基于DS2438和Labview的鐵路UPS蓄電池監(jiān)測維護系統(tǒng)設計

柴愛平 緱文博

【摘要】針對當前鐵路系統(tǒng)中大量使用的UPS蓄電池工作狀態(tài)不能合理監(jiān)測、無法進行自動維護的問題，研究了一種由單片機控制DS2438的蓄電池監(jiān)測維護系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在線準確的監(jiān)測蓄電池電壓、剩余電量等參數(shù)，放電維護狀態(tài)下對蓄電池健康狀態(tài)進行判斷的功能。通過長期進行蓄電池的放電實驗，找到了合理的蓄電池放電深度數(shù)據(jù)值。實驗表明，監(jiān)測維護系統(tǒng)提高了鐵路UPS蓄電池的使用壽命和運行可靠性。

【關鍵詞】DS2438;Labview;蓄電池監(jiān)測;剩余電量;放電深度

鐵路各站段機房中大量使用的UPS在鐵路安全運行中起到了至關重要的作用，目前的UPS維護工作基本都是工人們依照經驗進行，因此主要存在以下問題：UPS蓄電池的健康狀態(tài)無法準確判斷;放電維護只是簡單的通過蓄電池對電阻器件進行大電流放電，放電深度無法控制，容易損害電池壽命;長期進行實驗記錄的數(shù)據(jù)表明，蓄電池放電深度一般選擇在60%有利于蓄電池健康運行，這樣就需要在線式UPS蓄電池電量監(jiān)測維護系統(tǒng)對電池電量和狀態(tài)進行實時監(jiān)測，提高放電維護過程中蓄電池的使用壽命，避免過于深度的放電對蓄電池造成的損害，保障了鐵路系統(tǒng)的安全。本文從硬件設計和軟件設計兩個方面介紹以DS2438為蓄電池數(shù)據(jù)測量器，C8051F020單片機為控制核心的UPS蓄電池的在線監(jiān)測維護系統(tǒng)[1]。

1.系統(tǒng)結構

整個蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)主要由C8051F020單片機作為控制核心、LCD顯示電路、光電隔離電路以及由DS2438構成的蓄電池參數(shù)采集電路組成[2]。系統(tǒng)通過測量板對蓄電池進行電壓、電流以及剩余容量的監(jiān)測，測得的數(shù)據(jù)通過傳給C8051F020單片機，放電維護過程中剩余容量達到60%，單片機控制繼電器斷開，結束維護過程。如果蓄電池工作過程中出現(xiàn)失效，電壓波動，容量下降等問題，系統(tǒng)將會進行報警，提示工作人員進行蓄電池的更換。系統(tǒng)上位機由LabVIEW軟件開發(fā)制作，主要作用有顯示監(jiān)測過程中的參數(shù)，按日期記錄維護監(jiān)測信息，以便于對蓄電池進行分析[3]。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

1.1 微控制器

控制器采用C8051F020單片機，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳，便于用在多路控制系統(tǒng)中;具有高速流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（可達25MIPS），12位100ksps的8通道ADC;帶PGA和模擬多路開關，8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關;包含雙12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式，64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，4352字節(jié)的片內RAM;硬件實現(xiàn)的SPI、I2C和兩個UART串行接口，5個通用的16位定時器片內看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等特點[4]。

設計中將單片機P0口作為LCD顯示的數(shù)據(jù)接口;P1口實現(xiàn)鍵盤掃描;系統(tǒng)同時進行多路UPS放電維護時，用P2口控制各路繼電器電路;P3.0和P3.1口用作串口數(shù)據(jù)收發(fā)，P3.2和P3.3口作為DS2438接口;P4口與LCD控制端連接;P5口用來控制聲光報警電路。

1.2 DS2438智能電池監(jiān)視芯片

DS2438智能電池監(jiān)視芯片為電池組提供了很有價值的功能，它可用于標識電池組的唯一序列號，直接數(shù)字化的溫度傳感器，具有可測量電池電壓和電流的A/D轉換器;集成電流累積器用于記錄進入和流出電池的電流總量;具有一個經歷時間紀錄器以及40字節(jié)的非易失EEPROM存儲器，可用于存儲重要的電池參數(shù)例如化學類型、電池容量、充電方式和組裝日期等。DS2438使用1-Wire接口發(fā)送和接收信息，所以中央微控制器和DS2438之間僅需1條連線（還有地線）。電池組僅需要三個輸出接頭：電池電源、地和1-Wire接口[5]。

1.3 蓄電池測量監(jiān)測電路

蓄電池測量監(jiān)測電路對UPS中每組3-5個蓄電池可以同時進行剩余電量、溫度、電壓參數(shù)的測量，測量電路主要由電流傳感器LA28-NP、LM7805穩(wěn)壓器、監(jiān)測芯片DS2438、光電耦合器6N135構成[6]，具體電路如圖2所示。

圖2 蓄電池測量監(jiān)測電路

圖3 蓄電池剩余容量與放電深度關系

系統(tǒng)進行蓄電池電壓測量時，被測電壓在電阻上經分壓、濾波后送入DS2438的VAD端，內部AD轉換器進行變換后將數(shù)值存入存儲器中，便于單片機直接進行讀取;采用霍爾式電流傳感器LA28-NP對蓄電池放電電流進行變換后，送入DS2438中對電流進行測量[4]。LA28-NP電流傳感器的原邊電流在5～25A范圍內有5種選擇方式，通過電流設定后可將電流變換至25mA范圍內;電池剩余電量的測量通過計算電流流入流出電池的差值而得到[7]。DS2438芯片為在測量UPS蓄電池放電維護過程剩余電量使用了一個集成電流累加器ICA，ICA作為負責累計電池組投入使用后的全部流入和流出電池電流的寄存器，其計算值可表征為電池剩余容量[8]。

2.剩余容量實驗

在選擇蓄電池的維護放電深度時，選取5個同型號的蓄電池（蓄電池容量、電壓都相同），在同樣的實驗條件下對相同的阻性負載進行放電，選取不同的放電深度（分別為20%、50%、60%、70%、80%），每次放電記錄蓄電池容量數(shù)值。通過23個月的實驗數(shù)據(jù)表明，當放電維護時選擇剩余容量為60%時，蓄電池的健康狀態(tài)良好，使用壽命最長[9]，實驗測得曲線如圖3所示。

3.系統(tǒng)軟件設計

3.1 單片機程序設計

單片機程序主要分為系統(tǒng)控制程序、電池參數(shù)測量程序、繼電器驅動程序、LCD顯示程序、串口通信程序等。監(jiān)測維護系統(tǒng)將測得的VRLA蓄電池參數(shù)傳給單片機，當剩余容量小于60%時，控制程序使繼電器斷開，維護過程結束。當蓄電池使用或維護中電流、電壓、溫度等參數(shù)超過安全范圍時，系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警。程序流程圖如圖4所示。

圖4 單片機控制程序流程圖

3.2 LabVIEW上位機程序

LabVIEW是一種圖形化的程序開發(fā)環(huán)境，設計方法類似于C和BASIC語言，具有模塊化程度高，驅動設計方便，易于工業(yè)控制軟件的開發(fā)。監(jiān)測維護信息管理軟件通過接收單片機串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，主要記錄了每次維護UPS蓄電池的時間、蓄電池狀態(tài)、蓄電池維護放電量等，方便管理人員實時進行數(shù)據(jù)查詢和信息分析[10]。系統(tǒng)管理界面如圖5所示。

圖5 LabVIEW上位機管理軟件界面

4.結論

監(jiān)測維護系統(tǒng)實現(xiàn)了UPS蓄電池的在線監(jiān)測功能，測量數(shù)據(jù)準確，可以對蓄電池在自動狀態(tài)下進行放電維護，提高了工作效率。當蓄電池出現(xiàn)故障狀態(tài)時，可以及時進行報警。監(jiān)測維護系統(tǒng)有效的延長UPS蓄電池的使用壽命，確保了鐵路系統(tǒng)的安全可靠性，節(jié)約了資源。系統(tǒng)有成本低，誤差小，操作簡單，維護效果好的特點，在鐵路系統(tǒng)中有一定的實用價值。

參考文獻

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