儀器儀表供電電池容量在線檢測模塊設計

彭 玲 毅

(中冶京誠(湘潭)重工設備有限公司-湘鋼電修廠，湖南 湘潭 411101)

儀器儀表供電電池容量在線檢測模塊設計

彭 玲 毅

(中冶京誠(湘潭)重工設備有限公司-湘鋼電修廠，湖南 湘潭 411101)

針對工、民建筑物內的各類智能儀表采用電池供電，由于安裝電池容量的不均勻，經常在檢修一段時間后供電不足導致儀表工作不正常的現象進行了研究，提出在儀表內加裝一套在線檢測模塊，定時進行電池電量檢測并將檢測結果實時傳送至主控上位機的思想，并加以實現，經實驗證明該模塊基本滿足實際工作需要，且模塊簡單可靠。

儀器儀表，供電電池，容量檢測，頻率

隨著工、民建筑物內儀器儀表智能化程度越來越高，安裝的智能儀表工作電源一般有兩種選擇：1)利用樓宇、生產線上的電源；2)自帶電源。對于自帶電源，由于電源為電池供電，不存在其他供電方式自身存在的非線性干擾為部分儀表所采用，由于單個電池電量不均勻性、放電曲線獨特性以及部分儀表工作中耗電量與任務正相關，造成電池容量隨時間的推移變得不穩定，經常在不達到檢修時間時就因供電電量不足而導致儀表不能正常工作，為此加重了檢測人員的工作量，同時還有可能導致整個樓宇、生產線停車，給管理部門增加不必要的生產成本與運營成本。

1 電池電量的檢測方法

針對電池電量的檢測方法，目前使用的為：1)核對檢測法。它具有容量測試可靠性高、準確性高的優點，因此，目前仍舊是市面上檢測電池最有效的方法。但核對檢測設備主要采用電阻絲操作實現核對檢測，并且需要人工干預，程序繁瑣，對操作人員自身存有一定的危險，而且對電池的容量有一定的損害，因此這種傳統的核對放電方法已經慢慢的被淘汰掉。2)不完全放電測試法。主要是對電池組中的每一個電池進行循環檢查，發現電壓降低最迅速的那一個，將它認定為劣質的電池，并進行去除，然后對新的電池單元組成的電池進行檢測，測試其容量，用這塊電池的容量去代表整個電池組的容量。但精度相對比較低，可以用這種方法去判定電池的落后狀態，但不能準確計算出電池容量以及它的優劣性，同時對測試的過程要求相對比較嚴格。3)電導測量法。電導測量也成為電阻測量，主要方法是在電池的正負極附加一個已知幅值與頻率交流的電壓信號，檢測出和該電壓信號具有相同相位的交變電流值，這一交變電流的分量除以附加的電壓，就是電池的電導。設定的檢測頻率不同，得到的電導也就不同。蓄電池的容量越小，自身的電阻就會增加，電導就會變小。但不能精準的檢測出一些實際參數指標，特別是容量，所得到的數據也并不是十分的準確；同時，不同的設備檢測出的結果也存在很大的差異。4)Ah容量法。對于動力電池，需要經常對其進行充放電。這種電池的測量往往就采用Ah容量法。用此方法測量時，需要掌握蓄電池的最初狀態以及終點剩余電量，但是這兩個量受到多種因素的影響。一般并不是一個固定的數值。所以此法只能檢測已經消耗掉的能量，并不能很好的檢測出最終的剩余電量。

2 本設計所采用方案

出于對可靠性的考慮，本設計僅以三端穩壓電源和電阻的不同組合即可完成不同檢測方案。本設計是以新型ARM Crotex-M3系列單片機為核心的電池容量檢測系統，通過對單片機軟件編程可以實現以下基本要求：1)通過電池進行瞬時小流量放電測量電池容量；2)測量電壓、電流的動態值；3)可切換顯示電池容量、電壓、電流及當前線路；4)測量結果上傳至上位機進行提示。

電池容量檢測模塊框圖見圖1。

3 軟硬件設計

硬件設計工程中主要是要注意與目前現有的儀表外盒尺寸保持可安裝性與功耗的合適性；與此同時，在與上位機數據交換中的總線接口要與目前現在工業總線接口保持一致，做到在不增加成本的基礎上完成本設計的開發與利用。為此，本模塊的基本要求如下：1)為了不增加儀表的功耗，本模塊采用外接樓宇、生產線上電源進行工作；2)通訊接口采用工業以太網與USB模塊進行通訊，保證不增加樓宇、生產線通訊模塊的兼容性；3)考慮到電磁干擾與生產環節的機械振動，本模塊的元器件采用高性能的工業級器件；4)考慮到模塊的可移植性與可擴充性，本模塊的軟件采用C語言進行編寫；5)除了采用高性能工業級元器件外，在軟件編寫過程中增加軟件陷井與適當的軟件冗余度，保證模塊在干擾情況下不能正常工作時，自動復位。在此，本文重點討論電池容量測量環節電路設計、仿真及軟件對A/D器轉換控制。電壓采樣以及電流采樣的估算是利用Multisim軟件進行仿真估算。Multisim是一個用于原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。該軟件能夠幫助確定采樣電阻最終的阻值，并能根據實際需要，給定一個電壓值，得出相應的模擬電壓輸出值，避免模擬輸入電壓值過大而損毀片內AD。檢測部分仿真圖見圖2。

A/D轉換的精度直接影響到電池容量的檢測精度，在此，除了選擇好的A/D模塊外，還需要進行相應的控制處理。本模塊采用12位逐次逼近型模擬數字轉換器，有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源，各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行，設計中最大轉換速率是1 MHz，轉換時間為1 μs。其流程圖見圖3。

4 結語

本設計是以ARM芯片作為主MCU的電池容量檢測系統。經過測試，本產品最終可以達到以下功能：

1)測量電池容量并能檢測電池電壓、工作電流的動態值；

2)利用以太網接口將檢測數據實時傳輸至主控單元；

3)對傳輸數據可根據報警閾值預置值進行報警提示；

4)整個設計為模塊化設計，可移植性強。

[1] 陳紅雨，黃鎮澤，鄭圣泉，等.鉛酸蓄電池分析與檢測技術[M]．北京：化學工業出版社，2011.

[2] 秦鳴峰．蓄電池使用與維護[M]．北京：化學工業出版社，2009．

[3] 陳志旺．STM32嵌入式微控制器快速上手[M]．北京：電子工業出版社，2012．

[4] 劉 軍.例說STM32[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2011．

[5] 廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統設計[M]．北京：中國電力出版社，2012．

Design of on-line testing module of instrument meter battery-powered volume

Peng Lingyi

(XiangSteel&PowerRepairPlant,ChinaMetallurgyJingcheng(Xiangtan)HeavyIndustryEquipmentCo.,Ltd,Xiangtan411101,China)

In light of battery-powered applied in various intelligent instruments of industrial and civil buildings, the paper studies abnormal meter working phenomena owning to uneven installation battery volume and insufficient power supply after maintenance, and puts forward the idea of setting a set of on-line detection module in the meter, and carrying battery volume detection at the fixed time, and timely uploading detection results to major control computer and realizing it. The experimental results prove that: the module can basically meet actual working demands with simple and reliable characteristics.

instrument and meter, battery-powered, volume test, frequency

2015-01-19

彭玲毅(1968- )，男，工程師

1009-6825(2015)10-0129-02

TU851

A