1、河南理工大學畢業設計（論文）說明書摘要蓄電池的作用是把有限的電能儲存起來，在合適的地方使用。它的工作原理是先把電能轉化為化學能，等需要的時候再轉化回來。蓄電池種類很多，目前常用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。蓄電池有很多參數，比如電壓、電流、溫度等。如果這些參數不在正常范圍內，就會影響蓄電池的壽命。現在隨著國民經濟的迅速發展，電力系統發揮著越來越重要的作用，蓄電池組作為其中一個重要組成部分，其工作狀況的好壞直接影響到電力系統的安全、可靠和高效運行，因此蓄電池監測具有很重要意義。本監測系統是以單片機為核心，通過電壓采集電路和溫度采集電路來測電壓和環境溫度兩個參數，并有報警電路，當參數超限時系統可以報警

2、，顯示電路來顯示所測參數。其中在電壓采集電路中線性光耦合器件TIL300可以有效地將測量通道與計算機系統隔離開來，而且對信號放大的線性度也很好。溫度采集電路采用廣泛使用的數字溫度采集芯片DS18B20對蓄電池所在場所的環境溫度進行采集。報警電路采用蜂鳴器，參數超限時它可報警。顯示電路采用數碼管來進行顯示，并且用專業的驅動芯片來驅動各個數碼管。關鍵詞：蓄電池、 單片機、 監測Abstract The battery's role is limited to the energy stored in the right places. It worksby first turning el

3、ectrical energy into chemical energy, into back when needed. Battery type are very many , at present the commonly used batterymainly is thelead-acid battery.The battery has many parameters, such as voltage, current, temperature, etc. If these parameters are not within the normal range, it will affec

4、t battery life. Now along with the national economy rapid development, the electrical power system plays the more and more vital role, the battery unit was taking important constituent, its working condition quality affects directly the electrical power system security, reliable and the highly effec

5、tive movement, therefore the battery monitor has the very vital significance. This monitoring system is based on Single chip microcomputer as the core,through the voltage gathering electric circuit and the temperature gathering electric circuit measured the voltage and the ambient temperature two pa

6、rameters, and have the alarm circuit, when the parameter ultra time limit system may report to the police, the display circuit to display the measured parameters.In which linear light coupled apparatus TIL300 may survey effectively in the voltage gathering electric circuit the channel and the comput

7、er system isolates, moreover the linearity which enlarges to the signal very is also good. The temperature gathering electric circuit uses the widespread use digital temperature gathering chip DS18B20 presents to the accumulator cell the ambient temperature to carry on gathering. The alarm circuit u

8、ses the buzzer, the parameter ultra time limit it may report to the police. Display circuits used digital tube display, and with a professional driver to drive the digital pipe.Keywords: battery, single chip microcomputer, monitoring摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題背景11.2課題意義22 蓄電池32.1 蓄電池介紹32.2 蓄電池分類42.3 蓄電

9、池發展現狀52.4 閥控蓄電池失效原理62.4.1蓄電池設計結構上的因素62.4.2蓄電池工藝質量的因素72.4.3使用環境因素72.5 蓄電池監測方法和研究現狀82.5.1 V/F轉換提取電壓法92.5.2電阻分壓法102.5.3 浮動地技術測量電池端電壓112.5.4 線性電路直接采樣法112.5.5 開關矩陣法123 硬件設計143.1 系統組成143.2 單片機143.3 復位電路與時鐘電路173.4 電壓采集電路183.5 溫度測量電路203.6 報警電路233.7 顯示電路243.8 電源部分電路254 軟件設計274.1 系統總體功能274.2 主程序284.3 電壓程序284.

10、4 溫度程序304.5 顯示程序314.6 A/D轉換程序344.7 定時程序345 設計小結36致 謝37參考文獻38附 錄39521 緒論鉛酸蓄電池作為一種化學電源，自從蓄電池問世以來，尤其是近年來隨著閥控式鉛酸蓄電池的出現，蓄電池以其價格低廉、易于浮充使用、電能效率高、電源獨立性好、可移動等優點被廣泛應用于汽車、船舶、變電站、發電廠、郵電通訊系統、鐵路客車等各個領域。在電力系統中，蓄電池一般作為應急電源電源使用，是電力系統中一個重要組成部分，因此蓄電池的好壞將直接關系到電力系統是否能夠安全、可靠運行。現在隨著國民經濟的迅速發展，電力系統和通信系統發揮著越來越重要的作用。而蓄電池作為系統中

11、重要的組成部分，它的好壞又直接影響到電力系統和通信系統是否能安全、可靠和高效運行，所以必須保證蓄電池的質量。為了提高蓄電池的使用壽命，保證其可靠運行，需要經常對蓄電池參數進行嚴格測量，以確保蓄電池組處于最佳的工作狀況。1.1 課題背景電力系統中有三大電氣設備，分別為一次設備(如發電機、主變壓器等)，二次設備(如監視、測量、保護等)和直流電源設備。直流保護操作電源是發電廠和變電站必備的設備之一，穩定、可靠、安全的保護操作電源是保證電網正常運行的關鍵。而這其中的核心是蓄電池組。它與充電整流設備，直流饋電網絡等設備構成電力系統中發電廠、變電站直流電源系統。蓄電池組是一個獨立于發電廠、變電所用交流電源

12、的直流電源。在正常狀態下它為斷路器提供合閘電源；在發生故障時，當發電廠、變電所用電中斷時，發揮其“獨立電源”的作用，為繼電保護及自動裝置、斷路器跳閘與合閘、拖動機械設備的直流電動機、通信、事故照明提供電源。一但蓄電池不能正常工作，那么繼電保護及自動裝置將不能工作，斷路器不能跳閘與合閘。可以想象，這將帶來多么大的損失。平時蓄電池組并聯在整流設備上，長期保持浮充備用狀態。負荷由交流供電，只有當交流失電時，蓄電池組才向負荷提供能量，所以蓄電池的容量應該經常處于飽滿的狀態。但由于免維護閥控蓄電池本身構造的特點，這種電池在長期浮充以后，常常會出現活性物質脫落、電解液干涸、極板變形、柵極腐蝕及硫化等現象，

13、加之由于使用維護不當等原因，電池早期失效現象經常發生。為防止事故發生，必須及早發現壞掉的電池。只有通過對電池參數的測量，才能判斷電池是否正常，才能及早發現和更換壞掉的電池，保證系統正常運行。1.2課題意義蓄電池作為穩定電源和主要的直流電源, 歷史悠久, 使用廣泛, 與我們的社會生活息息相關。作為后備電源, 蓄電池是確保設備正常運行的最后一道生命線, 如果聽任其長期處于狀態不明的情況下運行, 那么將存在嚴重隱患。隨著時間的推移, 電池使用年限的增加, 由電池引起的中斷事故將防不勝防。因此, 合理可靠地對電池進行管理和維護, 能夠保證電池有較長的使用壽命,從而達到保證設備擁有不間斷電源。在電源系統

14、的維護中, 蓄電池的維護管理占據非常重要的地位。怎樣才能延長蓄電池的使用壽命, 保證蓄電池有足夠的容量, 充分發揮蓄電池作為后備電源的作用, 確保通信、電力、應急等系統的正常運行。這對各個行業電源及后備電源維護有著非常重要的意義。在現今這個以工業為主的社會中，鉛酸蓄電池的應用越來越廣泛了，如今交通工具大都裝有蓄電池，諸如各式各樣的飛機、船用、火車和汽車等，還有通信、電力和金融行業的后備電源等等。這些場合都是要求蓄電池的運行絕對可靠，這樣就對蓄電池的檢測和維護提出了很高的要求。如果這些領域在蓄電池方面出現了故障，沒有及時發現和解除，那么造成的嚴重后果是無法估量的。因此蓄電池檢測儀表對蓄電池的正常

15、運行，提高蓄電池的使用壽命，減少應用領域事故發生，降低財產損失有著重要的意義，應用前景廣闊。本文主要針對的是電力系統中變電站的蓄電池，它一般是閥控密閉蓄電池。由于自身結構上的優勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水，所以也叫免維護蓄電池。它只是不需要經常補充蒸餾水而已，并不是真的不需要維護。實際這類電池容量的檢測比開口式鉛酸蓄電池更為復雜，開口式電池可以通過測量電解液的密度來判斷蓄電池的狀態，而這類電池首先從外觀上不能發現內部故障，也不能通過測量電解液的密度來判別電池的好壞。其次目前常規的測量方法是對蓄電池進行恒流長時間做放電試驗，直到達到終止電壓時停止放電，這種方法需要停

16、電進行，而且試驗方法復雜，另外由于試驗間隔期一般較長，對于電池組容量意外降低的情況難以及時發現。并且蓄電池組發生故障后，如果進行人工維護，蓄電池數量較多，情況各異，維護工作量大，且不易發現故障電池，將直接影響故障處理的準確和及時。因此，平時對蓄電池組運行自動檢測、故障診斷及其早期發現就顯得十分必要,這樣不但能盡快發現失效電池，以免影響整組電池的運行，而且能減少電池失效的概率，使電池始終運行在最佳狀態，這正是監測系統的作用。2 蓄電池2.1 蓄電池介紹蓄電池是一種化學電源，即是一種把氧化還原反應所釋放出來的能量直接轉變成低壓直流電能的裝置。它既可以儲存能量，又可以釋放能量，并且轉換效率高，對環境

17、的適應性很強。雖然它的構造是各種各樣的，但構成電池的主要部件都是正負極板、電解液、隔板和電池槽等。其中正負極板上的活性物質和電解液發生化學反應，對電池產生電流起著主導作用。它 的 正 極 活 性 物 質 是 二 氧化鉛(PbO2) , 負極活性物質是海綿狀金屬鉛 ( Pb) , 電解液是稀硫酸 (H2 SO4 ) ,4它們之間通過可逆的化學反應來產生電子的移動，即產生電流，達到了能量的相互轉化。一般的蓄電池鉛酸蓄電池是由正負極板、隔板、殼體、電解液和接線樁頭等組成，其放電的化學反應是依靠正極板活性物質(二氧化鉛和鉛)和負極板活性物質 (海綿狀純鉛)在電解液(稀硫酸溶液)的作用下進行，其中極板的

18、柵架，傳統蓄電池用鉛銻合金制造，免維護蓄電池是用鉛鈣合金制造，前者用銻，后者用鈣，這是兩者的根本區別點。不同的材料就會產生不同的現象：傳統蓄電池在使用過程中會發生減液現象，這是因為柵架上的銻會污染負極板上的海綿狀純鉛，減弱了完全充電后蓄電池內的反電動勢，造成水的過度分解，大量氧氣和氫氣分別從正負極板上逸出，使電解液減少。用鈣代替銻，就可以改變完全充電后的蓄電池的反電動勢，減少過充電流，液體氣化速度減低，從而減低了電解液的損失。由于免維護蓄電池采用鉛鈣合金柵架，充電時產生的水分解量少，水份蒸發量低，加上外殼采用密封結構，釋放出來的硫酸氣體也很少，所以它與傳統蓄電池相比，具有不需添加任何液體，對接

19、線樁頭、電線腐蝕少，抗過充電能力強，起動電流大，電量儲存時間長等優點。免維護蓄電池因其在正常充電電壓下，電解液僅產生少量的氣體，極板有很強的抗過充電能力，而且具有內阻小、低溫起動性能好、比常規蓄電池使用壽命長等特點，因而在整個使用期間不需添加蒸餾水，在充電系正常情況下，不需從拆下進行補充充電。但在保養時應對其電解液的比重進行檢查。大多數免維護蓄電池在蓋上設有一個孔形液體(溫度補償型)比重計，它會根據電解液比重的變化而改變顏色。可以指示蓄電池的存放電狀態和電解液液位的高度。當比重計的指示眼呈綠色時，表明充電已足，蓄電池正常；當指示眼綠點很少或為黑色，表明蓄電池需要充電；當指示眼顯示淡黃色，表明蓄

20、電池內部有故障，需要修理或進行更換。免維護蓄電池也可以進行補充充電，充電方式與普通蓄電池的充電方法基本一樣。充電時每單格電壓應限制在23-24V間。注意使用常規充電方法充電會消耗較多的水，充電時充電電流應稍小些(5A以下)。不能進行快速充電，否則，蓄電池可能會發生爆炸，導致傷人。當免維護蓄電池的比重計，顯示為淡黃色或紅色時，說明該蓄電池已接近報廢，即使再充電，使用壽命也不長。此時的充電只能做為救急的權宜之計。2.2 蓄電池分類蓄電池種類很多，有鉛酸蓄電池、鉛酸膠體蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋅空氣電池和燃料電池等目前常用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池分別為普通蓄電池、干電荷蓄電池和免維護蓄電池。鉛

21、酸蓄電池一般是由正負極板、隔板、殼體、電解液和接線樁頭等組成。鎳鎘電池是前幾年使用最為普遍的充電電池。它的優點主要是價格便宜，缺點是其自放電率較高，存在記憶效應，且會對環境產生污染，因此也將逐漸地退出市場。通常可以充放電1000次左右。 近兩年來，重量更輕容量更大的鎳氫電池得到了更為普遍的使用。在手機、數碼相機、數碼攝像機等便攜式設備中都能見到鎳氫電池的身影。鎳氫電池的容量比鎳鎘電池高1.52倍，且具有不污染環境、價格便宜、性能好等優點。鎳氫電池的自放電率大概為20左右。同其他充電電池相比較，鋰電池具有最高的能量/重量、能量/體積比、無記憶效應等優點。但是鋰電池成本高而且充電器要求也是最高的。

22、如果對鋰電池充電不當的話，很容易損壞電池，甚至產生電池爆炸。 最具代表的蓄電池是鉛酸蓄電池，它是許多船用的動力源或應急電源，也是火車指揮調度、郵電通信、銀行運營等必不可少的應急電源。因此它的性能將直接關系到系統的可靠運行，火車調度、郵電通信、銀行運營等。我們平時見到的大的蓄電池多為鉛蓄電池。目前，我們常用的蓄電池主要分為三類 , 分別為普通蓄電池、干荷蓄電池和免維護蓄電池三種。普通蓄電池:普通蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構成，電解液是硫酸的水溶液。它的主要優點是電壓穩定、價格便宜；缺點是比能低 ( 即每公斤蓄電池存儲的電能 ) 、使用壽命短和日常維護頻繁。 干荷蓄電池：它的全稱是干式荷電鉛酸

23、蓄電池，它的主要特點是負極板有較高的儲電能力，在完全干燥狀態下，能在兩年內保存所得到的電量，使用時，只需加入電解液，等過 20 30 分鐘就可使用。 免維護蓄電池：免維護蓄電池由于自身結構上的優勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。市場上的免維護蓄電池也有兩種：第一種在購買時一次性加電解液以后使用中不需要維護( 添加補充液 ) ；另一種是電池本身出廠時就已經加好電解液并封死，用戶根本就不能加補充液。 2.3 蓄電池發展現狀鉛酸蓄電池是目前世界上廣泛使用的一種化學電源，具有電壓平穩、安全可靠、價格

24、低廉、適用范圍廣、原材料豐富等優點，中國鉛酸蓄電池行業經過50年的建設與發展，已基本形成了大中小企業相結合、具有一定規模的鉛酸蓄電池制造體系。“八五”計劃期間，鉛酸蓄電池行業發展穩定，產品檔次和水平有了明顯提高，產量有了進一步發展。進入“九五”計劃時期之后，隨著我國改革開放進一步向縱深發展，各行業結構作了適當的調整，能源、交通和通訊等支柱產業飛速發展，給鉛酸蓄電池行業帶來了巨大的發展機遇。中國鉛酸蓄電池的需求以每年1540的速度增長。高能電池、廉價的燃料電池以及微電池的發展將會使愈來愈多的電子產品“動”起來。電池的種類將會更多、應用范圍更廣，價格更低廉且更加“清潔”。和太陽能聯系在一起的電池以

25、及以大氣為活性物質的燃料電池將會在現代經濟中飛速發展。電池技術將是新世紀的第二大關鍵技術，有著非常廣闊的前景。鉛酸電池在重量比能量、體積比能量等方面比鋰離子電池低得多，幾乎是鎳基電池的二分之一；在循環壽命、再生率、自放電和安全性方面 鉛酸電池比鎳基電池和鋰電池好，作為應用范圍最廣、用量最大的化學電源，鉛酸蓄電池行業的機遇與挑戰并存，隨著能源、交通、通信等基礎產業的迅速崛起鉛酸蓄電池的市場前景非常廣闊，特別是適應環保與免維護需求的閾控式密封鉛酸蓄電池已經被人們接受，并且在很多領域已逐漸取代傳統的開口式鉛酸蓄電池 但也應該看到，目前鉛酸蓄電池行業整體技術水平、管理水平、人員素質、產品質量等參差不齊

26、，急需進一步完善和提高，技術上應不斷創新，使產品本身增強與其他化學電源品種的競爭力。隨著中國加入WTO，將會有很多的國外一流企業加入市場競爭，對中國鉛酸蓄電池企業構成很大的威脅。因此，中國的鉛酸蓄電池企業應盡快完善、更新和發展產品技術，提高產品的檔次和質量并且降低或本，使產品更具有競爭力，并要不斷控制和限制創建低水平的蓄電池廠家，生產高質量的免維護汽車蓄電池、大中小閥控式密封鉛酸蓄電池和作為動力源的牽引用蓄電池，增強與世界著名品牌蓄電池廠家的抗衡能力，使蓄電池行業走上健康良好發展軌道。2.4 閥控蓄電池失效原理閥控鉛酸蓄電池是一個復雜的電化學體系，蓄電池的性能和壽命取決于電極的材料、工藝、活性

27、物質的組成和結構、及蓄電池運行狀態和條件等。基本上可以分為三類。2.4.1蓄電池設計結構上的因素板柵腐蝕：在充電時，特別是在過充電時，正極板柵要遭到腐蝕，逐漸被氧化成二氧化鉛而失去板柵的作用，為補償其腐蝕量必須加粗加厚正極板柵。電池設計壽命是按正極板柵合金的腐蝕速率進行計算的，正極板柵被腐蝕的越多，電池的剩余容量就越少，電池壽命就越短。干涸失效：閥控式密封鉛酸蓄電池一旦處于“富液”狀態，會使隔板中氧氣的通道阻塞，氣體復合效率低，電池內壓力增大，一部分氧氣來不及復合就從電池內部溜出，導致失水。特別是在安全閥性能不良情況下，失水更加嚴重，經過一段時間后，電池會失水而干涸。枝狀結晶生成：閥控蓄電池由

28、于電解液不流動所以不易產生枝狀晶體。但當閥控蓄電池處于過放電狀態，或長期以放電狀態放置時，枝狀晶體穿透隔膜的現象仍會發生。在這種情況下，負極pH值增加，極板上生成可溶性鉛顆粒，促進板狀結晶生成穿透隔膜造成極間短路，使電池失效。這種失效電池的電壓為零。負極板硫酸鹽化：由于化合反應的發生，無論電池處于充電或放電狀態，負板總有硫酸鉛存在，使負極長期處于非完全充電狀態，形成不可逆硫酸鉛，使電池容量減少，導致電池失效。閥控蓄電池比防酸隔爆蓄電池更易出現負極的硫酸化。這是由于：實現氧循環而造成的負極板較低的電位；固定的電解液造成的電解質的分層。熱失控：熱失控是閥控蓄電池所特有的一種失效模式熱，它與閉合氧循

29、環的機理有關。水分解為氫氣和氧氣的過程會產生熱量，每18克水分解產生2106千焦的熱量。常規蓄電池在充電時，除了活性物質的再生外，還有電解質中的水電解生成氫氣和氧氣。氣體從電池內析出的過程中帶走了水電解所產生的熱量。閥控蓄電池在充電時內部產生的氧氣流向負極，氧氣在負極板使活性物質海棉狀鉛氧化，并有效地補充了電解而失去的水。這樣，雖然消除了爆炸性混合氣體排出的問題，但這種密封結構使得熱擴散減少了一種重要途徑，散熱只能通過電池殼壁的熱傳導進行。當閥控蓄電池工作在浮充或完全再化合模式的過充狀態時，沒有純化學反應，幾乎所有過充的能量都轉化成熱能。如果系統周圍環境能將產生的熱散發并達到平衡，那么就沒有熱

30、失控問題。當再化合反應熱量升高率超過了散熱率，電池的溫度就會升高并且需要更大的電流來維持浮充電壓。而額外的電流又引起更多的化合反應和熱量產生，從而進一上使電流溫度升高，并如此往復。這種純效應加速電池干涸和內部壓力的升高，嚴重時會造成電池熔化或爆炸起火。熱失控的潛在問題會由于環境溫度的升高、單體或充電系統的故障而進一步惡化。因此電池安裝時良好的通風和合適的環境溫度很重要。為降低發生熱失控的風險，充電裝置的浮充電壓應根據蓄電池的環境溫度進行溫度補償。2.4.2蓄電池工藝質量的因素在實際情況中，由于電池生產工藝質量的問題，如原材料成分不穩定，極板涂膏量不一致，極耳腐蝕斷裂，殼體和殼蓋間滲透漏液，閥蓋

31、開閉不靈等，都造成蓄電池性能離散性大，也是蓄電池早期失效的主要因素。2.4.3使用環境因素有些用戶認為閥控蓄電池是免維護電池，廠家也有類似的誤導宣傳。閥控蓄電池特有的氧復合機理和閥控密封的結構，雖然在一定程度上減少了它的維護工作量，但使得其比防酸隔爆蓄電池在可靠性和魯棒性上有所下降，更容易受環境的變化、使用條件等因素的影響。過充、過放、滲液、環境溫度過高、浮充電壓過高等因素對閥控蓄電池的健康影響更大。環境溫度：環境溫度過高對閥控蓄電池使用壽命的影響很大。溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時將消耗更多的水，從而使電池壽命縮短。閥控蓄電在使用中對溫度有一定要求。典型的閥控蓄電池高于25時，每升

32、高69，電池壽命縮短一半。因此，其浮充電壓應根據溫度進行補償，一般為24 mV，而現有很多充電機沒有此功能。為達到閥控蓄電池的最佳使用壽命，應盡可能創造恒溫下的使用環境，同時保持蓄電池良好的通風和散熱條件。具體來說，安放蓄電池的房間應有空調設備。蓄電池擺放要留有適當的間距，改善電池與環境媒介的熱交換。電池間保持不小于15mm的間隙，電池與上層隔板間有不小于150mm的間距的“通風道”來降低溫升。過度充電：提升浮充電壓，或環境溫度升高，使充入電流陡升，氣體再化合效率隨充電電流增大而變小，在005C時復合率為90，當電流在01C時，氣體再化合效率近似為零。由于過充電將使產生的氣體不可能完全被再化合

33、，從而引起電池內部壓力增加，當到達一定壓力時，安全閥打開，氫氣和氧氣逸出，同時帶出酸霧，消耗了有限的電解液，導致電池容量下降或早期失效。其次，在長期過充電狀態下，H+增加，從而導致正極附近酸度增加，板柵腐蝕加速，使板柵變薄，加速電池的腐蝕，使電池容量降低，從而影響蓄電池的壽命。為避免產生多余的氣體，閥控蓄電池對充電機穩壓、限流精度提出了較高的要求。過度放電或小電流放電：蓄電池過度放電主要發生在交流電源停電后，蓄電池長時間為負載供電。當蓄電池被過度放電時，會在電池的陰極造成“硫酸鹽化”。因硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對蓄電池的充、放電性能產生很大的負面影響。在陰極上形成的硫酸鹽越多，蓄電池的

34、內阻越大，電池的充、放電性能就越差，蓄電池的使用壽命就越短。小電流放電條件下形成的硫酸鉛，要氧化還原是十分困難的，若硫酸鉛晶體長期得不到清理，必然會影響蓄電池的容量和使用壽命。由第4節可知，過度放電或小電流放電對閥控蓄電池的影響比對常規蓄電池的影響更大。因此在直流系統交流電源失去后，要嚴密監視蓄電池的電壓和電流，防止閥控蓄電池過度放電。為避免小電流放電，閥控蓄電池不應長期退出系統運行。2.5 蓄電池監測方法和研究現狀我國電力行業起步比較晚，閥控鉛酸蓄電池上世紀70年代才問世，經過了迅猛的發展，但其監測技術還不是很完善。目前的測量方法有電壓測量、電流測量、臨界電壓內阻測量等。電壓測量是對于損壞的

35、的電池，其充電時通常表現為電壓過高或過低。電流測量是監測電池組的充放電電流，根據充放電電流的大小可以準確判斷故障。臨界電壓內阻測量是通過瞬時小電流放電（小于5s）配以先進算法，并采用科學的開爾文四線制接線方法，有效的消除了連接線對測試數據的影響，在不影響直流系統正常運行情況下保證了測試的準確性和安全性。華塑科技公司生產的H3G在線監測系統在行業內處于領先水平，它包括五個單元：監測單元能顯示所有監測內容；控制單元用于站端控制套系統工作，包括數據通訊、控制、智能管理分析功 能實現，同時完成與遠端計算機交互。控制單元具有人機交換鍵盤、液晶顯 示、重要與一般報警指示、數據存儲和通信功能；電壓數據采集單

36、元用于電池單體電壓數據采集，每個單元可以同時采集40節 電池電壓；內阻單元用于測試電池單體內阻數據，每個單元測試1組蓄電池組；容量單元用于對蓄電池組進行自動核對性放電，兩組蓄電池組可以共用一個容量單元。H3G蓄電池在線監測系統采集并自動記錄數據,數據包括有：   電池組總電壓 單體電池內阻 單體電池電壓 蓄電池連接條電阻（選配） 浮充電流（選配） 單體電壓精度：±0.1% 單體內阻精度：±1% 電流精度：±1% 溫度：±0.5 工作溫度：050 相對濕度：5%95% 測量范圍016V 測量范圍100100000 測量范圍01

37、00A（可選） 測量范圍-40+70蓄電池運行狀態的監測主要是通過檢測蓄電池的電壓、電流、溫度等同蓄電池性能密切相關的參數，其中對溫度和電流的測量相對來說比較容易實現，對單個電池的電壓檢測也比較簡單，但是要實現對串聯在一起的蓄電池組中單體電池電壓的準確測量一直是一個難于解決的問題。而電壓檢測是最直接檢測也是最常用的一個參數，也是目前許多電池監控系統普遍采用的檢測方法，在解決如何測量蓄電池組中的單體電池電壓的問題上，主要方法有：2.5.1 V/F轉換提取電壓法V/F轉換法的原理圖如圖2-1所示，其工作原理如下：信號采集采用V/F轉換方法，單節蓄電池采用分別采樣，取單節蓄電池的端電壓經分壓（降低功

38、耗）后作為V/F轉換的輸入，分壓電阻的分散性可通過V/F轉換電路調整V/F轉換信號輸出通過光電隔離器件送到模擬開關，處理器通過控制模擬開關采集頻率信號。數據采集電路與數據處理電路采用光電隔離和變壓器隔離技術，實現兩者之間電氣上的隔離。但采用V/F轉換作為A/D轉換器的缺點是響應速度慢，在小信號范圍內線性度差，精度低，而且測量的數據不是很準確。圖2-1 V/F轉換法的原理圖2.5.2電阻分壓法電阻分壓法主要是通過電阻分壓將實際電壓衰減到測量芯片可接受的電壓范圍，然后進行模數轉換。U1對應BT1 的電壓，Un-1 對應從BT1 到BTn-1 之間的電壓，Un 對應整個電池組的電壓，如圖2-2 所示

39、。這種方法測量方面，成本低，壽命長，但是存在累積誤差，且無法消除。隨著單體電池數的增多，單體電池電壓測量誤差會隨著共模電壓的增大而增大。圖2-2 電阻分壓法原理圖2.5.3 浮動地技術測量電池端電壓由于串聯在一起的電池組總電壓達幾十伏，甚至上百伏，遠遠高于模擬開關的正常工作電壓，因此需要使地電位隨測量不同電池電壓時自動浮動來保證測量正常進行，其原理圖如圖2-3所示。每次工作時，先由模擬開關選通，使其被測電池兩端的電位信號接入測試電路，此信號一方面進入差分放大器；另一方面進入窗口比較器，在窗口比較器中與固定電位Vr相比較， 從窗口比較器輸出的開關量狀態可識別出當前測量地（GND）的電位是太高，太

40、低或者正好（相對于Vr）。如果正好，則可以啟動A/D進行測量。如果太高或太低，則通過控制器對地（GND）電位行浮動控制。由于地電位經常受現場干擾發生變化，而該方法不能對地電位進行實時精確控制，因而影響整個系統的測量精度。圖2-3 浮動地測電壓原理圖2.5.4 線性電路直接采樣法線性電路直接采樣法是為每個蓄電池配置一塊采集板，貼近蓄電池安裝，就近完成信號的采集和轉換，將轉換后的數字信號傳輸給單片機系統進行處理和傳輸。該方法的原理框圖如圖2-4所示。該方法采用線性運算放大器組成線性采樣電路、后經電壓跟隨器送入A/D轉換器、轉換后的數字信號傳輸給單片機系統、無須外加采樣保持電路，根據串聯電池組總電壓

41、的大小、選擇適當的放大倍數、無須電阻分壓網絡或改變地電位、就可以直接測量任意一只電池的電壓。圖2-4 線性電路直接采樣法原理圖2.5.5 開關矩陣法由于差分放大器可以克服共模信號的干擾，而只對差分信號進行處理。利用開關矩陣把每個單體電池的兩端引出，即可進行端電壓的測量而不受到其它電池的影響。該方案整體結構如圖2-5所示，當SB1和SB2閉合時，其它開關都關斷，電池BT1的兩端電位分別接入差分放大器的正端和負端，經過差分放大器放大后送入模數轉換器進行模數轉換；當SB2和SB3閉合而其它開關都關斷時，電池BT2的兩端電位進行差分放大器的正端和負端，依次類推可以測量所有電池組中的單體電池電壓。圖2-

42、5 開關矩陣法原理圖3 硬件設計3.1 系統組成本系統為蓄電池監測系統，要能夠實時在線監測蓄電池的端電壓，環境溫度等參數，當參數不在正常范圍內時能夠報警。蓄電池監測系統由以下幾大部分組成：電壓測量部分、溫度測量部分、單片機、報警部分、顯示部分。其中電壓測量部分用來測量蓄電池的端電壓，溫度測量部分用來測量環境溫度，單片機作為整個系統的控制單元，報警部分是當參數超限時報警，顯示部分用來顯示所測參數。具體的系統框圖圖3-1。圖3-1 系統框圖3.2 單片機本系統中使用的單片機為MCS-96系列中的80C196，它是Intel公司生產的一種16位單片機，適用于高速的控制系統中。它在硬件及指令系統的設計

43、上較8位機有很多不同之處。如外部數據總線寬度可控、CPU采用寄存器-寄存器結構、片內有A/D轉換器、能在運行時對EPROM編程等等。MCS-96的主要性能特點是：16位的CPU，沒有累加器，采用寄存器-寄存器結構。5個8位的輸入/輸出端口。有高速的I/O系統。全雙工的串行口。4/8通道的10位A/D轉換器。可供用戶使用的8個中斷源。脈寬調制輸出裝置。專門的波特率發生器。16位的監視定時器。4個16位的軟件定時器。2個16位定時器/計數器。6.25us的16位乘16位和32位除16位指令。部分3操作數指令。運行時可對EPROM編程。ROM/EPROM的內容可加密。232字節的寄存器陣列。圖3-2

44、 80C196引腳圖80C196引腳如圖3-2，引腳功能如下： CLKOUT內部時鐘發生器的輸出，時鐘頻率為晶振頻率的1/3，占空比為33%。BUSWIDTH輸入信號，用以選擇外部數據總線的寬度（8位/16位）。當芯片組態寄存器CCR.1=1時，此信號用來在運行中選擇總線的位數。若BUSWIDTH=1時，總線為16位，BUSWIDTH=0時，總線為8位。當CCR.1=0時，總線保持8位。對于8X9X-90系列的產品，沒有總線控制功能，此引腳常接至Vcc。制造廠用此引腳作測試用。NMI非屏蔽中斷信號輸入，當此引腳有一個正跳變時，監視定時器復位，同時形成對外部程序存儲器0000H單元的一個中斷矢量

45、。INST當對外部存儲器進行讀操作時，此引腳輸出為高，表示是取指周期。ALE/ADV地址鎖存允許或地址有效輸出信號，只有在訪問外部程序存儲器時，此引腳的信號才有效。這兩種信號都是用來鎖存地址/數據總線上的地址信號的，通過CCR寄存器選擇引腳功能。RD對外部存儲器進行讀操作時，此引腳輸出為低。WR/WRL對外部存儲器進行寫操作時，輸出低電平信號。BUS是8位時，每次寫操作，此引腳輸出為低；若BUS是16位，寫偶數地址的存儲單元時，此引腳輸出為低。BHE/WRH由CCR選擇此引腳作為總線高允許信號或寫高位字節信號。READY加長存儲器周期的輸出控制信號。若在CLKOUT下跳前此引腳未升高，存儲控制

46、器進入等待方式，直到READY出現高電平。總線的等待周期最長可達到1us。HSI高速輸入單元，其中HIS.2和HIS.3與高速輸出單元的HSO.4和HSO.5共用。HSO高速輸出單元。P08位高阻抗輸入口，作8位數字量輸入口線或片內A/D轉換器的8個模擬量輸入信號。P18位準雙向I/O口。P28位多功能口，其中6根分別與RXD、TXD、EXTINT、T2CLK、T2RST、PWM功能線合用。P2.6和P2.7為準雙向口線。P3、P4漏極開路的8位雙向I/O口線，這16根口線用作地址/數據分時復用的總線。它有較強的內部上拉。EA外部存儲器選擇信號。EA=1，訪問片內ROM的2000H到3FFFH

47、單元。EA=0，訪問片外同地址存儲單元。XTAL1內部振蕩器反相器和內部時鐘發生器的輸入。XTAL2內部振蕩器反相器的輸出。RESET復位。VCC主電源（+5V）。VSS數字地（0V）。VREFA/D轉換器的參考電源。VPPEPROM的編程電源。ANGNDA/D轉換器的參考地。通常與VSS同電平。因為80C196單片機內部沒有程序存儲器，所以必須連接外部程序存儲器2764（8KB），用P3、P4作為總線。P3既作數據總線又作地址總線（低位地址），P4只作地址總線（高位地址）。因此，在讀取程序時，必須把P3的地址進行地址鎖存，具體電路如圖3-3。設計中采用的是2764，它共需要13根地址總線。而

48、另一方面，80C196程序訪問的首地址是2080H，這樣在讀程序存儲器時，P4.5一定得是高電平，因此要對P4.5作懸空處理，才能正確訪問到EPROM2764的程序指令。P4.6作為EPROM2764的片選信號。 圖3-3 程序存儲器擴充電路3.3 復位電路與時鐘電路單片機的復位電路采用上電及手動復位電路，如圖3-4，當按下復位鍵時，復位端為低電平，之后就可復位。時鐘電路如圖3-5，兩個電容都為30pF，XTAL1和XTAL2兩端接晶體諧振器，與內部反相器構成穩定的自激振蕩器。圖3-4 復位電路圖3-5 時鐘電路3.4 電壓采集電路為了對蓄電池組的單節電池電壓特別是高壓部分的單節電池電壓實施實

49、時在線檢測，得到準確的電壓信息送單片機進行分析判斷，我們采用線性光耦合放大電路。線性光耦合器件TIL300的輸入輸出之間能隔離3500V的峰值電壓，可以有效地將測量通道與計算機系統隔離開來，使計算機系統避免測量通道部分較高電壓的危害，對信號放大的線性度也很好。多路輸入和信號調理電路如圖3-6所示。圖中TIL300是光線光耦合器件，適合交流與直流信號的隔離放大。圖3-6 信號調理電路 U1B構成一個負反饋放大器，對信號進行放大，U3B是一個射極跟隨器，對信號進行保持。±12V也是個獨立電源，用于U3B和TIL300的輸出部分。這兩個電源的隔離對電路的高壓隔離性能有很大影響，應

50、選用電源變壓器中兩組彼此有良好絕緣的線圈來制作。串接的50電阻是測量回路中的限流電阻、防止意外短路或絕緣不良產生過大電流燒毀器件或毀壞蓄電池。由于U1B運算放大器的輸入阻抗很高，50限流電阻對測量精度無影響。這些限流電阻應選擇功率值大于1W的金屬膜電阻。調節電位器R4可以適應不同端電壓的蓄電池。 電路中具體哪一個通道選通，由八路模擬開關CD4051決定。CD4051相當于一個單刀八擲開關，開關接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來決定。EN是禁止端，當 EN=1時，各通道均不接通。此外，CD4051還設有另外一個電源端VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 CM

51、OS電路所提供的數字信號能直接控制這種多路開關，并使這種多路開關可傳輸峰峰值達15V的交流信號。例如，若模擬開關的供電電源VDD=5V，VSS=0V，當VEE=5V時，只要對此模擬開關施加05V的數字控制信號，就可控制幅度范圍為5V5V的模擬信號。 . 使用十六進制代碼就可以對CD4051進行操作了。比如說P1=0X07，這樣CD4051就選擇的是7號（二進制111）通道了。圖3-7 CD4051引腳CD4051引腳如圖3-7，功能如下：A、B 、C：地址端X0X7：輸入端EN：禁止端X：公共輸出端VCC：正電源VEE：模擬信號地GND：地具體電壓測量電路圖3-8，電壓信號通過負反饋放大器的放

52、大和射極跟隨器的信號保持之后接八路選擇開關CD4051，CD4051的輸出先經過一個電壓跟隨器和RC網絡和P3.0相連，因為單片機內部就有A/D轉換器，如圖3-9。3.5 溫度測量電路由于溫度對蓄電池的性能有比較大的影響，因此對溫度參數的測量采集比較重要，本系統選用已經被廣泛使用的1-wire數字溫度采集芯片DS18B20對蓄電池所在場所的環境溫度進行采集。DS18B20數字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝圖3-8

53、電壓測量電路圖3-9 CD4051與單片機連接形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。圖3-10 DS18B20引腳DS18B20引腳如圖3-10，引腳功能如下：GND：地DQ：數字信號輸出VDD：電源DS18B20的主要特性：適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電 獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊 DS18B20支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，實現組網多點測溫 DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉換電路集成在形如一只三

54、極管的集成電路內 溫范圍55+125，在-10+85時精度為±0.5 可編程 的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現高精度測溫 在9位分辨率時最多在 93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快 測量結果直接輸出數字溫度信號，以"一 線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 電源極性接反時，芯片不會因發熱而燒毀， 但不能正常工作。溫度測量電路如圖3-11，數據輸出必須加上拉電阻。GNDDQVDDDS18B20GNDVDD4.7K

55、VCCP3.1圖3-11 溫度測量電路3.6 報警電路當單片機對檢測的數據進行分析處理后，如此時有關參數超過了設定的正常蓄電池狀態參數的極限值，單片機會發出聲光報警指令，啟動蜂鳴器報警。具體電路如圖3-12，利用三極管的放大作用驅動蜂鳴器。圖3-12 報警電路3.7 顯示電路顯示電路采用數碼管，因為I/O口不能直接驅動數碼管，所以選用驅動芯片HD7279來驅動數碼管。HD7279是一片具串行接口的，可同時驅動8位共陰式數碼管的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可以連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示，鍵盤接口的全部功能。圖3-13 HD7279引腳HD7279引腳如圖3-13，引腳動能

56、如下：VDD：正電源NC：無連接，必須懸空VSS：接地CLK：同步時鐘輸入端，向芯片發送數據及讀取鍵盤數據時，此引腳電平上升沿表示數據有效。CS：片選輸入端，此引腳為低電平時，可向芯片發送指令及讀取鍵盤數據DATA：串行數據輸入/輸出端，當芯片接收指令時，此引腳為輸入端；當讀取鍵盤數據時，此引腳在“讀”指令最后一個時鐘的下降沿變為輸出端。KEY：按鍵有效輸出端，平時位高電平，當檢測到有效按鍵時，此引腳變為低電平。SGSA：段g段a驅動輸出DP：小數點驅動輸出DIG0DIG7：數字0數字7驅動輸出CLKO：振蕩輸出端RC ：RC振蕩器連接端RESET：復位端HD7279主要特性 ： 串行接口，無需外圍元件可直接驅動LED各位獨立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性（循環）左移/（循環）右移指令具有段尋址指令，方便控制獨立LED64鍵鍵盤控制器，內含去抖動電路具體顯示電路如圖3-14，SGSA 段g段a驅動輸出，DIG0DIG7 數字0數字7驅動輸出。3.8 電源部分電路為滿足芯片的電源需求，畫出了+12V、-12V、+5V、-5V電源的電路圖。具體電路如圖3-15。三相電源經過變壓器降壓，再經過整流、濾波等工序，就可以得到需要的直流電源。圖3-14 顯示電路圖3-15 電源電路4 軟件設計對于軟件編程采用匯編語言。匯編語言(Assembl