柴愛平 緱文博

【摘要】針對當(dāng)前鐵路系統(tǒng)中大量使用的UPS蓄電池工作狀態(tài)不能合理監(jiān)測、無法進(jìn)行自動維護(hù)的問題，研究了一種由單片機(jī)控制DS2438的蓄電池監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在線準(zhǔn)確的監(jiān)測蓄電池電壓、剩余電量等參數(shù)，放電維護(hù)狀態(tài)下對蓄電池健康狀態(tài)進(jìn)行判斷的功能。通過長期進(jìn)行蓄電池的放電實驗，找到了合理的蓄電池放電深度數(shù)據(jù)值。實驗表明，監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)提高了鐵路UPS蓄電池的使用壽命和運(yùn)行可靠性。

【關(guān)鍵詞】DS2438;Labview;蓄電池監(jiān)測;剩余電量;放電深度

鐵路各站段機(jī)房中大量使用的UPS在鐵路安全運(yùn)行中起到了至關(guān)重要的作用，目前的UPS維護(hù)工作基本都是工人們依照經(jīng)驗進(jìn)行，因此主要存在以下問題：UPS蓄電池的健康狀態(tài)無法準(zhǔn)確判斷;放電維護(hù)只是簡單的通過蓄電池對電阻器件進(jìn)行大電流放電，放電深度無法控制，容易損害電池壽命;長期進(jìn)行實驗記錄的數(shù)據(jù)表明，蓄電池放電深度一般選擇在60%有利于蓄電池健康運(yùn)行，這樣就需要在線式UPS蓄電池電量監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)對電池電量和狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，提高放電維護(hù)過程中蓄電池的使用壽命，避免過于深度的放電對蓄電池造成的損害，保障了鐵路系統(tǒng)的安全。本文從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面介紹以DS2438為蓄電池數(shù)據(jù)測量器，C8051F020單片機(jī)為控制核心的UPS蓄電池的在線監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)[1]。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)主要由C8051F020單片機(jī)作為控制核心、LCD顯示電路、光電隔離電路以及由DS2438構(gòu)成的蓄電池參數(shù)采集電路組成[2]。系統(tǒng)通過測量板對蓄電池進(jìn)行電壓、電流以及剩余容量的監(jiān)測，測得的數(shù)據(jù)通過傳給C8051F020單片機(jī)，放電維護(hù)過程中剩余容量達(dá)到60%，單片機(jī)控制繼電器斷開，結(jié)束維護(hù)過程。如果蓄電池工作過程中出現(xiàn)失效，電壓波動，容量下降等問題，系統(tǒng)將會進(jìn)行報警，提示工作人員進(jìn)行蓄電池的更換。系統(tǒng)上位機(jī)由LabVIEW軟件開發(fā)制作，主要作用有顯示監(jiān)測過程中的參數(shù)，按日期記錄維護(hù)監(jiān)測信息，以便于對蓄電池進(jìn)行分析[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

1.1 微控制器

控制器采用C8051F020單片機(jī)，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳，便于用在多路控制系統(tǒng)中;具有高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS），12位100ksps的8通道ADC;帶PGA和模擬多路開關(guān)，8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān);包含雙12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式，64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，4352字節(jié)的片內(nèi)RAM;硬件實現(xiàn)的SPI、I2C和兩個UART串行接口，5個通用的16位定時器片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等特點[4]。

設(shè)計中將單片機(jī)P0口作為LCD顯示的數(shù)據(jù)接口;P1口實現(xiàn)鍵盤掃描;系統(tǒng)同時進(jìn)行多路UPS放電維護(hù)時，用P2口控制各路繼電器電路;P3.0和P3.1口用作串口數(shù)據(jù)收發(fā)，P3.2和P3.3口作為DS2438接口;P4口與LCD控制端連接;P5口用來控制聲光報警電路。

1.2 DS2438智能電池監(jiān)視芯片

DS2438智能電池監(jiān)視芯片為電池組提供了很有價值的功能，它可用于標(biāo)識電池組的唯一序列號，直接數(shù)字化的溫度傳感器，具有可測量電池電壓和電流的A/D轉(zhuǎn)換器;集成電流累積器用于記錄進(jìn)入和流出電池的電流總量;具有一個經(jīng)歷時間紀(jì)錄器以及40字節(jié)的非易失EEPROM存儲器，可用于存儲重要的電池參數(shù)例如化學(xué)類型、電池容量、充電方式和組裝日期等。DS2438使用1-Wire接口發(fā)送和接收信息，所以中央微控制器和DS2438之間僅需1條連線（還有地線）。電池組僅需要三個輸出接頭：電池電源、地和1-Wire接口[5]。

1.3 蓄電池測量監(jiān)測電路

蓄電池測量監(jiān)測電路對UPS中每組3-5個蓄電池可以同時進(jìn)行剩余電量、溫度、電壓參數(shù)的測量，測量電路主要由電流傳感器LA28-NP、LM7805穩(wěn)壓器、監(jiān)測芯片DS2438、光電耦合器6N135構(gòu)成[6]，具體電路如圖2所示。

圖2 蓄電池測量監(jiān)測電路

圖3 蓄電池剩余容量與放電深度關(guān)系

系統(tǒng)進(jìn)行蓄電池電壓測量時，被測電壓在電阻上經(jīng)分壓、濾波后送入DS2438的VAD端，內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行變換后將數(shù)值存入存儲器中，便于單片機(jī)直接進(jìn)行讀取;采用霍爾式電流傳感器LA28-NP對蓄電池放電電流進(jìn)行變換后，送入DS2438中對電流進(jìn)行測量[4]。LA28-NP電流傳感器的原邊電流在5～25A范圍內(nèi)有5種選擇方式，通過電流設(shè)定后可將電流變換至25mA范圍內(nèi);電池剩余電量的測量通過計算電流流入流出電池的差值而得到[7]。DS2438芯片為在測量UPS蓄電池放電維護(hù)過程剩余電量使用了一個集成電流累加器ICA，ICA作為負(fù)責(zé)累計電池組投入使用后的全部流入和流出電池電流的寄存器，其計算值可表征為電池剩余容量[8]。

2.剩余容量實驗

在選擇蓄電池的維護(hù)放電深度時，選取5個同型號的蓄電池（蓄電池容量、電壓都相同），在同樣的實驗條件下對相同的阻性負(fù)載進(jìn)行放電，選取不同的放電深度（分別為20%、50%、60%、70%、80%），每次放電記錄蓄電池容量數(shù)值。通過23個月的實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)放電維護(hù)時選擇剩余容量為60%時，蓄電池的健康狀態(tài)良好，使用壽命最長[9]，實驗測得曲線如圖3所示。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計

單片機(jī)程序主要分為系統(tǒng)控制程序、電池參數(shù)測量程序、繼電器驅(qū)動程序、LCD顯示程序、串口通信程序等。監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)將測得的VRLA蓄電池參數(shù)傳給單片機(jī)，當(dāng)剩余容量小于60%時，控制程序使繼電器斷開，維護(hù)過程結(jié)束。當(dāng)蓄電池使用或維護(hù)中電流、電壓、溫度等參數(shù)超過安全范圍時，系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警。程序流程圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)控制程序流程圖

3.2 LabVIEW上位機(jī)程序

LabVIEW是一種圖形化的程序開發(fā)環(huán)境，設(shè)計方法類似于C和BASIC語言，具有模塊化程度高，驅(qū)動設(shè)計方便，易于工業(yè)控制軟件的開發(fā)。監(jiān)測維護(hù)信息管理軟件通過接收單片機(jī)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，主要記錄了每次維護(hù)UPS蓄電池的時間、蓄電池狀態(tài)、蓄電池維護(hù)放電量等，方便管理人員實時進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和信息分析[10]。系統(tǒng)管理界面如圖5所示。

圖5 LabVIEW上位機(jī)管理軟件界面

4.結(jié)論

監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)實現(xiàn)了UPS蓄電池的在線監(jiān)測功能，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可以對蓄電池在自動狀態(tài)下進(jìn)行放電維護(hù)，提高了工作效率。當(dāng)蓄電池出現(xiàn)故障狀態(tài)時，可以及時進(jìn)行報警。監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)有效的延長UPS蓄電池的使用壽命，確保了鐵路系統(tǒng)的安全可靠性，節(jié)約了資源。系統(tǒng)有成本低，誤差小，操作簡單，維護(hù)效果好的特點，在鐵路系統(tǒng)中有一定的實用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]王琢，吳細(xì)秀，魏洪濤.基于DS2438的電池剩余電量監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（14）：24-26.

[2]楊洋，高申翔，孫朝斌.UPS蓄電池性能監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計[J].電工電氣，2010（9）：28-30.

[3]華丹.蓄電池充放電監(jiān)測集成系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

[4]馬忠梅，籍順心，張凱.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]李福偉.基于SOC單片機(jī)C8051F020的蓄電池剩余電量的測量[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2010，13（9）：13-16.

[6]宋方武.專用蓄電池智能放電監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[7]王莉.一種基于MCU的蓄電池電量計的設(shè)計與實習(xí)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2007.

[8]郭屹松.基于DS2438的智能電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報，2008，16（3）：31-35.

[9]胡信國.動力電池技術(shù)與應(yīng)用[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[10]鄭對元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.