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船舶用蓄電池的檢測與研制 |
| 船舶用鉛酸蓄電池組是許多船用動力源或應急電源，因此電池組的性能直接關系到系統(tǒng)的可靠運行。為了提高蓄電池的使用壽命，保證可靠運行，需要經常對蓄電池進行檢測和周期治療。早期，對船用蓄電池的檢測都是采用萬用表測量蓄電池端電壓的方法，測量精度不高，測量速度慢。近年來，國內多家機構開始研制蓄電池的自動化監(jiān)測設備，主要應用于陸地電信通信、電力供應、微波站等領域。 通過大量的調查研究發(fā)現，我國的電池檢測設備大多是前幾年研制開發(fā)的產品，目前對船用蓄電池的智能檢測還是停留在研究方面，而且多采用8位單片機，系統(tǒng)集成度不高。針對蓄電池檢測系統(tǒng)的現狀及發(fā)展趨勢，筆者采用凌陽SPCE061A16位單片機作為數據處理核心，設計并調試了能夠同時檢測蓄電池的端電壓、電流和溫度的檢測儀。 1、蓄電池檢測的原理船用蓄電池組的動力蓄電池通常由多節(jié)單體電池串聯或者并聯構成，例如在6-Q-120電池組中，每個單體電池是8片正極板、9片負極板，共17片極板構成的，它的容量為120Ah.每個單體電池的電動勢是2V左右，6個單體電池串聯組成了電池組，電池組的電動勢是12V。在多個單體電池串聯組成的系統(tǒng)中，單個電池故障就會影響到整個系統(tǒng)，因此要對電池的充電和放電過程進行系統(tǒng)的檢測，在線實時檢測蓄電池沖放電的每個階段電池的電壓、電流、電池體的溫度等，及時找出損壞的和性能顯著降低的電池，可以提高整個電池系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。 蓄電池組的狀態(tài)檢測按照IR綜合分析法的理念對單體電池進行相應容量的放電測試，從而得出單體電池的電流、電壓、內阻、容量，各電量中如果有超過標準值的系統(tǒng)就進行報警。IR綜合分析法的原理是電池組在浮充狀態(tài)下，利用恒定負載對每節(jié)電池輪流短時放電，采集電流、電壓值，由程序計算放電電流、電池內阻、電池單體在線端電壓、電池保有容量和電池活性度，進行判斷電池優(yōu)劣的方法。 2、系統(tǒng)硬件設計由于船用電池檢測的特殊性，電池數量較多，因此要求檢測系統(tǒng)的體積相對比較小，結構比較簡單，方便安裝調試和維護。系統(tǒng)硬件主要包括：單片機主控電路、溫度采集電路、電壓采集電路、電流采集電路、多路模擬開關電路、鍵盤和LCD（LiquidCrystalDisplay）顯示電路等。 21單片機主控電路系統(tǒng)主控電路主要完成蓄電池電流、電壓和溫度數據的處理和顯示，以及自動報警等功能�？刂破餍酒捎昧桕柟鹃_發(fā)的一款帶語音功能的16位單片機，它內嵌2K字SRAM，32K字閃存Flash，032049152MHz的CPU時鐘，兩個16位可編程定時器/計數器，32位通用可編程輸入/輸出段A口和B口，14個中斷源，具有觸鍵喚醒功能，還有7通道10位的A/D轉換器，A/D采集范圍為033V，精度為293mV，單通道聲音模/數轉換器和兩路10位D/A轉換輸出通道，可編程串行通信接口，內置看門狗監(jiān)視器和在線仿真電路ICE（InCircuitEmulator）接口。 22溫度采集電路溫度是蓄電池性能的一個重要參數，除了電化學反應的吸熱和放熱外，在充放電過程中，由于電池內阻的存在，電池內部產生的熱量也會引起電池的溫度發(fā)生變化。在同樣電流的條件下，電池內阻不同，電池內部產生的熱量不同，電池的溫度就不同。溫度的檢測采用美國AD公司生產的低電源電壓模擬集成溫度傳感器TMP36，該器件是一個三端的器件，能把采集到的溫度值直接轉換成電壓值，電壓與攝氏溫度成正比，測溫時不需要進行溫標轉換，功耗低，靜態(tài)工作電流僅為50A，非線性誤差為05，測溫范圍是-40125，最高可達150.為了保證輸出的電壓信號穩(wěn)定和減少傳輸過程中電壓的衰減，在電壓信號輸出端連接一個電壓跟隨器，然后經過濾波后送到單片機的IOA0口，經單片機處理后送LCD顯示。 23電壓采集電路電壓的采集采用電阻分壓的方法，這種方法可以極大地降低成本，也能夠得到較好的數據值。為了不影響電路中的電流，測量總電阻要很大，用兩個電阻將待測電壓分壓成03V供單片機采集，然后再經過計算得到實際的電壓值。對電路中電阻兩端電壓的采集，采用TL082組成的差動放大器測量兩端電壓的差值，放大倍數調整為1倍。當運放的反向端和同相端分別輸入信號V2和V1時，則輸出電壓為：VO=-（R10/R8）V1 （1 R10/R8）（R9/（R7 R9））V2。 （1）根據設計要求，取R7=R8=R9=R10，將差動放大器做成減法器的功能，輸出電壓Vo=V2-V1。 對于電阻的取值，船用蓄電池被測電壓范圍為014V，要將其轉換成為033V，取R7=R8=R9=R10=10M、R00=22M，則V1、V2之間的電阻值要約為667M，可以實現014V到033V間的轉換，而測量電阻可以達到2867M，對電路電流的影響可以忽略不記，V1、V2之間阻值的確定需要通過實驗取得。然后將采集到的這個電壓值經過濾波電路送到單片機的IOA3口。 24電流采集電路用康銅絲電阻采集電流，由于康銅絲的電阻值很小，因此可以保證檢測部分對整個電路的電壓影響可以忽略不記，而系統(tǒng)需要采集的就是電阻絲兩端的電壓值，由于該值非常小，所以要在電阻絲兩端接一個差動放大器，將采集到的電壓放大到033V，再經過濾波電路，送到A/D口供單片機采集。系統(tǒng)采用精度高、低噪聲、使用簡易的集成儀器放大器AD620，AD620由三個放大器共同組成，可以通過調整R2來調整放大的增益值。取R2=496，放大倍數為100倍，康銅絲電阻取值為5m，通過康銅絲的電壓經過放大后，就可以達到033V. 25鍵盤和LCD顯示電路鍵盤采用5按鍵控制，5個按鍵的功能分別設置為自動模式、手動模式、手動模式的向前、向后以及報警取消鍵。顯示部分選用12864LCD模塊，該模塊可以方便地顯示漢字和數值，非常直觀地顯示出被測蓄電池的溫度、電壓和電流。通過鍵盤輸入進行顯示切換。系統(tǒng)中使用的是并口通信的模式，用到的端口為DB0DB7數據口和5個控制口。由于使用了并行模式，可以把PSB接固定高電平，這樣只要使用單片機12個口來控制LCD就可以了。 26多路模擬開關電路此檢測儀可以一次檢測16個蓄電池，需采用模擬多通道選擇器來實現電池的切換，此功能采用雙選八通的芯片AD7507與雙選四通的芯片AD7502組合完成。 3系統(tǒng)軟件設計軟件部分的設計包括主程序、按鍵控制程序、LCD顯示程序、A/D轉換程序、數據處理程序和報警程序。系統(tǒng)上電初始化后，通過按鍵操作選擇檢測某一塊蓄電池，選中后采集相關信號并顯示，等待按鍵選擇下一塊檢測的對象，也可以選擇自動檢測模式，循環(huán)顯示檢測蓄電池的相關參數，系統(tǒng)流程如所示。 31按鍵控制程序系統(tǒng)設置了5個按鍵，當按動了自動模式時，LCD自動切換16個顯示界面，每個界面顯示一節(jié)電池的檢測參數，顯示間隔為2s.在手動模式時，顯示會自動停在當前的電池檢測數據中，這時候按向前鍵，會顯示上一節(jié)電池的數據，按向后鍵會顯示下一節(jié)電池的數據。對每節(jié)電池的檢測都設置了報警功能，當檢測到的數據低于設定值時就會產生報警，并且顯示停在當前電池狀態(tài)，當按了報警取消鍵后，報警就會取消并繼續(xù)顯示下一節(jié)電池狀態(tài)（前提是在自動模式）。 32LCD顯示程序為了達到實際應用的要求，LCD的顯示要具備比較好的人機交互界面，因此，在設計界面時充分利用12864LCD的顯示效果，分多個界面顯示，每個界面顯示4行8列漢字。每個界面的第1行顯示第n節(jié)電池，第2行顯示電壓值XXXV，第3行顯示電流值XXXA，第4行顯示溫度值XXX.然后通過按鍵查詢第n節(jié)電池電池內阻、電池保有容量和電池活性度。為了達到人性化的效果，系統(tǒng)啟動時，LCD上顯示電池智能檢測系統(tǒng)，然后通過相應的按鍵進入自動或手動模式。自動模式時，LCD循環(huán)顯示被檢測的16節(jié)電池的參數，顯示間隔為2s；手動模式則是通過按鍵切換到第n節(jié)電池參數的顯示界面。 33語音報警程序設計采用的SPCE061A單片機內部集成了語音模塊，可以實現語音報警功能。當被測電池的數據超出規(guī)定的范圍時，就啟動語音報警，提醒管理人員電池發(fā)生故障。語音功能的使用，是通過調用SCAM_A2000相關的API函數來實現的，SCAM_A2000相關的API函數功能如下：voidSCAM_A2000_Initial（intInit_Index）//初始化voidSCAM_A2000_ServiceLoop（void）//獲取語音數據填入譯碼隊列voidSCAM_A2000_Play（intSpeech_Index，intChanne，lintRamp_Set）//播放unsignedintSCAM_A2000_Status（void）//獲取模塊狀態(tài)CallF_FIQ_Service_SCAM_A2000//中斷服務函數4結果與分析采用本系統(tǒng)設計的檢測儀，在環(huán)境溫度為26的室內，對3個單個蓄電池進行放電測試，取其中一個蓄電池組的端電壓和溫度，總放電電流的測試結果如所示。由于溫度的采集精度在測量前已校正，這里直接給出檢測數據，萬用表和電流表精度均為02級，數據取5次測量的平均值。通過測量的實驗數據分析，電壓測量誤差不超過005V，電流測量誤差不超過002A，誤差主要是由分壓電阻產生。 5結論本系統(tǒng)設計的船用蓄電池組智能檢測儀表，較好地解決了目前手工測試無法解決的問題，由于一個檢測儀可以同時測量16個單體電池，且通過采用硬件處理和軟件濾波提高數據的采集精度，可以有效地改善船用蓄電池參數檢測的精度和速度，并實現了語音報警功能，如果結合開發(fā)的上位機監(jiān)控軟件，完全可以實現對船用蓄電池的實時監(jiān)測和自動測量。 |
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