基于MSP430蓄电池充电系统

    铅酸电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点,广泛应用于通信、铁路、交通、电力、石油、国防、工农业生产部门。在传统的充电技术中,常用的恒压充电、恒压限流充电、恒流充电等模式,都是由工人控制充电过程,由于充电技术不能适应免维护电池的特殊要求,严重影响电池的寿命,大量的免维护电池用几年后即报废,造成巨大的经济损失。本文所介绍的新型智能充电机系统,解决了动态跟踪电池可接受充电电流曲线的技术关键,形成了独具特色的智能充电机系列,提高了充电质量和效率,充电工人只担任辅助性工作,为充电技术和充电设备闯出了一条崭新的路。

1硬件部分
    电池充放电过程中,可进行恒流、恒压、涓流、充放电时间以及终止电压等多种控制规律选择。整个系统分2层,下层是执行层,上层为控制层。
1.1节点层
    利用三相桥式全控整流桥技术实现充放电转换。晶闸管的触发由MSP430来完成。拟采用双窄冲触发,以减少触发装置的输出功率。下层的核心就在于对MSP430的控制。MSP430F135是TI公司新近推出的Flash系列的16位单片机,他具有内置12位A/D转换器、串行通讯接口,集成JTAG接口,内置Flash存储器,具有看门狗定时器,2个16位定时器,可实现计数、时序发生、PWM等功能。并通过对堆栈的处理,实现了中断和子程序调用层次无限制,具有嵌套中断结构,即高级中断程序可以被低级中断请求打断,当中断请求同时发生时,按优先级别处理。利用他的12位A/D采集电流电压值,作为闭环控制的反馈变量。处理后的反馈变量与设定的值进行比较,根据一定的控制规律进行计算,确定触发角度,由单片机直接给出触发信号,打开可控硅。控制精度可达到2.5‰。电流电压采集采用差模放大技术,该电路简单,实现容易,且反馈精度高。单路结构图如图1所示。

1.2控制层
    实现控制系统的集散式控制。中间层的主要任务就是集合多路下位机的数据。中间层以ATmega16单片机为核心,他是一个与51系列兼容的8位单片机,易进行外围扩展。下位机数据经过通讯接口,上传到本层的非易失大容量存储器（Flash）DA28F640中。在本层加入人机界面LCD液晶显示屏以及键盘输入,由操作人员在本层对下位机直接控制。本系统也可组网,连接到计算机上。操作人员可以通过PC机实现对下位机的监控管理。
2软件部分
    本系统采用汇编语言设计,模块化程序结构,由主程序模块、数据采集模块、数据处理模块、定时脉冲发出模块以及通讯模块等几大模块组成。程序首先判断出执行命令,再转入条件设定子程序,如恒流充电命令,程序首先把设置电流、终止时间等命令结束条件赋值与判断变量,然后设置这些变量的布尔量为真,这样各种充放电命令简化为由主循环直接进行条件判断。整体程序结构紧凑、简洁、易懂,且易于设计、调试、维护和移植。
2.1数据采集/处理
    本系统数据采集采用差分放大电路,直接从电池两端引入电压、电流信号。选用放大器OP07。模拟到数字转换部分由MSP430内置A/D转换器完成。在主循环中起动A/D转换,转换结束后由中断程序把转换后的值存入指定的寄存器,留待全部转换结束后处理。设置转换结束标志位,以防重复启动。由于现场各种干扰的存在,使得采用所得的数据有一定的误差。为使转换结果更精确,同时考虑到系统灵敏性,可令每个输入信号采样4次左右,在处理上运用数字滤波处理,采用算术平均值法。算术平均值法适合于对一般的具有随机干扰的信号滤波,特别适合信号本身在一数值附近上下波动的情况。
    应用中也可根据被测参数的实际情况及所得数据规律,而综合采用多种算法,以取得更有效的滤波效果。处理后的值先与设定值比较,得出差值,再由关系式：
 
其中：U_d为变压器二次相电压有效值;
       U_2L为变压器二次线电压有效值。
    加实验得出电压电流差值于度数相对应的调整关系,再由度数和时间的关系转化为时间参量。将电压电流差值量转化为时间差值量后,再将时间差值量与原设定值相加（充电）或相减（放电）,从而动态的调整角度,进一步动态的调整电压电流的值,维持电压电流的以定的可接受的曲线变化。由于系统能够不断的采集反馈回来的电流电压的值,根据情况随时动态的调整控制量,使系统能随时跟上电流电压的变化而采取相应的措施,避免了在充/放电过程中产生过大电流的可能性,使电流曲线变化平缓。[page]
2.2脉冲触发程序
    MSP430的 P1口具有外部中断工作方式。由三相电经变压器引出任意两相经由比较器接入P1口,当两相互换时,引起P1口产生中断,可准确确定出两相的换相点位置。确定了换相点的位置,在P1口中断程序中打开定时器,把由电压换算出的时间值付给定时器的16位寄存器。定时器经过触发角时间产生中断,在定时器中断程序中打开相应触发脉冲的引脚。按规律经15°后脉冲结束,再经45°,打开下一个触发引脚。一个周期（360°）后,有采样的电压或电流重新确定触发角,重新给定时器的寄存器复值。



2.3上层程序
    上层程序主要有2部分组成：人机接口部分和通讯部分。人机接口包括键盘控制和显示2部分。在程序中,用键盘编制各种控制规律、控制程序。可将DA28F640内部分成若干个区,是下层每个节点对应一个区,把相应的充放电程序及下层传递过来的现场数据存到相应的区内。在单片机内部建立小型字库,存入需显示的字符,确保LCD液晶屏能动态地显示当前电压电流时间等值。

3结语
    本系统自动化程度高,大大提高了生产效率;人机界面友好,易于操作、管理。操作人员只需在控制层编好控制程序,系统负责把程序传到各个节点,由各个节点独立进行操作,中间无需看守,实现了设备的全自动化。工作过程中电流电压的变化由系统自动进行相应的调解,在掉电情况下系统会自动保存现场数据,实现了系统的智能化。