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1、综综合合课课程程设设计计II 项项目目总总结结报报告告题题 目：蓄电池状态监测仪目：蓄电池状态监测仪院院 （系）（系） 机电工程学院机电工程学院 专专 业业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化学学 生生 学学 号号 班班 号号 指导教师指导教师 填报日期填报日期 2012 年年 3 月月 11 日日 哈尔滨工业大学机电工程学院制2012 年 3 月说 明一、总结报告应包括下列主要内容：1项目背景分析；2项目关键技术的解决；3具体研究内容与技术实现；11项目背景分析1.1 研究的目的和意义蓄电池是一种充电时吸收、储存电能, 放电时输出电能的直流电源, 长期以来因其具有性能稳定、工作可靠
2、的特点, 已被广泛应用于电力, 交通、通信等多个行业。在现代电力系统中, 蓄电池组在事故或电厂用电故障时, 为控制、信号、保护和自动装置等提供可靠的二次负荷电源, 其性能和质量对发电厂、变电站的安全可靠运行具有重要的影响。在现代交通运输中, 电动汽车的无(低)污染优点, 使其成为当代汽车发展的主要方向。蓄电池的荷电量与整个供电系统的可靠性密切相关，蓄电池剩余电量越高，系统可靠性越高，否则反之。对于一些重要的用电领域，例如信息处理中心，如果能在既不消耗蓄电池的能量，又不影响用电设备正常工作的条件下，实现蓄电池剩余电量的在线监测，将有重要的意义。近几年随着 IT 产业的迅速发展，电池的重要性越来越
3、突出，对剩余电量精确预测的需求越来越迫切。因此, 蓄电池的状态检测与监控一直是国内外研究的热点和难点问题, 其状态监测、管理和维护有着重要的实际意义。1.2 国内外研究现状近年来，国内外有很多公司在从事蓄电池监测方法的研究工作，生产出了很多蓄电池监测产品。从功能上来说，主要有：监测蓄电池的电压，监测蓄电池的内阻值，监测蓄电池的工作温度等。美国的 Alber 公司始建于 1972 年，公司的主营业务为蓄电池测试设备的设计和生产，并提供蓄电池的维护服务，世界第一台蓄电池检测设备就是由 Alber 公司生产的。代表产品 BDS256/MPM100 蓄电池智能监控系统是 Alber 公司利用内阻测试专
4、利技术的高级综合应用。这种系统的独特之处是能对蓄电池存在的任何问题提供早期的预报。通过测试蓄电池内阻的方法，系统能够自动检查到每个电池单体的状况，并可靠地预测出它们的性能。它主要由三部分组成：数据采集模块（DCM） 、控制器模块、负载模块（RTM） 。数据采集模块（DCM）负责实时扫描采集与蓄电池有关参数，如总电压、总电流、电池电压和温度等；定期测试并采集电池的内阻和连接电阻；控制器模块负责连续查询所有的 DCM，存储相关的数据、确定报警、控制内阻测试并负责与外部的计算机通讯。负载模块（RTM）负责这个模块中带有电源和控制电路，作为测试蓄电池内阻时的负载。此产品应用了较新的技术，能够对电池进行
5、在线监控，实时监测电池的状态。另一种代表产品 BCT-2000 电池组容量智能放电测试系统，该系统是集放电、检测和通讯一体化的蓄电池组容量测试系统。这套设计巧妙的系统采用线性连续可调自动控制电路，完全按照用户编程的方式在恒流、恒功率和自动关闭的模式下自动完成测试。此系统由 BCT2000 采集控制器、数据登录单元（手提 PC）和智能负载箱（CLU）组成。此系统测试电流较大，能够较精确的测量出电池的相关参数，测量结果重复性较好。瑞士 Lem 公司的电池监控系统由 Sentinel、电流传感器、S-BUSConverter、S-BOX、Cellview Net 组成。Sentinel 用于测量单块
6、蓄电池的电压、内阻及温度；电流传感器2用于检测电池组的状态；S-BUSConverter 用于协议转换；S-BOX 用于记录数据；Cellview Net 用于图形化显示各种数据，并生成报表。此监测系统的优点在于能够在线实时监测电池组中各电池的状态，而不需要离线测量，并且数据可以及时上传到电脑上，及时发现电池组的问题。台湾群菱生产的 BCSU-50C 蓄电池监测仪，可在线监测 1 组 50 节蓄电池组，能在电池放电和充电状态下测量电池电流及端电压变化，自动取得测试数据并及时发出警报。此系统可随时测量及记录总电压、总电流、各单体电池电压等状况，可通过 510 分钟短时间放电预估电池剩余容量并评估
7、电池优劣，具有蓄电池剩余容量分析的专利技术，利用此技术，可对电池剩余容量进行较准确的分析。杭州华塑科技有限责任公司生产的 H3G 蓄电池在线监测系统由监测单元、控制单元、采集单元、内阻单元和容量单元组成。监测单元负责显示所有监测信息；控制单元负责数据通讯、控制、智能管理分析及与计算机通信；电压数据采集单元用于电池单体电压数据采集，每个单元可以同时采集 40 节电池电压；内阻单元用于测试电池单体内阻数据，每个单元测试 1 组蓄电池组(每组电池节数 4200 节） ；容量单元用于对蓄电池组进行自动核对性放电。此系统可实时监测蓄电池组状态，确保了系统的可用性，并能对电池故障进行综合分析，定位故障电池
8、，预测电池维护及更换时间。陕西柯蓝电子有限公司生产的 CR-AMS 蓄电池在线监测系统主要由蓄电池在线监测模块、温湿度模块、CM 通讯单元、服务器和电源在线监测系统软件组成。蓄电池在线监测系统、温湿度模块、电源屏通过 RS485总线将数据上传给 CM 通讯单元，CM 通讯单元将数据处理并打成 TCP 包通过局域网上传给专用数据服务器，通过 Web 浏览方式即可查看蓄电池状态。此系统采用公司的专利直流内阻在线测试技术，使测量数据具有较高的准确性，测试过程无须将充电机与蓄电池组断开，不影响直流系统正常运行。2项目关键技术的解决2.1 实时电压的测量蓄电池电压为 12V，由于 PIC 的 A/D 转
9、换口的输入电压必须低于 Vref（5V） ，所以需要对端口电压进行分压，然后再采样，得到的 A/D 转换结果与分压系数相乘。这些系数在PIC 运算后与 A/D 转换结果相乘，得到输入端口的实际端电压。2.2 剩余电量的测量预测蓄电池剩余电量的常见方法有：密度法、开路电压法、放电法、内阻法。前三种方法测量精度较低且不适合密封蓄电池的在线测量，故较难实用。内阻法对被测蓄电池的影响很小，且蓄电池完全充电（充满）和完全放电（放完）时，其内阻相差 24 倍左右，因此，用内阻法预测蓄电池剩余电量有较高的精度，正逐步得到实际应用。电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性，通过测量电池内阻可较准确地预测其剩余电
10、量。具体实施的方法是：将蓄电池充电至 13.8V，浮充电流至 10mA。然后以 0.1C 放电率3对电池放电，记录放电过程中内阻与电量的大小。当蓄电池放电至 10.8V 可获得完整的放是曲线，即剩余电量与蓄电池内阻之间的关系。将些曲线存入 EPROM 中，在以后测试同型号同规格的蓄电池时，单片机将根据测到的电池内阻值，通过函数计算，得出其剩余电量值。图 1 为蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线。图 1 蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线为了获得电池内阻值，需要再检测电池的电流，用公式 1 计算出电阻 R。公式 1IUR 3具体研究内容与技术实现3.1 总体设计PIC18 单片机算术运算功能强，软件编程
11、灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比 ARM 低。考虑到性价比问题，本设计选择用 PIC18F452 单片机做控制器。为了检测电池电压和电量，使用了电阻分压、电流传感器和低通滤波电路连接到单片机的AD 端口；拨码式开关控制单片机工作情况；单片机通过 I/O 端口控制数码管、语音喇叭、指示灯的工作情况。其系统组成框图见图 2。电 池拨码式 开关电阻 分压电流 传感 器低通 滤波 器低通 滤波 器AD 转换 器I/OLED 数码 管功率 驱动 电路LED 指示 灯语音 喇叭PIC18F452图 2 系统组成框图3.2 硬件设计根据系统组成框图，分别设计各模块的硬件电路，得到如图 2
12、所示的电路。其中蓄电池用一个 12V 电池和一个电阻串联等效代替。另外，拨码式开关连接到 PIC18F452 的 I/O4输入端口，控制单片机的工作状态。图 2 电路原理图3.2.1 电压检测模块电压值的测量通过一个 2k 欧与一个 1k 欧的电阻分压和 RC 滤波电路连接到PIC18F452 的 2 号管脚。分压后，将 12V 的蓄电池电压转换成最高 4V 的电压输入。经过A/D 转换端口，将输入的模拟电压信号转换为数字信号，再经过运算得到实际输入电压值。此时，再将电压值乘以分压系数3，就可以得到电池的电压值。具体电路见下图。图 3 电压检测模块3.2.2 电源检测模块采用 ACS712EL
13、CTR-20A-T 芯片检测电流，然后通过 RC 滤波电路连接到 PIC18F452的 3 号管脚，具体电路见图 4。ACS712 芯片检测电流的范围为-20A+20A，它将检测到的电流值转换为电压值输出，电压值的范围为 0+VCC。当电流为 0 时,输出电压值为 1/2 5VCC。本系统的 VCC 为+5V，所以可得到实际电流值与电压值的关系式为公式 2。公式 2)5 . 2(*8UI图 4 电源检测模块3.2.3 电源转换模块蓄电池为 12V 直流。对于电池供电的系统，因为电池的电压会随着放电和充电出现较大的变压，使用时需要由 DC-DC 芯片来对电池电压进行升降压变换。由于 PIC 单片
14、机的输入电压为 5V,则采用 MC7805T 集成稳压器来使蓄电池输出端输出 5V。具体电路见下图。图 5 电源转换模块3.2.4 显示及报警模块单片机的 PORTB 和 PORTD 端口定义为输出端口，通过输出高低电平控制 LED 灯的亮灭、蜂鸣器工作以及四位七段数码管的显示。其中，七段数码管为共阴极数码管，1、2、3、4 引脚分别控制四位数码管的亮灭，ABCDEFG 和 DP 分别控制数码管的七段和小数点的亮灭。6图 6 显示及报警模块3.3 软件设计系统启动后，进行初始化，然后开始采集电压和电流数据并处理。之后判断电量是否足够，若电量不足则启动语音喇叭报警，电量不足灯亮。之后 LCD 数
15、码管显示电压和剩余电量。主程序的流程图见图 7，数码管显示的流程图见图 8。开始系统初始化电压、电流采样数据处理剩余电量为多少显示电压和剩余电量语音喇叭报警、电 量不足灯亮正 常不足检测开关状态电量满灯亮满电源灯亮数码管显示程序选择数码管第一位PORTB赋值电压值十位数延时选择数码管第二位PORTB赋值电压值个位数延时选择数码管第三位PORTB赋值电量值十位数延时选择数码管第四位PORTB赋值电量值个位数延时图 7 主程序流程图 图 8 数码管显示程序流程图73.4 仿真结果图 9 仿真截图电量正常，电源灯亮图 10 仿真截图电量不足，电源灯、电量不足灯亮，蜂鸣器报警8图 11 仿真截图电量满
16、，电源灯、电量满灯亮图 12 仿真截图开关关闭，不显示电压、电量，所有灯都不亮4附件（主要程序代码）#include #include const table=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,90x49,0x41,0x1f,0x01,0x09,0x03; /定义数字数组float Get_Voltage(void) /获取电压值ADCON0bits.CHS0=0; /选择 AD0 端口ADCON0bits.GO=1; /开始转换while(ADCON0bits.GO=1); /等待转换结束return(ADRESL+ADRESH * 256); /返回数字值float Get_Curren
