论文研究-一种基于AVR单片机的智能蓄电池巡检系统 .pdf

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一种基于AVR单片机的智能蓄电池巡检系统,舒新,,本文介绍一种基于AVR单片机(Atmega128) 实现的电池巡检系统的设计方案及其软、硬件设计思路。该监控系统能够及时可靠的对电池组进行巡
山国科技论文在线 程序入口 程序入凵 系统初始化 系统初始化 参数初始化 参数初始化 蓄电池组总电压采集子程序 电池组端电压采集了程序 充放电电流采集子程序 温度采集子程序 与电池巡检模块通信子程序 图主监控模块流程图 图电池巡检模块流程图 几个主要功能模块的设计概要 主监控模块 高性能的8位单片机 Atmega128是采用精简指令集RISC( Reduced instruction set CPu) 结构的新型单片机,高速度、低功耗,执行一条指令仅需一个时钟周期:内置看门狗 Watchdog 定时器,防止程序走飞;片内有128 KB Flash程序存储器,4 KB EEPROM数据存储器,4 KBRAM 存储器;多达48个I0端凵,34个不同的中断源;除拥有音通异步串行通信接凵外,还 拥有同步串行SPI接口、双线串行TWI接口、ISP下载及JTAG仿真等功能;工作电压范围 宽,电源抗干扰性能较强。1 作为电池巡检监控系统的主要功能模块,主监控模块以 Atmegal28为核心,外部扩展 了串行 EEPROM24C512和实时时钟芯片DS1307。该模块对电池组电压、充放电流和和两路 温度进行采样并处理,通过电子开关对放电进行控制,并通过键盘及液晶显示接口进行按键 的处理和系统信息的实时显示,其原理框图如图所示。该模块对上位机提供RS232、RS185 两种串行通讯方式,并可提供1200、2400、4800、9600四种通讯波特率。对电池检测单元 模块提供RS485接口,并可以根据这些模块的通信要求来制定具体的通信协议。 山国科技论文在线 电压组电压米样 液晶显小 充放电电流采样 拨码器 主监控 温度采样 与上位机通信 实时时钟 与电池巡检模块通信 放电控制 串行 图主监控模块熄理图 蓄电池总电压、充放电电流釆样 在直流系统中,蓄电池组都是由很多个单体电池串联在一起供电的,而且充电机给蓄电 池充电也不是单体充电,而是对整个串联在一起的蓄电池一起充电,根据蓄电池组的总电压 和充放电电流大小来判断蓄电池组的物理状态,进而采取合理的充电方式。并且测试单体电 池内阻时,需根据放电电流进行计算。因此,需要对蓄电池组的总电压和充放电电流进行采 样。通过适时采样电池组组端电压和电流,记录其变化情况,可以综合分析电池组的整体性 能 充放电电流的采集是通过电流传感器(采用霍尔传感器)将测量的电流转换为电压信号, 通过采样电路送至单片机。蓄电池总电压的采集是通过光继电器进行隔离,经过电阻的分压 送单片机,通过单片机自带AD进行转换。 温度釆样 环境温度对蓄电池使用寿命的影响较大,温度升高时,蓄电池的极板腐蚀将加剧,同时 消耗更多的水,从而使电池寿命缩短。温度太低,会使得电池容量降低,充电接收能力下降, 充放电循环减弱,寿命下降。所以在蓄电池管理单元的设计中设置有环境温度检测单元,对 蓄电池的充放电进行温度补偿。监测电池表面温度亦可对电池性能进行较准确的评估,蓄电 池组中个别电池的失效会对整个系统造成影响。损坏的电池由于其内阻增大,在充放电过程 中其功耗亦会大于其它正鸴电池,故其表面温度会高于其它电池.当其表面温度与其它电池 相比超限时,则可认为此节电池已损坏 温度的采集是通过温度传感器(采用的TMP35温度传感器)将温度转换为电压信号,经 采样电路送至单片机,通过单片机自带A进行转换。 山国科技论文在线 单体电池内阻测量 多年的研究和运用表明,蓄电池内阻可作为其容量和完好性的有效指标,在蓄电池的老 化过程中,其内阻的上升明显早于充电时端电压的提高,直到内阻上升了60%以上时,端电 压才有明显的增大,电池内阻具有很好的预测性,可以用来评估和预测蓄电池的性能,因为 蓄电池的内阻与容量及其完好性有着密切的关系,这种方法越米越受人们重视 蓄电池內部阻抗检测方法分为交流检测法和直流检测法两和。采用交流检测法测量时, 首先在蓄电池上加上一个交流测试信号,该信号的频率的选择应保证测量过程不受电容的影 响,然后测量流过蓄电池的电流和电池两端产生的交沇电压,根据测试数据计算岀电池的内 部阻抗。但交流检测法抗干扰能力差,容易受外部噪声源的影响。釆用直流检测法,在电池 组两端接入放电负载,对蓄电池进行瞬间人电流放电,然后测量电池端电压在放电过稈中的 瞬间变化和放电电流值,据此导出电池内部阻抗值。 本巡检系统采用的是直流检测法。蓄电池从浮充状态切换到放电状态,即停止允电后, 电氾回落到某平衡电位,接入放电负载后,电压发生阶跃变化。这样,内阻的计算不能使用 浮充电压和放电工作电压的差值来计算,使用开路平衡电位与放电工作电压的差值时也不够 稳定。因此,在放电过程改变电流可以克服平衡电位不稳定的因素。采用式(1-1),根据 在不同电流(I1、I2)下的电压变化(U1U2)米计算内阻值 了1-U2 放电模块 放电模块采用了大功率的电子负载技术,能瞬间承受高达100A(或200A)的冲击电流, 以实现对电池负荷能力的检测。放电模块也叮作为长时间5-30A放电负载,实现对电池容量 的核对性测试及电池性能的活化。当米自主监控模块的信号指示放电时,放电负载接通,电 池通过负载放电,同时电压采集模块将快速采集电池电压每一变化量。 除对主监控模块的开关指令外,放电模块内部也设有计时器,当放电超时时,将切断放 电回詻,即使电子廾关损坏,放电回路也将被切断,从而大大提高了放电模块的工作可靠性、 放电模块还设有过流、超温等异常保护。同时放电模块工作时还受控于交流市电,在放电时 如发牛交流市电失电,放电模块将自动终止放电,保证直流系统向负载供电。 电池巡检模块 电池组单体电池电压是最可靠的电池特征。蓄电池的监测量中,单体电压是一重要参数, 是判断单体电池故障的重要依据。单体电池电压的检测方法有构造电阻网络提取电压、V/F 转換无触点釆样和继电器切换提取电压等等。前两种方法存在误差积累、电路参数匹配和温 山国科技论又在线 度影响等问题。本系统采用光继电器无触点切换,提取电压的方法电简单,并实现对每个 测量端口进行隔离,保证了测量有良好的安全性及高精度。其原理如图5所小。 单体 电池 电压 降压 滤波 电压 转换 跟随 电路 电路 电路 采集 图电池单体电压采样电路 电池检测模块亦采用了扃性能的8位 Atmegal28单片机,单片机通过74HCl38三八译码 器控制光继电器汋导通和电平转换电路的切换。CP控制信号通过控制光继电器实现每次只 将一个电池正负极切入电平转换电路,从而将单节电池电压引出,绎过采样电路后进入单片 机进行A①D转换。该测量方案由于对电池端电压为直接采样,不需要大量的分压电阻,没有 误差积累的情况,也没有压频转换中受温度影响的问题,所测电压就较准确,并且测量电路 利用单片机内置的10位A/D模数转换器,从而保证了测量精度。 在软作上采用递推平均滤波算法来保证测量的精度。测量的结果通过RS485通信接口 与主监控模块进行通信。 结束语 以单片枞 Atmega128为核心的智能电池巡检监控系统,性能稳定,采样显示精度高,报 警、控制准确度髙、通讯误码率低。同时,特别易于系统功能的扩展,实际应用前景广`阔 参考文献 马潮,《高档8位单片机 Atmega128原理与开发应用指南》,北京:北京航空航天大学出版社,2004.12 山国科技论文在线 作者简介:舒新年出生,山东滨州人,现为河海大学电气工程学院在读研究生。

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