孫國林

(南京師范大學(xué) 后勤管理處，江蘇 南京 210046)

0 引言

現(xiàn)代通訊設(shè)備及大型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對電源系統(tǒng)的可靠性要求很高。目前大部分通訊用開關(guān)電源及計算機(jī)用UPS 電源，都采用大功率蓄電池作為市電中斷時的后備電源系統(tǒng)，蓄電池組作為系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行的最后一道防線，對其進(jìn)行有效的在線監(jiān)測、放電和容量測試，為相關(guān)部門了解蓄電池組的性能提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，具有特殊的作用和意義。

本文以STM32F103ZE 微處理器為核心，設(shè)計了一種在蓄電池組使用過程中對電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行在線的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

對蓄電池監(jiān)測的參數(shù)有蓄電池的電壓、內(nèi)阻和溫度等。系統(tǒng)采用高性能微處理器控制，通過采集蓄電池單體電壓、蓄電池組的充放電電流及溫度來檢測電池組的狀況，并設(shè)計報警功能，最后通過RS-485 現(xiàn)場工業(yè)總線與上位機(jī)通信并傳送數(shù)據(jù)。硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件具有自動監(jiān)測與顯示功能，可以實(shí)現(xiàn)VRLA 蓄電池故障和隱患的早期預(yù)報，并能顯示故障原因及確定位置，對出現(xiàn)的問題及時解決，將事故發(fā)生率降到最低。蓄電池巡檢系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 硬件設(shè)計

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由若干個下位機(jī)組成，每一個下位機(jī)負(fù)責(zé)采集多路蓄電池單體電壓、蓄電池組的充放電電流及溫度。

數(shù)據(jù)采集器采用ARM 以STM32F103ZE 微處理器為核心組成“數(shù)據(jù)采集模塊”，其功能主要對蓄電池單節(jié)電壓和溫度的參數(shù)進(jìn)行自動巡檢。“數(shù)據(jù)采集模塊”與蓄電池組就近安裝，最大程度地降低工作量和安裝成本。

ARM 是32 位的單片機(jī)，其內(nèi)部硬件資源的性能較好，芯片集成度高，內(nèi)置A/D，精度高，采集準(zhǔn)確，外設(shè)豐富，在本系統(tǒng)充當(dāng)控制器有著其他方案不可比擬的優(yōu)勢［1］。

2.1 單體電池電壓的巡檢

對蓄電池進(jìn)行巡檢時，單體電池的電壓作為一個重要參數(shù)，是判斷單體電池有否故障的重要依據(jù)。蓄電池組中的電池個數(shù)一般為幾個或幾十個，由于蓄電池組中單體之間是串聯(lián)連接，使得每一個電池的電源端不共地。當(dāng)蓄電池數(shù)量很大時，蓄電池的信號電位將超過一般模擬電路芯片所能承受的電壓范圍。本文采用光耦繼電器AQY210，它的負(fù)載能力高達(dá)350 V，足以讓蓄電池的電壓直接通過，解決了蓄電池信號電位過高的問題。AQY210 引腳圖如圖2 所示。

圖2 AQY210 引腳框圖

圖中的1、2 號引腳之間有正向電流流過時，3、4 號引腳之間的光敏MOS 管就導(dǎo)通，即可選中某節(jié)蓄電池，將其電壓值送入后級電壓跟隨器。

采用光耦繼電器實(shí)現(xiàn)電壓采樣的電路如圖3 所示，電路主要由數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051 和光耦繼電器AQY210 組成。在采集單體電池電壓參數(shù)時，系統(tǒng)通過多路信號轉(zhuǎn)換通道，輪流檢測多路蓄電池的電壓。由此，只要依次選通各個蓄電池，就能達(dá)到電壓巡檢的目的［2］。

圖3 光耦繼電器采樣電路

2.2 溫度采集模塊

閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池的最佳工作溫度為25 ℃，由于其采用密封結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部熱量很難散失，每升高10 ℃，蓄電池的壽命將減少1/2，因此監(jiān)測蓄電池的溫度對提高其工作壽命有著重要的意義。多數(shù)溫度傳感器的輸出都是一個變化的模擬電壓量，不能與計算機(jī)采集系統(tǒng)直接接口，必須先進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才能輸入計算機(jī)。而數(shù)字溫度傳感器的產(chǎn)生解決了這個問題，本文的溫度采樣模塊采用DALLAS 公司生產(chǎn)的最新一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20 來測量蓄電池溫度［3］。

作為新的“一線器件”DS18B20 外圍電路簡單，體積小、適用電壓寬、更經(jīng)濟(jì);它能夠?qū)y得的溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，而且還可以與ARM 直接相連接，其分辨率為0.062 5，實(shí)現(xiàn)高精度測溫。溫度傳感器DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成:64 位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH 和TL、配置寄存器。DS18B20 與STM32 的連接電路如圖4 所示。

圖4 DS18B20 與STM32 的連接電路

2.3 蓄電池充放電監(jiān)測

蓄電池的充放電有自動/手動控制器完成，充放電電流通過霍爾電流傳感器采集，送至ARM 完成運(yùn)算。

2.4 通信模塊

在現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)中，ARM 通常是在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時控制室也需要了解現(xiàn)場的情況，并能對現(xiàn)場的ARM 下達(dá)命令，完成需要的操作，因此需要解決ARM 與上位機(jī)的通信問題。系統(tǒng)采用串口通信芯片ADM2587E 實(shí)現(xiàn)串口通信。通信模塊硬件電路如圖5 所示。RXD 為串口接收端，TXD 為串口發(fā)送端，RE/DE 為控制接收和發(fā)送的使能信號，當(dāng)RE/DE為高電平時，ARM 芯片向上位機(jī)傳送采集的電壓值和溫度值，當(dāng)RE/DE 為低電平時，接收上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)［4-5］。

圖5 通信模塊硬件電路圖

2.5 人機(jī)接口模塊

人機(jī)接口模塊的主要作用是完成人與裝置的信息交互。本系統(tǒng)采用81.3 mm(3.2吋)真彩觸摸屏和ADS7843觸摸屏管理芯片作為輸入輸出人機(jī)接口對電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3 蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分上、下位機(jī)軟件兩部分。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)采用的是STM32F103ZE 微處理器，它的主要任務(wù)是:實(shí)時采集蓄電池的參數(shù)及狀態(tài)等數(shù)據(jù);完成必要的信號變換及現(xiàn)場監(jiān)控處理;接收執(zhí)行上位機(jī)的指令，通過RS-485 串行通信接口向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

下位機(jī)軟件采用C 語言編程和模塊化的程序設(shè)計方法，主程序主要包括系統(tǒng)初始化與自檢模塊、電壓/溫度采集模塊、菜單顯示模塊和串口通訊模塊等。

在下位機(jī)流程中，初始化程序主要是對各種緩沖區(qū)清零，包括檢測緩沖區(qū)、顯示緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)存儲緩沖區(qū)、通訊緩沖區(qū):設(shè)置標(biāo)志位和中斷優(yōu)先級;接著讀取電壓和溫度的閾值參數(shù);然后啟動中斷并判斷是否有鍵按下，再判斷采集停止標(biāo)志，如果為0，進(jìn)行電壓、溫度的巡檢并將檢測值通過窗口發(fā)送到上位機(jī)。下位機(jī)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 下位機(jī)主程序流程圖

下位機(jī)程序包括電壓采集程序模塊、測溫程序模塊、內(nèi)阻程序模塊和計算通信程序模塊，程序流程圖略。

3.2 下位機(jī)菜單設(shè)計

下位機(jī)菜單包括主菜單、運(yùn)行監(jiān)測、記錄查詢、參數(shù)設(shè)置、時間設(shè)置等界面，通過按鈕??調(diào)整光標(biāo)的位置，通過按鈕▲▼調(diào)整數(shù)字并按確認(rèn)鍵存儲，按取消鍵退出。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)采用PC 機(jī)，主要的任務(wù)是向下位機(jī)發(fā)送指令并接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲分析、顯示實(shí)時監(jiān)測狀態(tài)及信息查詢等。上位機(jī)軟件設(shè)計采用VB 編程語言，VB 不但擁有良好的界面設(shè)計能力，界面簡潔、大方，并能將用戶最關(guān)心的數(shù)據(jù)直觀的顯示出來，而且在計算機(jī)串口通信方面也有強(qiáng)大的功能。上位機(jī)總體設(shè)計流程圖如圖7 所示。

圖7 上位機(jī)總體設(shè)計流程圖

4 電壓數(shù)據(jù)采集測試

密封鉛酸蓄電池額定電壓為2 V，電池電壓正常值為1.9 V～2.3 V，組成蓄電池組用于變電所直流220 V 電源，共計107 塊蓄電池，現(xiàn)以8 個串聯(lián)的蓄電池為研究對象，對該蓄電池組進(jìn)行了多次重復(fù)檢測，并同時用四位半多功能萬用表同時檢測該組電壓以進(jìn)行驗(yàn)證。表1 和圖8 所示分別為8 路采集通道的電壓數(shù)據(jù)及對結(jié)果的統(tǒng)計分析。

表1 實(shí)驗(yàn)檢測電壓數(shù)據(jù)

圖8 測量值與理論值對比

由表1 可以得知，測量值與理論值的最大誤差僅為0.003 V;而由圖8 數(shù)據(jù)對比可以看出，測量值與理論值的圖形基本一致，可見該電壓采樣電路精度準(zhǔn)、可靠性高。

5 結(jié)語

采用ARM STM32F103ZE 為核心的蓄電池巡檢系統(tǒng)，具有較高的測量精度，根據(jù)電壓和內(nèi)阻綜合判斷蓄電池的性能，能準(zhǔn)確地反映蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)，及時報告故障信息，友好的界面使得用戶能方便地察看系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時參數(shù)，取得了較好的應(yīng)用效果。

［1］李德資.基于ARM 的蓄電池巡檢軟硬件系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［D］.南京:南京師范大學(xué)，2012.

［2］歐陽名三，余世杰.VRLA 蓄電池容量預(yù)測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.蓄電池.2004，(02):59-63，66.

［3］李立偉，鄒積巖.電池在監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.電工技術(shù)雜志，2002，21(11):7-9.

［4］陳杰，徐劍虹.閥控密封鉛酸蓄電池失效機(jī)理及檢測［J］.電源技術(shù)，1999，23(6):332-334.

［5］張紀(jì)元.閥控密封鉛蓄電池的使用和維護(hù)［J］.電源技術(shù)，1997，(6):39-42.