏电池组中的其它电池。

智能蓄电池在线监测仪就是笔者为解决这一问题而设计的，其整机框图如图1所示。它的主要功能是对直流电源蓄电池组中每一只蓄电池的端电压进行巡检。其工作方式有手动测量、自动测量和遥控测量三种。自动测量又分为实时检测和定时检测，定时检测的时间间隔可根据用户要求设定。遥控测量是在集中监控情况下，由上位机通过本仪器接口向仪器发送测量命令，在接收到命令后由仪器开始测量，并将测量数据及判定结果送到上位机。手动测量由用户通过操作面板启动测量。手动测量的结果可立即由打印机打印出来，而自动测量和遥控测量得到的结果将存于机内，并可随时用手动操作方式将其打印出来。该仪器还有判定越限及报警功能，如发现异常电池，则立即发出报警信号，同时将异常电池的组号、序号、电压值、检测日期及时间打印出来。此外，本仪器还可测量电池组的充、放电电流，监测电池组的自放电率，并可计算电池组的充、放电容量和电池组的效率。

2 工作原理和电池

本仪器设计的关键部分在于它的采集器。对蓄电池组进行测量要考虑的首要问题是每只蓄电池之间都有电位的联系，由于电池组中的电池数量较多，整组电压很高，因此直接测量比较困难。目前对蓄电池组监测的采集方式都是采用双刀继电器进行切换，如图2所示。由力疔见，每一只电池的两端都与一只双刀继电器的两对常开接点相连接。这样当继电器都不动作时，所有电池均与测量回路断开。当需要测量某只电池时，所对应的那只继电器闭合，以使该电池的负端接到测量电池地，电池的正端经缓冲器进入A/D转换器。此时其它电池与测量电路仍处于隔离状态，因而对测量没有影响。用此方法虽可完成对电池组的测量，但需要的继电器太多，仪器的体积大，功耗和成本及故障率也较高。而本设计采用的则是一种悬浮测量方法进行采样，其原理如图3所示。它是利用模拟开关完成对被测量的电池的切换。两片模拟开关采用差动方式连接，模拟开关的工作电源均由所测量的差动方式连接，模拟开关的工作电池均由所测量的蓄电池来提供。这样就解决了电池组的电池数量多、电压高、难以测量的问题。为了保证蓄电池组的电压不影响测量系统的工作，本设计采用光电耦合器来进行隔离，从而构成了悬浮采样系统。该悬浮系统的工作过程为：单片机通过控制端CA、CB来同时控制模拟开关A1和A2。如果控制模拟开关同时选中输入端I2，则模拟开关A1输出端OUT1输出电池E2的正端电压，而模拟开关A2的输出端OUT2输出则是E2的负端电压。如果将OUT2接到测量系统的地电平，OUT1接到测量系统的信号输入端，那么测量结果即是电池E2的值。这样，单片机通过控制CA和CB就可完成对E1～E4的端电压的测量。此种悬浮采样方式利用独特的采样方法来完成对蓄电池组的测量。它的特点是采样器体积小、功耗低、成本低。用单片机作为整机的核心部件，它既可完成对蓄电池的采样控制、数据采集和数据处理，又可负责人机对话、输入控制命令、设置参数、输出显示数据、输出打印数据以及输出报警信号，还可通过通讯接口接受命令和发送数据及报警信号。在数据采集时，单片机通过采集器接口控制采集器，以完成对被测电池的选择，被测信号通过缓冲器输入到A/D转换器MC14433，经A/D转换后的数字信号再经光电耦合器隔离后进入单片机，在单片机内进行处理，并存储起来，最后将根据要求输出数据或报警信号。

3 软件设计

本装置的系统软件采用模块化设计，由汇编语言编程的若干子程序块组成。其中包括主程序，数据采集及处理子程序，超限判断及报警子程序，人机对话及打印子程序，中断处理子程序等。

系统主程序用于完成仪器的自检和初始化。自检包括RAM工作区、A/D转换器及其模拟采样通道、串口及打印机等的自检。初始化将对仪器初始状态给予设定，包括定时器和串口的设定及分配、中断系统的开放、看门狗的启动等。主程序的最后部分是执行指令以使其进入空闲状态。本装置所监测的对象是蓄电池，除了在电池的充电和放电过程中需要对它们进行实时监测外，其它情况下均为每隔一定的时间时隔测量一次。因此，本装置的测量方式分为手动控制、遥控及定时三种。任何被开放的中断都能够唤醒醒单片机，本仪器的外部中断0用于响应键盘信号，外部中断1用于响应时钟芯片MC146818产生的秒脉冲定时信号，串行口的中断则响应上位机的指令。显然，这三种测量方式都可以终止单片机的休眠并使它退出空闲状态。手动控制是操作人员通过操作仪器面板上的“测量”键来使仪器响应中断0的。而定时控制通过日历时钟芯片的定时信号使仪器响应中断1。遥控信号是上位机通过串口RS232或485发出测量信号，以使仪器响应串口中断。

数据采集子程序用来完成对电池组电压进行测量及处理。即将A/D转换器转换的结果读入单片机并经运算后得到电池电压值。然后调用超限判断子程序进行越限判断，并在加上标识后存入当前数据区。由于该仪器可以存储30天的历史数据，因此每次测量之后都需将历史数据区最早存入的数据移出数据区，同时将当前数据存入历史数据区。所以当测量结束后，还要进行历史数据区的更新。

人机对话程序的功能是管理仪器并接受操作人员的命令，包括时钟的设定及修正、定时时间设定、打印命令、测量命令等。此外，还将按照操作人员的意志进行电池组当前数据或历史数据的显示和打印等。

4 结束语

蓄电池组作为备用电池，往往不允许电源有间断，因此对电池组的性能要求是比较高的。传统的对蓄电池端电压的测量依靠人工来进行，使用的是手持式数字万用表，这样既浪费时间，又浪费人力，而且测量过程中也难免引入人为误差。直流电源系统在线监测仪是以单片机为核心的智能仪器，它采样原理新颖、方法独特、测试精度高、可靠性好、性能价格比高。可对蓄电池组中每一只蓄电池实现在线监测，也可替代传统的人工标示电池测量以完成全体电池的自动测量、存储及打印。因而使用该仪器省时、省力还可提高测量的准确度。它的广泛使用可大大提高蓄电池的维护效果，并可尽早发现电池的缺陷，以使其得到及时处理，达到延长电池寿命的目的。