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蓄电池检测系统设计
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基于单片机的蓄电池检测系统设计
1引言
蓄电池作为一种供电方便、安全可靠的直流电源广泛应用于电力、石化、通讯等领域，为获得较高的电压，常用多节蓄电池串联工作方式。
由于单体蓄电池特性的差异，在运行一段时间后，电池组中个别电池性能变差，进而失效，造成电池组整体性能下降，导致整个系统的可靠性降低，且蓄电池是一种化学反映装置，内部的化学反映不易及时发现，因此有必要对蓄电池的运行状态进行实时在线监测。
1.1本课题研究的意义
蓄电池作为一种化学电源，1860年普兰特首次发明了实用的蓄电池以来，蓄电池以其价格低廉、易于浮充使用、电能效率高、电源独立性好、可移动等优点被广泛应用于发电厂、变电站、邮电通讯系统、汽车、船舶、铁路客车等各个领域。
随着经济的迅速发展，电力系统和通信系统发挥着越来越重要的作用，由蓄电池组、充电浮充电装置以及馈电支路开关和熔断器等组成的直流系统是发电厂、变电站和通信基站中的一个重要组成部分，其工作状况的好坏直接影响到电力系统和通信系统的安全、可靠和高效运行。
而蓄电池组作为直流系统向外供电的唯一设备，为电力系统和通信系统中的信号装置、继电保护装置和控制装置等重要负载提供工作电源，其性能的好坏直接关系到电力系统和通信系统的安全可靠性。
因此为了确保用电设备即使在交流电源全部中断的情况下也能正常安全连续运行，必须保证蓄电池组的运行状态性能良好，在发生火电中断时能够有足够的放电容量，所以重视和加强对蓄电池的维护工作，特别是对蓄电池实施实时在线监测意义重大。
1.2国内外发展状况
随着科学技术的发展，特别是单片机和计算机在智能化控制方面的应用，以及在变电站综合自动化系统等方面研究的深入，关于蓄电池的自动化监测问题也提到日程上来。
近几年以来，很多人开始研究蓄电池的自动化监测。
蓄电池监测系统中，主要内容是对单电池电压的监测。
其中，关于温度和电流的测量都属常规测量，而且在这些方面的测量技术都已成熟。
在电压的测量方法上，对单个电压量的测量方法非常简单。
其中，最关键的是如何测量电池组中串联在一起的单体电池电压。
在解决如何测量单体电池电压问题上，人们进行了大量的研究工作。
有人提出用继电器来切换电池组中的每只电池。
用触点式继电器切换的缺点是：
体积大、成本高、寿命短、速度慢，且其电压值计算比较麻烦；有人提出另外一种方法：
在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在模拟信号的转换上采用可编程定时器的V/F转换器。
其中，在解决输入信号电压高于芯片的最大工作电压的问题上存在技术难点，且采用V/F转换作为A/D转换器。
其缺点是响应速度慢、在小信号范围内线性度差、精度低。
关于在线测量单只电池电压的方法，还有人提出用光电隔离器件和大电解电容器构成采样，保持电路来测量蓄电池组中单只电池电压。
此电路的缺点是：
在A/D转换过程中，电容上的电压能发生变化，使其精度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯片等器件动作延迟等因素，决定采样时间长等缺点。
国内研制并投产的ZXJ24/2-1型蓄电池组智能监测仪，采用浮动地技术测量蓄电池组中各单体电池电压，测量结果比较准确，但也存在模拟开关切换以及各器件的不一致性问题对浮动地的电位的影响，从而使测量结果偏差加大[2]。
美国BMS蓄电池监测系统技术发展于电力应用工业。
1989年，美国电力研究所与国家电能研究公司合作，共同研究了无人值守场站（PBWC）铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。
经过4年的研究与开发，耗资200万美元，于1994年完成样机的现场试验。
测定的参数包括：
电池组电压、单体电压、（浮充电）维持电流、电池内部温度、电池组环境温度、电解液比重、电解液液面高度以及电极利用情况等。
其方法是采用安装在每一只电池上的多传感器电池监测模块（叫“电池监测器”，是真空密封的）。
这种模块通过光缆将状态数据传输到蓄电池组监测器，每一电池组监测器可监测256个单电池。
远程控制中心通过MODEMS和公用电话线对电池组监测器进行监测，可监测的电池组监测器的数量不受限制。
控制中心PC机能定期查询所有运行组的监测器，下载并处理储存的数据，存储和显示电池状态及其趋势的信息，能获得每一节电池的参数。
[3]其主要特征是运用特定传感器对电池组的每个电池进行独立监测。
单电池电压的测量是使用传统的一个直接带有稳压的A/D转换器。
电池组电压的测量是用一个与电池组连接的滑动变阻器和带有稳压参考的A/D转换器（由电池组供电）。
电池组电流的测量用霍尔效应磁域传感器来测量。
电池内部温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态集成电路温度传感器来测量，并且同外部环境如气流和阳光这样的热效应隔离。
电池组温度的测量是用同样的装置来测量。
为了描述电池组周围空气的平均温度，传感器一般位于电池组支架上。
此项研究成果应用于电厂、变电站、通信、电动车辆及医疗等领域。
关于BMS蓄电池的监测有多种监测目的。
因此，监测的重点也有差异，在监测的方法和手段上人们进行了大量的研究和探索。
在圣巴巴拉某区的电车上，使用了VRLA蓄电池作为电源。
[4]同时在蓄电池上安装有BMS蓄电池监测系统，以评价蓄电池的运行状况。
BMS能够向操作人员提供有关剩余电量的信息及电池性能接近极限状态时的报警状态。
同样重要的是，为对电池状态进行分析和维护，将数据进行记录。
这里使用的电池单电压是12V。
此BMS的数据采集系统包括16路单电压通道、测量一个显示电池温度及环境温度的4路温度通道、电池组电压和电流通道。
A/D采样速率是每秒40个采样点，精度好于0.1%。
电源供电部分使用了DC/DC变换器。
此BMS通过获得电池的数据来分析电池和车辆的运行状况。
在韩国，有人研究光伏系统中的蓄电池状态的监测。
铅酸蓄电池作为独立光伏系统的能量的储存设备，可防止过度放电和过度充电，对延长整个系统的服务寿命非常重要。
蓄电池组的监测内容有：
单电池电压、电池组电压、通过电池组的电流及电解液的比重等。
每一个被选择的单电池电压使用一个便携式数据采集系统监测。
这个系统中有一个20个通道的扫描器、一个数字多路选择器及一个笔记本电脑。
电解液的比重是通过数字比重计测量。
研究的监测系统不仅要监测以上这些内容，而且采用了一种“电流中断技术”，以测量电池组充电时电池的内部电阻。
根据单电压和电流的关系，通过连续测量内部电阻以监测电池的老化趋势。
[5]
国外有人研究VMS（VRLABatteryManagementSystem）阀控密封铅酸蓄电池管理系统。
这个管理系统不是简单的监测蓄电池，而是设计成具有管理和控制蓄电池的功能。
此系统的目的是改变蓄电池“恒压充电”的方法。
因为恒压充电的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流。
系统监测的内容包括：
单电池电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中测量电池组总电压。
VMS中包含了BMS，它是在监测的基础上对蓄电池进行分析，并进行管理和控制。
这样更有利于对蓄电池的维护，延长蓄电池使用寿命[6]。
1.3蓄电池组管理系统的功能
蓄电池电池组监测系统要承担电池组的系统管理，一方面保证电池组的正常运做，显示电池的动态响应并及时报警，使操作人员随时都能掌握蓄电池的情况。
另一方面要避免出现意想不到的各种事故。
蓄电池电池组监测系统一般采用先进的微处理器进行控制，通过标准通讯接口和控制模块对电池组进行管理，它的基本功能包括以下几个方面的内容：
1）蓄电池电池组管理
监视电池组的双向的总电压和电流、电池组的温升，并通过液晶或其他显示装置，动态显示总电压、电流、温升的变化，避免电池组过放，使电池组不会受到人为的损坏。
2）单节电池管理
对电池组中的单节电池的管理，可以及时发现单节电池的电状态，对单节电池动态电压和温度的变化进行实时测量，以便及时发现单节电池存在的问题，并采取有效的防范措施。
3）剩余电量的估计和故障诊断
电池组监测系统应具有对剩余电量的估计和故障诊断的功能，能够有效地反应和显示剩余电量，可以早期预报动力电池组的故障和隐患。
2设计要求及系统框图
2.1控制要求
UPS电源是电力、通信、银行等行业的必备电源，要求其稳定可靠。
蓄电池是UPS系统的重要组成部分，它的优劣直接关系到整个UPS系统的可靠性。
精确预测蓄电池的临界失效期,对提高UPS系统的可靠性具有重要意义。
本设计是基于单片机的蓄电池在线监测电路系统的设计。
其主要任务是完成蓄电池各个参数（电压、电流、温度、剩余电量）的采集，并且可以显示输出，当各参数超限时，产生声光报警。
设计过程中要有理论的分析，选择合适的器件；运用Protel绘制电路；编辑相应的程序；通过仿真器来测试系统的可行性；按照学校有关文件的要求完成毕业设计前期材料。
2.2系统框图
蓄电池监测系统最基本的作用是监测电池的工作状态：
电池的电压、电流和温度，预测蓄电池SOC，管理电池的工作情况，避免出现过放电、过热，对出现的故障应能及时报警，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。
根据系统的需求分析，设计主要分为两部分：
数据采集和数据处理，这两部分都需要硬件和软件的相互配合才能完成。
蓄电池的电压、电流及温度等数据参数经采样电路得到后送单片机，经单片机运算处理，进行LCD显示、与上位机通讯等操作。
信号采样电路选用DS2438蓄电池监测专用芯片，对单体电池电压、电流、温度等信号参数进行测量；单片机通过连接的键盘，可以设置产生报警的限值，同时能够实现显示数据的切换；当参数值超限时，自动进行声光报警。
设计中加入硬件看门狗电路，进行保护。
结构框图如图2.1所示。
图2.1系统框图
本设计中模块单元的功能如下：
1）单体电池电压、电流、温度等信号采集电路：
将被监测的蓄电池单体电池的电压、温度等信号进行采集，并且送到单片机内；
2）键盘单元：
设定报警上下限值，并对显示内容进行切换；
3）89C51单片机：
对接收到的二进制信号进行相应的处理，并产生相应的控制信号；
4）LCD显示电路：
显示电压、电流、温度等参数值；
5）报警输出单元：
当所测数据超过上限值或低于下限值时，产生声光报警；
6）串行通讯接口：
实现与上位机的通信连接；
7）看门狗电路：
对单片机系统进行保护。
3系统硬件设计
针对12V蓄电池系统进行设计，考虑到应尽量降低成本和避免复杂的硬件电路，主控器采用低功耗、高性能CMOS8位单片机AT89C51；信号采集单元采用专用的蓄电池监测芯片DS2438,芯片为单总线结构，大大简化了采样电路；工作所需要的+5V电源是通过蓄电池单体电压通过三端稳压器LM7805得到；显示器选用1602字符型液晶显示器；选用发光二极管和蜂鸣器实现报警输出，操作人员可以通过系统中的键盘来设定报警限值，以及显示数据的切换；看门狗电路选用X25045芯片；单片机可以将采集到的数据通过串行接口电路送到PC机进行数据显示。
所以本设计硬件系统分为5个模块：
单片机最小系统、信号采集电路、显示电路、声光报警与键盘电路、看门狗保护电路。
下面对硬件电路作具体的设计。
3.1单片机最小系统
AT89C51单片机芯片内集成了计算机的基本功能部件，已具备了很强的功能。
一块芯片就是外加振荡电路和复位电路就是一个完整的最小微机系统，连线图如图3.1所示。
图3.1最小系统接线图
3.1.1微处理器介绍
本系统中的微控制器采用了AT89C51，AT89C51是美国ATMEL公司生产的，其内部包括一个8位的80C51微处理器（CPU）、256字节的数据存储器RAM/SFR、4K程序存储器FlashROM、4个8位并行I/O端口P0-P3、1个全双工UART的串行I/O口、两个16位的定时器/计数器、具有5个中断源两个中断优先级的中断控制系统、片内振荡器和时钟产生电路（石英晶体和微调电容需外接，最高允许振荡频率为24MHz），与8051相比，具有节电工作方式，其封装引脚图如图3.2所示，下面分类介绍其引脚。
图3.2AT89C51封装图
1）电源引脚VCC和VSS
VCC（40脚）：
电源端，为5V。
VSS（20脚）：
接地端。
2）时钟引脚XTAL1、XTAL2
时钟引脚外接晶体与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。
时钟引脚也可以外接晶体振荡器。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体和微调电容的一端。
在89C51片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。
若须采用外部时钟电路，则该引脚悬空。
XTAL1（19脚）：
接外部晶体和微调电容的另一端。
在片内，它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。
3）控制引脚
此类引脚提供控制信号，有的还具有复用功能。
RESET（9脚）：
当振荡器运行时，在此引脚外加上两个机器周期的高电平将使单片机复位。
此引脚与VSS引脚之间连接一个约10KΩ的下拉电阻，与引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠的复位。
在单片机正常工作时，此引脚为≤0.5V的低电平。
ALE/PROG（30脚）：
当访问单片机外部存储器时，ALE（地址锁存器）输出脉冲的负跳沿用于16位地址的低8位的锁存信号。
即使不访问外部存储器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡频率的1/6。
但是，每当访问外部数据存储器时（即从程序存储器取来MOVX类指令），在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。
因此，严格来说，用户不能用ALE做时钟源或定时。
ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个TTL负载。
PSEN（29脚）：
此脚的输出是单片机访问外部存储器的读选通信号。
在由外部存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。
但在此期间，每当访问外部数据存储器时（即从程序存储器取来的指令是MOVX类指令），这两次有效的PSEN信号将不出现。
PSEN可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL负载。
EA/PROG（31脚）：
当EA端保持高电平时，单片机访问内部FlashROM程序存储器，当PC（程序计数器）值超过0FFFH时，单片机将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
当EA接低电平时，则只访问外部程序存储器，而不管是否有内部程序存储器。
4）I/O口引脚
P0口：
双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载。
P1口：
8位准双向I/O口，可带4个LSTTL负载。
P2口：
8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可带4个LSTTL负载。
P3口：
8位准双向I/O口，双工能复用口。
P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻，故称为准双向I/O口。
P0口线内无固定上拉电阻，由两个MOS管串接，即可开漏输出，又可处于高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。
3.1.2复位电路
复位电路采用了上电复位和手动复位相结合的方式。
在通电瞬间，电容C通过电阻R2充电，RST端出现正脉冲，用以复位。
只要电源的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
手动复位就是通过按下按钮开关S，使单片机进入复位状态。
3.1.3振荡电路
为满足需要，本振荡电路采用12MHz的晶体，与微调电容配合，外接于引脚XTAL1和XTAL2之间。
3.2信号采集单元
本单元采用DS2438单总线智能电池监测芯片完成对电池当前各种信号状态的监测，包括当前电池的电压、电流、温度、剩余电量等参数。
DS2438芯片能够自动采集这些信号参数，并将其放在SRAM／EEPROM中，51单片机根据需要发出命令读取这些参数，然后处理这些参数，软件编程比较困难，硬件电路的简单是以复杂的软件编程为代价的。
3.2.1DS2438芯片介绍
DS2438是Dallas公司推出的智能电池监视器芯片。
该器件是为了解决便携式电子产品电池工作状志的实时监测而推出的，具有功能强大、体积小、硬件接线简单等优点。
1）DS2438的管脚图及功能
DS2438采用SOIC表面贴装封装形式，其外形及引脚排列如图3.3所示，表3.1说明了DS2438各引脚的功能。
图3.3DS2438封装
表3.1DS2438引脚功能
引脚号
引脚名称
功能描述
1
GND
接地
2
VSENS+
电池测量电流输入（+）
3
VSENS-
电池测量电流输出（-）
4
VAD
通用电压A/D输入端
5
VDD
供电电压（2.4～10V）
6，7
NC
悬空不接
8
DQ
数据输入输出、单总线、开漏
2）DS2438的性能特点：
a）是单总线器件，仅用一根传输线便能实现电源与数据的双向传输；
b）芯片内部集成一13位的温度传感器，其分辨率可以达到O.03125℃；
c）具有10位的电流A/D转换器，可以实现对电池充放电电流的测量；
d）具有10位二通道的电压A/D转换器，可以实现对电池电压的测量；
e）芯片内部有40字节的用户存储器，方便用户存储信息；
f）芯片内部有逝去时间计时器，可以对电池充放电时间进行统计；
g）芯片内部具有充放电电流累加器，当芯片每27.46ms采样一次电池电流时，根据该值的正负加减入电流累加器寄存器中，并且还设置两个累加器分别就充电电流与放电电流进行累加；
h）工作温度范围为-40℃～+80℃。
3）DS2438内部结构框图
DS2438作为一款专门用于采集多种电池状态参数的集成芯片，其内部结构框图如图3.4所示：
图3.4DS2438内部结构框图
由图3.4DS2438内部结构框图可知DS2438由单总线接口、电压电流A/D转换器、温度传感器、时钟电路、40字节的EEPROM及与上述硬件相关的寄存器组成。
其中的电压A/D转换器输入可以编程为由VDD电源端输入或VAD输入端输入，以满足VDD电源端及外部输入模拟量VAD的测量要求。
3.2.2DS2438存储空间
1）DS2438存储结构
DS2438上的64字节的存储空间分成8页，每页8个字节，该内存空间从数据访问方式上可以分成RAM（高速暂存）和SRAMIEEPROM（非易失ROM）两部分。
高速暂存RAM用于确保单总线通讯时的数据一致性：
数据首先写入DS2438的高速暂存RAM，当数据被确认后，通过ROM复制命令将暂存页的数据写入到相应的SRAM/EEPROM保护空间中。
DS2438的存储空间内包括一些特殊功能寄存器和供用户使用的存储单元，它们通常位于存储空间的第0页。
DS2438的存储空间的第1页为电流累加器、逝去时间计数器和电流补偿单元；第2页包括非易失性时间和充电时间标记；第3～7页是40字节的提供给用户使用的EEPROM，可用于保存用户数据。
2）DS2438寄存器
DS2438芯片的所有寄存器都映射到上述的存储器中，同时对DS2438的操作都是通过寄存器进行的。
下面对存储器空间第0页中的特殊功能寄存器进行详细阐述。
DS2438存储器第0页结构如表3.2所示。
表3.2DS2438存储器第0页结构
字节序号
寄存器名称
内容
读写特性
易失特性
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
状态配置
X
ADB
NVB
TB
AD
EE
CA
IAD
读
非易失
1
温度低位
0
0
0
读
非易失
2
温度高位
S
读
非易失
3
电压低位
读
非易失
4
电压高位
0
0
0
0
0
0
读
非易失
5
电流低位
读
非易失
6
电流高位
S
S
S
S
S
S
S
读
非易失
7
阈值
TH2
TH1
0
0
0
0
0
0
读/写
易失
a）状态/标志寄存器
状态/标志寄存器决定了DS2438的工作状态，单片机通过对特殊功能寄存器进行读/写操作，可实现DS2438的各种功能，因此在对其进行操作之前，必须对这一寄存器进行初始化，即对相应的控制位进行写操作。
状态寄存器位于存储器00页的第0字节，该寄存器用于DS2438的功能控制，其中各位的默认值为1，含义如下：
ⅰ）IAD为电流A/D控制位。
IAD=I，启用电流A/D和ICA，且以32Hz速率测量电流；IAD=0，禁用电流A/D和ICA；
ⅱ）CA为电流累加器配置位。
CA=1，启用CCA/DCA存储数据且可从第7页恢复数据；CA=0，禁用CCA/DCA，第7页可用于普通EEPROM存储；
ⅲ）EE为隐蔽电流累加器位。
EE=1，将CCA/DCA计数器数据隐蔽到EEPROM，电量每增加0.32，当前计数器加1：
EE=0，CCA/DCA计数器数据将不隐蔽到EEPROM；
ⅳ）AD为电压A/D输入选择位。
AD=1，电压A/D选择由VDD端输入；AD=0，电压A/D选择由VAD端输入；
ⅴ）TB为温度转换忙标志位。
TB=1，温度转换正在进行；TB=0，温度转换结束；
ⅵ）NVB为非易失存储忙标志位。
NVB=1，在从可擦除区复制到EEPROM的存储过程中；NVB=0，非易失存储空闲状态。
一次EEPROM存储占用2～10ms；
ⅶ）为A/D转换标志位，ADB=1，电压A/D转换正在进行；ADB=0，转换结束或无测量。
一次A/D转换占用约10ms；
ⅷ）X为不定位。
b）电流寄存器
DS2438内含一个可有效测量流入、流出电池块电流的模数转换器，电流的测量是通过测量电流取样电阻RSENS两端的电压来间接测量流过电池的电流。
采用10位ADC，其分辨率为O.005C，电流测量值的结果放在2字节的电流寄存器中，其中电流测量符号位S，用于指示充电或放电。
c）电流积分累加寄存器
DS2438对电池剩余电量的测量是借助其内部的电流积分累加器（ICA）实现的。
ICA存放的是流入、流出电池总电流的净累加值，因此，存储在这个寄存器内的值可用于计算电池的剩余电量。
d）电压寄存器
存放采集的电压值。
它的电压输入范围是0～10V，且电压ADC的输入，可通过状态/结构寄存器的AD位来选择由VDD输入或由VAD输入。
电压A/D转换的结果放在2字节电压寄存器中，单位为mV。
e）温度寄存器
存放采集的电池温度值。
可在-55～+125℃范围内以0.03125℃的分辨率测量温度值，温度值为补码形式通过2字节温度寄存器输出。
其中符号位S指示温度值为正或负；S=0，温度值为正；S=1，温度值为负。
f）消逝时间记录寄存器
消逝时间记录寄存器记录相对于内部基准时间的电池充电完毕、其脱离系统的精确时刻，便于用户了解电池的使用情况，正确地使用和维护电池。
3.2.3数据采集板电路
信号采集板电路包括四部分：
+5V工作电源、电压采集、电流采集和DS2438单片机通讯电路。
其电路图如图3.5所示。
图3.5信号采集模块
1）+5V工作电源电路
每节蓄电池都有自己独立的采集板，蓄电池电压经LM7805三端稳压芯片稳压滤波后输出5V电压，给自身的采集板提供电源。
2）电压采集电路
蓄电池在浮充状态下电压为12.8V，充电是电压最大可达到16V左右，而DS2438芯片的电压测量范围为0～10V，因而需经精密电阻R3、R4分压,再通过R5、C10滤波电路滤波后输入DS2438的VAD,当DS2438接收到单片机发出的电压转换命令时,片内ADC转换器将对VAD管脚上的电压进行数字转换,转换时间为2ms左右。
转换的结果将被保存在两字节的电压寄存器中。
当单片机发出读取数据的指令时,测量的数据即从DS2438的DQ端传送出去。
因为DS2438其分辨率为0.01V，所以蓄电池的
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