【正文】 測的重點(diǎn)也有差異，在監(jiān)測的方法和手段上人們進(jìn)行了大量的研究和探索。這個(gè)管理系統(tǒng)不是簡單的監(jiān)測蓄電池，而是設(shè)計(jì)成具有管理和控制蓄電池的功能。因?yàn)楹銐撼潆姷姆椒ú荒軡M足不同蓄電池所需的不同充電電流。它是在監(jiān)測的基礎(chǔ)上對蓄電池進(jìn)行分析，并進(jìn)行管理和控制?？梢哉f，國外蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)比較成熟，并且研究發(fā)展了蓄電池管理系統(tǒng)。國外先進(jìn)技術(shù)及研究成果對我國進(jìn)一步進(jìn)行有關(guān)部門蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)方面的研究，可以起到借鑒作用。隨著信息、能源、電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的場合都需要保證不間斷的供電，閥控式鉛酸蓄電池（Value Regulated LeadAcid）簡稱VRAL，VRAL蓄電池的使用已經(jīng)趨于廣泛，與普通的鉛酸蓄電池相比VRAL蓄電池由于采用了內(nèi)部氧復(fù)合技術(shù)，大大緩解了電解液的損耗，而且具有體積小防爆、電壓穩(wěn)定、無污染、重量輕、放電性能高、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，所以深受各個(gè)行業(yè)的青睞，尤其是在電力系統(tǒng)中，VRAL蓄電池作為電廠、變電站都擁有直流電力供應(yīng)系統(tǒng)。由于這些重要負(fù)載絕對不允許斷電情況發(fā)生，而單靠電網(wǎng)供電無法保證做到這一些，因此作為后備電源的蓄電池便成為確保設(shè)備正常運(yùn)行的最后一道防線。此外，蓄電池還被廣泛應(yīng)用于郵電、通信、交通、船舶、航空航天、應(yīng)急照明等諸多領(lǐng)域中，作為儲存電能的裝置。蓄電池作為電力系統(tǒng)的后備電源，其維護(hù)工作對保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。但是，從目前VRAL蓄電池的使用和維護(hù)狀況來看，存在著諸多的缺點(diǎn)和問題。因此，針對閥控式鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)的特殊性，充分發(fā)揮蓄電池作為后備電源的作用，在運(yùn)行中可靠檢測蓄電池性能，以便對蓄電池進(jìn)行維護(hù)，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行變得十分困難又十分迫切，必須對蓄電池組進(jìn)行有效的全面監(jiān)測。在這種情況下，本課題擬設(shè)計(jì)一種新型蓄電池在線智能監(jiān)測儀，能實(shí)現(xiàn)對蓄電池?zé)o論在浮充狀態(tài)還是在充放電過程中的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確工作狀態(tài)監(jiān)測。該系統(tǒng)采用了大連東臺電子有限公司生產(chǎn)的EDMl286409圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，能直觀了解失效的蓄電池信息。新的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)自動化程度高、人機(jī)界面友好，又易于操作，并且整體結(jié)構(gòu)可靠性好，精度高，具有很高的推廣使用價(jià)值。 本課題來源及技術(shù)指標(biāo)（1）設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的新型蓄電池在線智能監(jiān)測系統(tǒng)；（2）該系統(tǒng)應(yīng)包括：單片機(jī)控制系統(tǒng)、測量電路、RS485通訊電路、液晶顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路；（3）完成功能：實(shí)現(xiàn)對蓄電池?zé)o論在浮充狀態(tài)還是充放電狀態(tài)過程中的監(jiān)測；（4）硬件電路的設(shè)計(jì)及硬件電路圖繪制；（5）軟件編程及功能調(diào)試。利用相關(guān)知識對VRLA蓄電池的工作原理和失效機(jī)理進(jìn)行理論分析。在硬件電路設(shè)計(jì)上，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的正確設(shè)計(jì)及連接。本課題主要分為以下幾個(gè)具體實(shí)現(xiàn)步驟： 1. 整理要運(yùn)用的知識： (1) 掌握單片機(jī)的基本工作原理及指令系統(tǒng)；(2) 掌握MCS51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方法；(3) 熟練應(yīng)用Protel軟件繪制原理圖及印刷電路板圖。(2) 設(shè)計(jì)蓄電池監(jiān)測控制算法。(4) 采用AT89C52單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)控制思想。同時(shí)對電路板、原理圖進(jìn)行繪制。蓄電池的充電狀態(tài)能反映它所能輸出能量的大小。(1) 負(fù)載測試長期以來，確定蓄電池充電狀態(tài)的唯一方法就是負(fù)載測試，即給蓄電池加上已知的負(fù)載，記錄其放電特性，然后與蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)放電特性相比較，從而得出其容量大小。實(shí)際上，作為應(yīng)急電源往往不允許這么做，因?yàn)槠浣Y(jié)果是蓄電池?zé)o電可供，而且蓄電池深度放電和再恢復(fù)到充滿電狀態(tài)都需要很長時(shí)間。另外，經(jīng)常進(jìn)行負(fù)載測試會加速蓄電池的老化。(2) 測量電解液的比重由蓄電池的充放電原理可以看出，蓄電池的電解液密度反映了蓄電池的充放電程度。但是，其真實(shí)性不如負(fù)載測試，而且免維護(hù)鉛酸蓄電池為密封結(jié)構(gòu)，無法測量電解液的比重。由于免維護(hù)鉛酸蓄電池固有的電壓偏差較大，端電壓的測量將不能精確的反應(yīng)蓄電池的特性。電化學(xué)性電阻的增加本是不能影響蓄電池的容量，但導(dǎo)致電化學(xué)性電阻增加的原因—活性物質(zhì)的損失和電解液的干涸使得蓄電池存儲的能量減少，反映在其能持續(xù)提供的電動勢減少，使端電壓提早達(dá)到終止電壓，容量也就減少了。在蓄電池的老化進(jìn)程中，極板的硫酸化、活性物質(zhì)的脫落、電解液的干涸等隨時(shí)間推移而加劇，這些變化會導(dǎo)致蓄電池容量的減少，同時(shí)使蓄電池歐姆內(nèi)阻呈逐漸增加的趨勢。在蓄電池的老化過程中，其內(nèi)阻的上升明顯早于充電時(shí)端電壓的提高，直到內(nèi)阻上升了60%以上時(shí)，端電壓才有明顯的增大，而端電壓的增大正是電解液干涸的表現(xiàn)，因此，內(nèi)阻具有很好的預(yù)測性。(5) 測量溫度蓄電池內(nèi)部溫度對其性能有很大影響，即溫度上升時(shí)，電解液的運(yùn)動速度增大，獲得動能增加，因此滲透力加強(qiáng)，電解液電阻減小。當(dāng)電解液的溫度在10～35℃的范圍內(nèi)變化時(shí)，每變化10℃，％。對免維護(hù)鉛酸蓄電池而言，更是如此，因?yàn)樵诔潆娺^程中存在氧的再化合，而產(chǎn)生的額外熱量會使溫度上升，因而影響更大。觀察電解液的液面高度、板柵的腐蝕情況、正極活性物質(zhì)的脫落和變形等，是評估蓄電池完好性的重要方法。 主控芯片的選擇通過MCS51單片機(jī)內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)圖掌握，單片機(jī)內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)及各個(gè)部件的功能與特點(diǎn)。然而AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。與MCS51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容8k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0HZ－24MHZ三級加密程序存儲器2568字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 8個(gè)中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式 圖21 AT89C52引腳圖 AT89C52單片機(jī)的主要特性AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 AT89C52單片機(jī)的引腳功能P0：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。P1：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL邏輯門電路。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流（IIL）。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，Pl接收低8位地址。對端口P2寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流（IIL）。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRI指令）時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。P3：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。對P3口寫入“l(fā)”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。P3口除了作為一般的I/0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表22所示。RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 本系統(tǒng)控制算法的確定因?yàn)樾铍姵貎?nèi)部阻抗與蓄電池的容量及完好性有著密切的關(guān)系，蓄電池的性能可以通過蓄電池內(nèi)阻精確體現(xiàn)出來，一般而言，蓄電池的容量越大，內(nèi)阻就越小，因此可以通過蓄電池內(nèi)阻的測量，對蓄電池的容量進(jìn)行在線評估。(1) 密度法密度法主要通過測量蓄電池電解液的密度來估算蓄電池的內(nèi)租，常用于開口式鉛酸蓄電池的內(nèi)阻測量，顯然不適合密封鉛酸蓄電池的內(nèi)阻測量。這種方法雖然和簡單，并且可以應(yīng)用于不同類型的蓄電池，但是由于(EU)除了包含歐姆極化之外還有活化極化和濃差極化，所以用此方法測得的蓄電池內(nèi)阻并不是蓄電池的歐姆電阻。另一種方法是通過對蓄電池進(jìn)行瞬間大電流放電(一般為幾十或上百安培)放電，測量蓄電池上的瞬間電壓降，通過歐姆定律計(jì)算出蓄電池內(nèi)阻。(3) 交流法這種方法是通過對蓄電池注入一個(gè)低頻交流電流信號，測出蓄電池兩端的低頻電壓幅度V0和流過的低頻交流電流幅度IS以及兩者的相位差α，根據(jù)公式：Z=V/I，R=∣Z∣ COSα=V0COSα/I，從而計(jì)算出蓄電池的等效內(nèi)阻。同時(shí)施加的低頻信號頻率非常之低，施加的交流電流也非常小，不會對蓄電池的性能造成影響并且不需要負(fù)載箱。而且受外來而且受外來噪聲的干擾比較嚴(yán)重。圖21蓄電池組充電主回路本題目所設(shè)計(jì)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)對蓄電池的內(nèi)阻和電動勢測量采用了一種特殊的直流檢測法。圖22測量原理圖(Z截止)其中，Ri為蓄電池內(nèi)阻，Ei為蓄電池電動勢，由圖23可知，當(dāng)Ti截止時(shí)，有： Ui1I1Ri=Ei ()圖23測量原理圖(Z導(dǎo)通)由圖可知，當(dāng)Ti導(dǎo)通時(shí)，有：I21=UC/R* ()I22=I2I21 ()Ui2I22Ri=Ei ()由此可得方程：Ui1I1Ri=Ei ()Ui2I22Ri=Ei ()（120）—（121）可得：Ui1Ui2=( I1I22)Ri ()Ri= (Ui1Ui2)/( I1I22) ()Ei = Ui1 I1 (Ui1Ui2) /( I1I22) ()由此可求出蓄電池的內(nèi)阻和電動勢。在蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)中，晶體管的導(dǎo)通由單片機(jī)來控制。當(dāng)蓄電池處于放電狀態(tài)時(shí)其電流方向?yàn)樨?fù)，對兩組并聯(lián)在一起的蓄電池組的內(nèi)阻ΣRi，電動勢ΣEi，做不同的處理時(shí)，可出現(xiàn)不同的情況。因此，在各組加電流傳感器，測量各自電流。注：精密電阻R*的選取。一般情況下以為12V或者24V，則有：(1) 取I21為500mA[或1A]則R*=Ui/I21=12/=24Ω 或R*= Ui/I21=24/=48Ω電阻瓦數(shù)：I2R =UI=12=6W 或I2R =UI=24=12W(2) 取I21為200mA則R* =Ui/I21=12/=60Ω 或R*=24/=120Ω電阻瓦數(shù)：I2R =UI=12= 或I2R =UI=24=在使用的時(shí)候采用多個(gè)電阻并聯(lián)，來減小系統(tǒng)誤差。 蓄電池溫度的測量采用DSl8820數(shù)字溫度傳感器貼于蓄電池外殼進(jìn)行測量。 本章小結(jié)本章從該系統(tǒng)監(jiān)測原理、控制算法、測量方法及主控芯片等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳盡的闡述，即解決了上一章提出的問題，又為下一章硬件的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。將電路按其所實(shí)現(xiàn)的功能劃分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、能實(shí)現(xiàn)特定功能的子電路，繪圖采用程序原理圖設(shè)計(jì)，對子電路分別進(jìn)行繪制，這樣做的好處是使電路更加清晰明了，層次突出，方便硬件電路的調(diào)試及排錯(cuò)。 總體硬件電路設(shè)計(jì)溫度測量量本文為基于單片機(jī)的能量回饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件電路，采用了功能模塊化設(shè)計(jì)方法。此外，模塊化設(shè)計(jì)是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，符合自頂向下的工程設(shè)計(jì)理念，形成了如下圖31整體設(shè)計(jì)框架。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)要想工作必須要在XTAL1和XTAL2端口加晶振電路，單片機(jī)工作速度也是由晶振電路決定的。圖32 晶振電路 圖33 微分型復(fù)位電路在晶振電路中，電路中電容C3和C4對振蕩頻率有微調(diào)作用，通常的取值范圍30177。其結(jié)果只是機(jī)器周期時(shí)間不同，影響記數(shù)器的記數(shù)初值和運(yùn)算速度。晶振電路已經(jīng)在上一節(jié)介紹了，下面簡單介紹下復(fù)位電路、電源、接地。工作原理：高電平為例，電源上電時(shí)，VCC可以認(rèn)為一階躍信號復(fù)位端電壓是由于下拉電阻R1在CPU復(fù)位端引起的電壓值。其主要原因有兩點(diǎn)：（1）穩(wěn)壓電源的輸出開關(guān)特性；（2）我們通常在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為保證電源電壓穩(wěn)定性，往往在電源的輸入端并聯(lián)一個(gè)大電容，從而導(dǎo)致了VCC不可能為階躍信號特征。(2) 電源、接地單片機(jī)AT89C52所選用的是+5V的電源，可直接由穩(wěn)壓電源提供，接地直接接GND。圖34 單片機(jī)最小系統(tǒng) 系統(tǒng)的監(jiān)測電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)擁有10或20路相互獨(dú)立的測量通道。另外，系統(tǒng)具有校準(zhǔn)功能，這是通過一個(gè)穩(wěn)壓管LM336提供基準(zhǔn)電壓來實(shí)現(xiàn)的。圖35模擬測量電路由測量基本原理知，測量電路要測量的量為：電壓U、U，晶體管導(dǎo)通時(shí)電壓U，電流I 、I。單片機(jī)對測量模塊的控制信號有4個(gè)，其中控制信號A、B、C接在測量