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(cè)系統(tǒng)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(duì)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(jiǎn)便的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了硬件與軟件系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池充放電參數(shù)。文章介紹了相關(guān)的測(cè)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(cè);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓄電池在我們的生活中的作用越來(lái)越大，許多設(shè)備如電動(dòng)自行車、汽車、電動(dòng)汽車已走進(jìn)千家萬(wàn)戶，其電源系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)問(wèn)題越來(lái)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(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)，對(duì)蓄電池組進(jìn)行定期檢測(cè)和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能降低的電池，提高電源的可靠性。通過(guò)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，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　蓄電池檢測(cè)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)設(shè)備的用電進(jìn)行管理以及防止電動(dòng)設(shè)備運(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(guò)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(guò)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，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(guò)對(duì)蓄電池的內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)測(cè)量，采用一種特殊的直流檢測(cè)法，來(lái)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。

2　指標(biāo)參數(shù)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。

圖1　電壓測(cè)量原理圖

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(guò)R2的電流，I22為R6的電流。

當(dāng)Q1截止時(shí)，有

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，有

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(guò)P1．0～P1．3管腳控制多路選擇器CD4051的輸入A、B、C，來(lái)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(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蓄電池剩余電量測(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(guò)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

圖2　蓄電池剩余容量與端電壓關(guān)系圖

對(duì)交流負(fù)載而言，無(wú)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DSl8820數(shù)字溫度傳感器貼于電池外殼的方法，通過(guò)在線測(cè)量電池的溫度，找出溫度異常的電池。DS18B20通過(guò)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　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，測(cè)量電路輸出信號(hào)是模擬信號(hào)，要經(jīng)過(guò)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(guò)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(yǔ)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(lái)保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)還可以人為地通過(guò)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)。

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(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(yǔ)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。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

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(lái)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(guò)高”提示。

將需要語(yǔ)音播報(bào)的內(nèi)容事先錄制到語(yǔ)音芯片中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，語(yǔ)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(yǔ)音提示或報(bào)警。液晶顯示電路如圖5所示。

4　軟件設(shè)計(jì)

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(yǔ)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(jì)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(yǔ)

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(guò)直觀的顯示避免了人工計(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(wèn)題的部件，便于及時(shí)有效地開(kāi)展維護(hù)，也降低蓄電池維修錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］程琤，華紅艷．單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［M］．北京:國(guó)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(yǔ)言程序設(shè)計(jì)［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．

［4］劉險(xiǎn)峰．蓄電池容量在線檢測(cè)的研究［J］．蓄電池，2009 (3):140－145．

［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(jì)［J］．中國(guó)通信電源情報(bào)網(wǎng)，2005(1):35－37．

［6］周潤(rùn)景，張麗娜．基于PROTEUS的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)化控制科研與教學(xué)。