基于單片機(jī)的蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

華紅艷，宋偉，孫珍珍，王藝，張海青（.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院；.鄭州大通專利商標(biāo)代理有限公司，鄭州450000）

基于單片機(jī)的蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

華紅艷1，宋偉1，孫珍珍1，王藝1，張海青2
（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院；2.鄭州大通專利商標(biāo)代理有限公司，鄭州450000）

針對(duì)蓄電池的基本工作情況，分析和研究了蓄電池的主要性能指標(biāo)及檢測(cè)方法，介紹了關(guān)鍵的測(cè)量原理與算法以及系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)；通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的充放電參數(shù)，確保蓄電池正常工作，也便于發(fā)現(xiàn)損壞的或者性能顯著降低的蓄電池，有益于蓄電池的維護(hù)。

蓄電池；單片機(jī)；在線監(jiān)測(cè)

0　引言

目前，許多設(shè)備諸如電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)中蓄電池在線監(jiān)測(cè)問題越來越為人們所關(guān)注，這些電源的關(guān)鍵部件是大功率蓄電池組。由于蓄電池組是由多個(gè)單體蓄電池串聯(lián)組成的，單個(gè)蓄電池故障就會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)，所以對(duì)蓄電池組進(jìn)行定期檢測(cè)和在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能降低的電池，將可提高電源的可靠性。通過預(yù)測(cè)可以對(duì)蓄電池容量隨時(shí)進(jìn)行估計(jì)，快速而全面地評(píng)估蓄電池的狀況，以便及早發(fā)現(xiàn)蓄電池的潛伏性故障，從而提前對(duì)蓄電池運(yùn)行狀況做出診斷，避免和減少事故，保證蓄電池組供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1　系統(tǒng)研究指標(biāo)

研究蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是正確監(jiān)測(cè)端電壓、電池的剩余電量和電池溫度，估算出電動(dòng)勢(shì)、電池內(nèi)阻，從而對(duì)電動(dòng)車的用電進(jìn)行管理以及防止電動(dòng)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生對(duì)電池的傷害。蓄電池的端電壓是在正負(fù)極上實(shí)際測(cè)得的電壓。蓄電池的工作狀態(tài)不同，端電壓也不同。當(dāng)蓄電池放電時(shí)，它的端電壓為U=E－IR。蓄電池的剩余電量與蓄電池的端電壓之間有一定的關(guān)系，因此蓄電池剩余電量是在一定的條件下通過與端電壓之間的關(guān)系取得的。蓄電池體的溫度是蓄電池的重要標(biāo)志參數(shù)，對(duì)電池的性能有很大影響。當(dāng)電池溫度過高時(shí)勢(shì)必影響到電池的工作效率和壽命，故溫度的測(cè)量不可少。本文以鉛酸蓄電池為研究對(duì)象，由于鉛酸電池本身的特殊性，其荷電狀態(tài)受放電電流、本身退化等諸多因素的影響，本文通過對(duì)蓄電池的內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)測(cè)量，采用了一種特殊的直流檢測(cè)法，希望提高對(duì)蓄電池體溫度、電池電動(dòng)勢(shì)、電池內(nèi)阻及剩余電量測(cè)量的精度。另外這種方法不研究蓄電池的相對(duì)比較復(fù)雜的內(nèi)部化學(xué)機(jī)制，簡(jiǎn)單易行。

2　系統(tǒng)測(cè)量原理

2.1內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)測(cè)量與計(jì)算

系統(tǒng)的測(cè)量模塊對(duì)蓄電池的電壓測(cè)量的電路原理圖如圖1所示。

其中，R1為電池內(nèi)阻，E為電池電動(dòng)勢(shì),U1、U2分別為Q1截止和Q1導(dǎo)通時(shí)的端電壓，I1、I2分別為流入測(cè)量模塊的電流，I21為流過R2的電流，I22為R6的電流。

由此可求出蓄電池的內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)：

其中R2、R5、R6的電阻值為已知，且電路中R5= R6、R7=R8，測(cè)量模塊需要測(cè)量的量有端電壓U1、U2，晶體管Q1導(dǎo)通時(shí)電壓Uc。系統(tǒng)將電流傳感器串聯(lián)接在測(cè)量電路上，精確測(cè)量電路電流I1、I2。單片機(jī)通過P1.0～P1.3管腳控制多路選擇器CD4051的輸入A、B、C，來分別選通8通道中的X1、X2、X4通道電路通道，并控制晶體管Q1的導(dǎo)通與截止，從而測(cè)量出U1、U2、UC。單片機(jī)輸入控制與通道輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　 CD4051輸入與測(cè)量輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

測(cè)得的各參數(shù)經(jīng)運(yùn)算放大器和高速光耦，進(jìn)行隔離放大后接到A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.2剩余電量的測(cè)量

蓄電池的剩余電量是指在放電允許的范圍內(nèi)，蓄電池某一時(shí)刻剩余的容量，它是隨時(shí)間變化而變化的量，同時(shí)也是衡量蓄電池優(yōu)劣的主要指標(biāo)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉛酸蓄電池的剩余容量C與端電壓U之間的關(guān)系如表2和圖2所示。

表2　蓄電池剩余容量與端電壓對(duì)照表

對(duì)交流負(fù)載而言，無論蓄電池的充電狀態(tài)如何，蓄電池放電一段時(shí)間后，其剩余容量與其端電壓的關(guān)系基本是線性的。當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，端電壓為13.5V左右。當(dāng)蓄電池的剩余容量低于20%時(shí)，即其端電壓低于11V左右時(shí)，蓄電池基本已不對(duì)外放電。

2.3溫度測(cè)量

電池溫度測(cè)量是采用DSl8B20數(shù)字溫度傳感器貼于電池外殼的方法，通過在線測(cè)量電池的溫度，找出溫度異常的電池。DS18B20通過內(nèi)部溫度寄存器接收一個(gè)受溫度系數(shù)影響的振蕩器輸出的脈沖個(gè)數(shù)直接影響到數(shù)字溫度數(shù)據(jù)。收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，DS18B20的內(nèi)部數(shù)字化溫度轉(zhuǎn)換器將溫度數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式儲(chǔ)存到16位快速暫存器中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)中前5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度為正值，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625，即可得到實(shí)際溫度；如果溫度為負(fù)值，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625，即可得到實(shí)際溫度。溫度各進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的關(guān)系如表3所示。

表3　溫度與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的關(guān)系

DS18B20的數(shù)據(jù)線DQ與單片機(jī)P1.7管腳相連接，實(shí)現(xiàn)溫度的傳輸，溫度測(cè)量電路的接口電路圖如圖3所示。

3　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，擁有多路相互獨(dú)立的測(cè)量模塊，在實(shí)際測(cè)量時(shí)只需插入即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。測(cè)量電路輸出信號(hào)是模擬信號(hào)，要經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換才能送到單片機(jī)進(jìn)行處理，并且和測(cè)得的溫度一起通過液晶模塊LCDl2864進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示。當(dāng)電池狀態(tài)達(dá)到極限時(shí)，會(huì)在液晶屏幕上顯示報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行語音報(bào)警。為防止很多不確定的因素導(dǎo)致程序的混亂發(fā)生，利用可編程看門狗定時(shí)器X25043來保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)還可以人為地通過按鍵設(shè)定電池剩余電量提示、溫度報(bào)警上下限。各模塊電路相互協(xié)調(diào)，依據(jù)主控制器發(fā)出命令做出相應(yīng)的反應(yīng)。

3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分為兩大部分：核心控制單元和功能模塊單元，即主控制器AT89C52、電壓電流測(cè)量、A／D轉(zhuǎn)換、鍵盤電路、抗干擾電路、溫度測(cè)量、液晶顯示、語音報(bào)警。設(shè)計(jì)蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。

3.2顯示及報(bào)警模塊

蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了液晶模塊LCD12864，LCD12864可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示，且低電壓低功耗，電源電壓（VDD為+3.0V～+5.5V），工作溫度為0℃～+55℃。74LS245的選通和傳輸方向由單片機(jī)的P2.6和P2.7控制，來驅(qū)動(dòng)LCD12864正常顯示。液晶模塊上的RS、R/W、E引腳分別由單片機(jī)的P3.2、P3.3和P3.4控制，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)液晶模塊的讀寫操作，顯示蓄電池的各參數(shù)和蓄電池表面溫度值。當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前的測(cè)試端電壓低于預(yù)先設(shè)定的下限值時(shí)，液晶屏出現(xiàn)“電量不足”警告；當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前采集的溫度值高于預(yù)先設(shè)定的上限值時(shí)，液晶屏立即顯示“溫度過高”提示。

將需要語音播報(bào)的內(nèi)容事先錄制到語音芯片中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，語音模塊將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)（這其中包括電池剩余電量值、當(dāng)前采集的溫度值）和預(yù)先設(shè)定電池剩余電量提示下限、溫度報(bào)警上下限進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的語音提示或報(bào)警。液晶顯示電路如圖5所示。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)采用了功能模塊化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)程序主要包括以下幾個(gè)方面：初始化、按鍵處理、溫度測(cè)量、電壓電流測(cè)量、轉(zhuǎn)換計(jì)算、語音報(bào)警和顯示等子程序。子程序與相關(guān)電路是對(duì)應(yīng)的，很好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)軟硬件之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖6所示。

5　結(jié)束語

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)清晰，具有很好的可擴(kuò)展性能。采用蓄電池電壓和內(nèi)阻綜合判斷蓄電池的性能，具有較高的可靠性。由于控制電路元器件少、電路簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、易于操作，通過直觀地顯示避免了人工計(jì)算，幫助用戶更迅速、準(zhǔn)確地對(duì)蓄電池充放電和更換出現(xiàn)問題的部件，便于及時(shí)有效地開展維護(hù)，也降低了蓄電池維修錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)3版[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003．

[2]程琤，華紅艷.單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010．

[3]張恩利，徐小杰，侯振義.通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)[J].電源世界，2003（12）：11-15．

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(責(zé)任編輯：趙建周）

The Research and Design of Monitoring System of Storage Battery Based on Single Chip

HUA Hong-yan1,SONG Wei1,SUN Zhen-zhen1,WANG Yi1,ZHANG Hai-qing2
（1.Zhengzhou Institute Of Aeronautical Industry Management,Department of Electronic Engineering；2.Zhengzhou Datong patent and Trademark Agency Co.Ltd.Zhengzhou 450015，China)

This paper analyzes and studies the main performance index and test method of battery,according to the basic working condition of storage battery,battery charge and discharge parameters monitor in real time,this paper introduces the key measuring principle and algorithm,comes up with the design of hardware and software system and tests the running state of through the display device.Thus,the system ensures the normal work of the battery,finds out the damaged battery or the battery whose performance reduce significantly and is conducive to the maintenance of the battery.

storage battery;single chip;on-line monitoring

TP912

A

1673-2928（2015）02-0008-04

2014-09-20

華紅艷（1963-），女，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院教授，研究方向：電氣自動(dòng)化控制。