0引言在通信、電力和微波等系統(tǒng)中，蓄電池組是重要的儲能設(shè)備，它可保證通信設(shè)備及動力設(shè)備的不問斷供電，直接關(guān)系到整個直流電源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。假如不能妥善的管理使用蓄電池組，例如過充電、過放電及電池老化等現(xiàn)象，都會導(dǎo)致電池?fù)p壞或電池容量急劇下降(因?yàn)殡姵亟M一般是由電池單體串聯(lián)組成，即使只有一節(jié)電池性能惡化，也會嚴(yán)重影響整組電池的性能)，從而影響設(shè)備的正常供電。因此，及時可靠的對電池組進(jìn)行巡回檢測關(guān)于維護(hù)通信系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有十分重要的意義。目前電力系統(tǒng)常用的檢測方法就是平時測量電池的端電壓及每年進(jìn)行容量核對性放電，顯然平時浮充狀態(tài)下的端電壓測量是難以反映電池的好壞的，即使性能差的電池在浮充時也能測得合格的電壓，而一旦停電，需電池放電時，該電池就可能無法保證事故狀態(tài)下放電要求，從而擴(kuò)大事故范圍。文中介紹了一種基于高性能AVR單片機(jī)設(shè)計的智能電池巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)合理，電器性能及抗電磁干擾性能優(yōu)越。經(jīng)試用，運(yùn)行效果良好。

1電池巡檢系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)本監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測單體電池電壓、電池組端電壓和電流、電池房環(huán)境溫度和電池溫度，測量單體電池內(nèi)阻，統(tǒng)計單體電池參數(shù)。電池監(jiān)測具有過壓、欠壓和差壓報警功能，根據(jù)用戶設(shè)定的報警參數(shù)及時報警，能夠準(zhǔn)確查找故障電池，并對電池單體電壓、總電壓，充放電電流，電池內(nèi)阻進(jìn)行精確管理及嚴(yán)格控制，自動完成電池的精確管理及保養(yǎng)維護(hù)。系統(tǒng)具有實(shí)時時鐘，參數(shù)具有掉電保護(hù)功能，掉電后系統(tǒng)設(shè)置不會丟失，最多可記錄30條歷史故障，以及該故障排除時間。采用大屏幕液晶顯示屏，長壽命LED背光，實(shí)現(xiàn)全中文漢化顯示，除完成數(shù)據(jù)測量及狀態(tài)的實(shí)時顯示外，還供應(yīng)各種菜單、信息提示，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話操作。采用電力部標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議、RS232或RS485串行通訊接口，支持1200、2400、4800、96OO波特率，可方便地與電力自動化系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)自動巡檢。

1．1硬件結(jié)構(gòu)文中所涉及的電池巡檢系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計，主監(jiān)控單元配接約14．48mm的320×240液晶屏，并帶R32S485通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。從邏輯功能上，該系統(tǒng)分為以下幾個功能模塊：主監(jiān)控模塊、多個電池巡檢模塊、放電模塊和液晶顯示模塊。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，主監(jiān)控模塊和電池巡檢模塊為本系統(tǒng)的核心功能模塊。

1．2軟件結(jié)構(gòu)考慮到系統(tǒng)的可移植性及今后的維護(hù)和擴(kuò)充，系統(tǒng)軟件采用c語言編寫，并采用全模塊化的方法設(shè)計。模塊的軟件重要由主程序以及其他一些中斷子程序構(gòu)成。主監(jiān)控模塊的主程序重要包括電池總電壓檢測、充放電流檢測、溫度檢測及處理程序、放電模塊管理程序以及與電池巡檢模塊通信程序等構(gòu)成，其流程圖如圖2所示。其中斷子程序重要包括通訊中斷子程序、按時器中斷子程序和鍵盤掃描子程序等。電池巡檢模塊的主程序重要由單體電池電壓采樣子程序、初始化子程序等構(gòu)成，其流程如圖3所示。其中斷子程序重要是通信中斷子程序和按時器中斷子程序等。

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2重要功能模塊的設(shè)計概要

2.1主監(jiān)控模塊高性能的8位單片機(jī)Atmega128是采用精簡指令集RISC(reducedinstructionSetCpU)結(jié)構(gòu)的新型單片機(jī)，高速度、低功耗，執(zhí)行一條指令僅需一個時鐘周期；內(nèi)置看門狗Watchdog按時器，防止程序走飛；片內(nèi)有128KBFlash程序存儲器，4KBEEpROM數(shù)據(jù)存儲器，4KbrAM存儲器；多達(dá)48個I／0端121，34個不同的中斷源；除擁有普通異步串行通信接口外，還擁有同步串行SpI接121、雙線串行TwI接121、ISp下載和JTAG仿真等功能；工作電壓范圍寬，電源抗干擾性能較強(qiáng)。作為電池巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能模塊，主監(jiān)控模塊以Atmega128為核心，外部擴(kuò)展了串行EEpROM24c512和實(shí)時時鐘芯片DS1307。該模塊對電池組電壓、充放電流和和兩路溫度進(jìn)行采樣并處理，通過電子開關(guān)對放電進(jìn)行控制，并通過鍵盤及液晶顯示接口進(jìn)行按鍵的處理和系統(tǒng)信息的實(shí)時顯示，其原理框圖如圖4所示。該模塊對上位機(jī)供應(yīng)RS232、RS485兩種串行通訊方式，并可供應(yīng)1200、2400、4800和9600四種通訊波特率。對電池檢測單元模塊供應(yīng)RS485接口，并可以根據(jù)這些模塊的通信要求來制定具體的通信協(xié)議。

2．1．1蓄電池總電壓、充放電電流采樣

在直流系統(tǒng)中，蓄電池組都是由很多個單體電池串聯(lián)在一起供電的，而且充電機(jī)給蓄電池充電也不是單體充電，而是對整個串聯(lián)在一起的蓄電池一起充電，根據(jù)蓄電池組的總電壓和充放電電流大小來判斷蓄電池組的物理狀態(tài)，進(jìn)而采取合理的充電方式。并且測試單體電池內(nèi)阻時，需根據(jù)放電電流進(jìn)行計算。因此，要對蓄電池組的總電壓和充放電電流進(jìn)行采樣。通過適時采樣電池組組端電壓和電流，記錄其變化情況，可以綜合分析電池組的整體性能。充放電電流的采集是通過電流傳感器(采用霍爾傳感器)將測量的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過采樣電路送至單片機(jī)。蓄電池總電壓的采集是通過光繼電器進(jìn)行隔離，經(jīng)過電阻的分壓送單片機(jī)，通過單片機(jī)自帶AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2．1．2溫度采樣環(huán)境溫度對蓄電池使用壽命的影響較大，溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時消耗更多的水，從而使電池壽命縮短；溫度太低，會使得電池容量降低，充電接收能力下降，充放電循環(huán)減弱，壽命下降。所以在蓄電池管理單元的設(shè)計中設(shè)置有環(huán)境溫度檢測單元，對蓄電池的充放電進(jìn)行溫度補(bǔ)償。監(jiān)測電池表面溫度亦可對電池性能進(jìn)行較準(zhǔn)確的評估，蓄電池組中個別電池的失效會對整個系統(tǒng)造成影響。損壞的電池由于真內(nèi)阻增大，在充放電過程中其功耗亦會大于其它正常電池，故其表面溫度會高于其它電池。當(dāng)其表面溫度與其它電池相比超限時，則可認(rèn)為此節(jié)電池已損壞。溫度的采集是通過溫度傳感器(采用的TMp35溫度傳感器)將溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)采樣電路送至單片機(jī)，通過單片機(jī)自帶AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2．1．3單體電池內(nèi)阻測量多年的研究和運(yùn)用表明，蓄電池內(nèi)阻可作為其容量和完好性的有效指標(biāo)，在蓄電池的老化過程中，其內(nèi)阻的上升明顯早于充電時端電壓的提高，直到內(nèi)阻上升了6O％以上時，端電壓才有明顯的增大，電池內(nèi)阻具有很好的預(yù)測性，可以用來評估和預(yù)測蓄電池的性能，因?yàn)樾铍姵氐膬?nèi)阻與容量及其完好性有著密切的關(guān)系，這種方法越來越受人們重視。蓄電池內(nèi)部阻抗檢測方法分為交流檢測法和直流檢測法兩種。采用交流檢測法測量時，首先在蓄電池上加上一個交流測試信號，該信號的頻率的選擇應(yīng)保證測量過程不受電容的影響，然后測量流過蓄電池的電流和電池兩端出現(xiàn)的交流電壓，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算出電池的內(nèi)部阻抗。但交流檢測法抗干擾能力差，容易受外部噪聲源的影響。采用直流檢測法，在電池組兩端接入放電負(fù)載，對蓄電池進(jìn)行瞬間大電流放電，然后測量電池端電壓在放電過程中的瞬間變化和放電電流值，據(jù)此導(dǎo)出電池內(nèi)部阻抗值。本巡檢系統(tǒng)采用的是直流檢測法。蓄電池從浮充狀態(tài)切換到放電狀態(tài)，即停止充電后，電池回落到某平衡電位，接入放電負(fù)載后，電壓發(fā)生階躍變化。這樣，內(nèi)阻的計算不能使用浮充電壓和放電工作電壓的差值來計算，使用開路平衡電位與放電工作電壓的差值時也不夠穩(wěn)定。因此，在放電過程改變電流可以克服平衡電位不穩(wěn)定的因素。采用式(1)，根據(jù)在不同電流(JI、J2)下的電壓(ul—u2)變化來計算內(nèi)阻值。

2．2放電模塊放電模塊采用了大功率的電子負(fù)載技術(shù)，能瞬間承受高達(dá)100A(或200A)的沖擊電流，以實(shí)現(xiàn)對電池負(fù)荷能力的檢測。放電模塊也可作為長時間5～30A放電負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對電池容量的核對性測試及電池性能的活化。當(dāng)來自主監(jiān)控模塊的信號指示放電時，放電負(fù)載接通，電池通過負(fù)載放電，同時電壓采集模塊將快速采集電池電壓每一變化量。除對主監(jiān)控模塊的開關(guān)指令外，放電模塊內(nèi)部也設(shè)有計時器，當(dāng)放電超時時，將切斷放電回路，即使電子開關(guān)損壞，放電回路也將被切斷，從而大大提高了放電模塊的工作可靠性。放電模塊還沒有過流、超溫等異常保護(hù)。同時放電模塊工作時還受控于交流市電，在放電時如發(fā)生交流市電失電，放電模塊將自動終止放電，保證直流系統(tǒng)向負(fù)載供電。

2．3電池巡檢模塊電池組單體電池電壓是最可靠的電池特點(diǎn)。蓄電池的監(jiān)測量中，單體電壓是一重要參數(shù)，是判斷單體電池故障的重要依據(jù)。單體電池電壓的檢測方法有構(gòu)造電阻網(wǎng)絡(luò)提取電壓、v／F轉(zhuǎn)換無觸點(diǎn)采樣和繼電器切換提取電壓等。前兩種方法存在誤差積累、電路參數(shù)匹配和溫度影響等問題。本系統(tǒng)采用光繼電器無觸點(diǎn)切換，提取電壓的方法電路簡單，并實(shí)現(xiàn)對每個測量端口進(jìn)行隔離。保證了測量有良好的安全性及高精度。其原理如圖5所示。

電池檢測模塊亦采用了高性能的8位Atmega128單片機(jī)，單片機(jī)通過74HC138E／k譯碼器控制光繼電器的導(dǎo)通和電平轉(zhuǎn)換電路的切換。CpU控制信號通過控制光繼電器實(shí)現(xiàn)每次只將一個電池正負(fù)極切入電平轉(zhuǎn)換電路，從而將單節(jié)電池電壓引出，經(jīng)過采樣電路后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A／I)轉(zhuǎn)換。該測量方法由于對電池端電壓為直接采樣，不要大量的分壓電阻，沒有誤差積累的情況，也沒有壓頻轉(zhuǎn)換中受溫度影響的問題，所測電壓就較準(zhǔn)確，并且測量電路利用單片機(jī)內(nèi)置的1O位A／I)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而保證了測量精度。在軟件上采用遞推平均濾波算法來保證測量的精度。測量的結(jié)果通過RS485通信接口與主監(jiān)控模塊進(jìn)行通信。

3結(jié)束語以單片機(jī)Atmega128為核心的智能電池巡檢監(jiān)控系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，采樣顯示精度高，報警、控制準(zhǔn)確度高，通訊誤碼率低。同時，特別易于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，實(shí)際應(yīng)用前景廣闊。