基于AT89C52的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

華紅艷，宋偉，孫珍珍，王藝，張海青(．鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系，鄭州45005; ．鄭州大通專利商標(biāo)代理有限公司，鄭州450000)

基于AT89C52的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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)院電子通信工程系，鄭州450015; 2．鄭州大通專利商標(biāo)代理有限公司，鄭州450000)

針對蓄電池的基本工作情況，分析和研究了其主要性能指標(biāo)。采用簡便的檢測方法，設(shè)計了硬件與軟件系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測蓄電池充放電參數(shù)。文章介紹了相關(guān)的測量原理與算法，便于找出損壞的或者性能顯著降低的蓄電池，保證蓄電池正常工作，有益于蓄電池的維護(hù)。

蓄電池;AT89C52;在線監(jiān)測;系統(tǒng)設(shè)計

蓄電池在我們的生活中的作用越來越大，許多設(shè)備如電動自行車、汽車、電動汽車已走進(jìn)千家萬戶，其電源系統(tǒng)在線監(jiān)測問題越來越引起人們的關(guān)注。由于電源的關(guān)鍵部件是大功率蓄電池組，由多個單體蓄電池串聯(lián)組成的，單個蓄電池故障就會影響到整個系統(tǒng)，對蓄電池組進(jìn)行定期檢測和實(shí)時在線監(jiān)測，能及時發(fā)現(xiàn)性能降低的電池，提高電源的可靠性。通過預(yù)測可以對蓄電池容量隨時進(jìn)行估計，快速而全面地評估蓄電池的狀況，以便及早發(fā)現(xiàn)蓄電池的潛伏性故障，提前對蓄電池運(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　蓄電池檢測指標(biāo)

研究蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵是正確監(jiān)測端電壓、電池的剩余電量和電池溫度，估算出電動勢、電池內(nèi)阻，從而對電動設(shè)備的用電進(jìn)行管理以及防止電動設(shè)備運(yùn)行時產(chǎn)生對電池的傷害。蓄電池的端電壓是在正負(fù)極上實(shí)際測得的電壓，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，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)，對電池的性能有很大影響。當(dāng)電池溫度過高時，勢必影響到電池的工作效率和壽命，故溫度的測量不可少。本文以鉛酸蓄電池為研究對象，依據(jù)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，通過對蓄電池的內(nèi)阻和電動勢測量，采用一種特殊的直流檢測法，來提高對蓄電池體溫度、電池電動勢、電池內(nèi)阻及剩余電量測量的精度。

2　指標(biāo)參數(shù)測量原理

2．1內(nèi)阻和電動勢測量與計算

系統(tǒng)的測量模塊對蓄電池的電壓測量的電路原理圖如圖1所示。

圖1　電壓測量原理圖

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

當(dāng)Q1截止時，有

當(dāng)Q1導(dǎo)通時，有

由此可求出蓄電池的內(nèi)阻和電動勢

其中R2、R5、R6的電阻值為已知，且電路中R5= R6、R7=R8，測量模塊需要測量的量有端電壓U1、U2，晶體管Q1導(dǎo)通時電壓Uc。系統(tǒng)將電流傳感器串聯(lián)接在測量電路上，精確測量電路電流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，并控制晶體管Q1的導(dǎo)通與截止，從而測量出U1、U2、UC。單片機(jī)輸入控制與通道輸出的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1　CD4051輸入與測量輸出的對應(yīng)關(guān)系表

測得的各參數(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蓄電池剩余電量測量

蓄電池的剩余電量是指在放電允許的范圍內(nèi)，蓄電池某一時刻剩余的容量，它是隨時間變化而變化的量，同時也是衡量蓄電池優(yōu)劣的主要指標(biāo)。通過實(shí)驗發(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照表

圖2　蓄電池剩余容量與端電壓關(guān)系圖

對交流負(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，端電壓為13．5V左右。當(dāng)蓄電池的剩余容量低于20%時，即其端電壓低于11V左右時，蓄電池基本已不對外放電。

2．3溫度測量

電池溫度測量是采用DSl8820數(shù)字溫度傳感器貼于電池外殼的方法，通過在線測量電池的溫度，找出溫度異常的電池。DS18B20通過內(nèi)部溫度寄存器接收一個受溫度系數(shù)影響的振蕩器輸出的脈沖個數(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位是符號位，如果測得的溫度為正值，這5位為0，只要將測到的數(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，溫度測量電路的接口電路圖如圖3所示。

3　硬件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計以單片機(jī)AT89C52為控制核心，測量電路輸出信號是模擬信號，要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能送到單片機(jī)進(jìn)行處理，并且和測得的溫度一起通過液晶模塊LCDl2864進(jìn)行現(xiàn)場顯示。當(dāng)電池狀態(tài)達(dá)到極限時，會在液晶屏幕上顯示報警狀態(tài)，同時進(jìn)行語音報警。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)。

圖3　DS18B20接口電路圖

3．1硬件結(jié)構(gòu)

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、電壓電流測量、A/ D轉(zhuǎn)換、鍵盤電路、抗干擾電路、溫度測量、液晶顯示、語音報警。設(shè)計蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3．2顯示及報警模塊

蓄電池自動監(jiān)測系統(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)前的測試端電壓低于預(yù)先設(shè)定的下限值時，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，液晶屏立即顯示“溫度過高”提示。

將需要語音播報的內(nèi)容事先錄制到語音芯片中，監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行時，語音模塊將監(jiān)測的數(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、溫度報警上下限進(jìn)行對比，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的值時，便可實(shí)現(xiàn)自動的語音提示或報警。液晶顯示電路如圖5所示。

4　軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用了功能模塊化設(shè)計方法，系統(tǒng)程序主要包括以下幾個方面:初始化、按鍵處理、溫度測量、電壓電流測量、轉(zhuǎn)換計算、語音報警和顯示等子程序。子程序與相關(guān)電路是對應(yīng)的，很好的實(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)計的程序流程圖如圖6所示。

圖5　液晶顯示電路

圖6　程序流程圖

5結(jié)束語

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，整個系統(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、電路簡單、自動化程度高、易于操作，通過直觀的顯示避免了人工計算，幫助用戶更迅速、準(zhǔn)確地對蓄電池充放電和更換出現(xiàn)問題的部件，便于及時有效地開展維護(hù)，也降低蓄電池維修錯誤的風(fēng)險。

［1］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．

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

［3］趙海蘭，趙祥偉．智能溫度傳感器DS18B20的原理與應(yīng)用［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2003(4):32－34．

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［5］張恩利．通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊的設(shè)計［J］．中國通信電源情報網(wǎng)，2005(1):35－37．

［6］周潤景，張麗娜．基于PROTEUS的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與仿真［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010．

(責(zé)任編輯趙冰)

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

HUA Hong－yan1，SONG Wei1，SUN Zhen－zhen1，Et al．
(1．Department of Electronic Engineering，Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management，Zhengzhou 450015，China; 2．Zhengzhou Datong Patent and Trademark Agency Co．Ltd．，Zhengzhou 450000，China)

According to the basic working condition of battery，this paper analyzes and researches its key performance indicators．At the same time，this paper uses the simpler method to timely monitoring battery charge and discharge parameters，and designs the hardware and software system．At last，this paper introduces the measuring principle and algorithm to find out the damaged or significantly reduced battery performance，guarantee the normal work of the battery，and try to be conducive to the maintenance of the battery．

storage battery;AT89C52;on－line monitoring;design of system

10．13783/j．cnki．cn41－1275/g4．2015．01．026

TM912

A

1008－3715(2015)01－0113－04

2014－11－21

華紅艷(1963—)，女，江西玉山人，碩士，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系教授，主要從事電氣自動化控制科研與教學(xué)。