基于 AVR 的铅酸蓄电池管理系统设计

基于 AVR 的铅酸蓄电池管理系统设计 胡永华，杨金明 （华南理工大学电力学院，广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州 510640） Design of the Management System for Lead Acid Battery Based on AVR Microcontroller HU Yong-hua, YANG Jin-ming （School of Electric Power, South China University of Technology, Guangdong key laboratory of Clean energy technology, Guangzhou, China, 510640） Abstract: The characteristics of lead acid battery are introduced. A Digital-controlled intelligent management system, which is based on AVR microcontroller and includes the detection of battery voltage, charge/discharge current, internal resistance, spare capacity, temperature and so on, is designed. The communication with PC is realized. Keywords: lead acid battery; ATmega8; serial communication 摘要：介绍了铅酸蓄电池的特点且设计出一套完整的基于 AVR 单片机的铅酸蓄电池数字智 能管理系统，包括铅酸蓄电池电压，充放电电流，内阻，剩余容量及电池温度等重要参数的 检测，并实现了与 PC 机通信的软硬件设计。 关键词：铅酸蓄电池；ATmega8；串行通信 中国图书分类号: TM912 文献标识码:B 1 引言 随着电源技术的发展，铅酸蓄电池由于其成本低、容量大、安全可靠等特点，在通信、 电动汽车、军事、航空航天等各个领域都有广泛的应用。在传统充电技术中，常用的恒压充 电、恒压限流充电、恒流充电等模式，都是由人工控制充电过程，大多存在着严重的过充电 现象。充电质量的好坏，直接影响铅酸蓄电池的使用寿命。而新型铅酸蓄电池智能管理系统 的设计，就是为了在线检测电池状态，为用户选择充电 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 提供数据依据，提高充电质量和 效率，使操作人员只担任辅助性工作。因此研究一套低成本的智能管理系统是有实际应用价 值的。 2 系统结构和功能 整个系统由电压、电流、温度采集模块，键盘电路，1602B 液晶显示电路，RS-232 串 行通信电路以及 ATmega8 单片机等组成，其系统结构框图如图 1 所示。 图 1 系统结构框图 系统以 ATmega8 单片机为核心，数据采集电路不断循环采集各个单体电池电压、电流 及环境温度，经差分放大、模拟开关等，由 ATmega8 单片机的内置模数转换器进行 A/D 转 换，然后进行分析处理，测量数据能够实时显示，个别电池出现异常时能够及时通知显示。 能通过 RS-232 通讯接口把数据上传，上位机软件能够记录采样值及铅酸蓄电池运行状态， 并有简单的数据分析和画波形图的能力该系统具有以下几个功能特点：(1)采用功能强大的 单片机 ATmega8 作为控制核心；(2)对铅酸蓄电池组的浮充状态和充、放电动态过程实施实 时在线监测和故障诊断；(3)具有良好的操作界面，能直观的了解足够的电池信息；(4)有 RS-232 串行通讯接口,可以与上位机或其它监控设备通讯。 http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? 3 主要硬件电路设计 3.1 液晶显示模块 铅酸蓄电池信息显示电路采用了性价比较高 LCD1602B 字符型液晶模块，1602B 字符 型液晶模块是 2 行 16 个字的 5×8 点阵图形来显示字符的液晶显示器，控制芯片为 KS0066。 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了 160 个不同的点阵字符图形。这些 字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一 个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是 01000001B（41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。为节省单片机的引脚资源，1602B 的接口电路采用了四线并口通信。 3.2 电压采集模块 本文中设计的系统是一个针对 12V（200~500Ah）的铅酸蓄电池智能管理系统。考虑到 铅酸蓄电池正常电压范围为 10.5V~14.7V（低于 10.5V 即为欠压，高于 14.7V 即为过压，欠 压或过压都很可能导致蓄电池的损坏），而 ATmega8 单片机的片内 A/D 转换基准电压为 2.56V，所以不能对电池电压直接采样，在 A/D 采样之前需要经过一个比例放大器把电压信 号控制在基准电压以下。如图 2 所示，TL062 由+5V、-5V 双电源供电，R42 与 R46 构成电 阻分压电路避免运放的正相输入端电压 +U 幅值大于 5V ，然后根据反馈量 4743 43 RR UR U O+ ×=− 计算 R43、R47 的电阻值。 图 2 电压采集模块 3.3 电流采集模块 为采集铅酸蓄电池的充放电电流数据，可在电池负端串联一个电流采样电阻 R34（如图 3）把电流信号转换成电压信号，再经过一比例放大电路调整成单片机 A/D 口所能接收的电 压信号。由于铅酸蓄电池可能处于充电状态也可能处于放电状态，当它处于充电状态时，运 放输出的是正电压，当它处于放电状态时，运放输出的是负电压，而负电压信号单片机是无 法采集的，所以还要对电路进行一些特殊处理。如图 3 所示，本文引入了一个参考电压 refV 和电阻 R48、R49 使输出电压钳位在正电压范围内，然后由单片机程序处理采样信号以识别 充放电电流。 图 3 电流采集模块 http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? 3.4 温度采集模块 温度对于铅酸蓄电池的性能影响非常大。蓄电池的容量会随着温度降低而降低，而循环 寿命会随之上升，蓄电池接受电能的能力也会随之降低，特别是当温度低于 0℃时。因此， 蓄电池最好能始终工作在一个理想温度(25℃左右)，这样可使蓄电池的容量和寿命得到最好 的折中。另外，在实际应用中发现，由于热失控所导致的失效蓄电池数量在整个失效铅酸蓄 电池数量中占的比例极大。这样对铅酸蓄电池进行有效的温度管理就显得尤为重要。 本文的温度检测采用了 LM35 温度传感器，LM35 是一款精密集成电路温度传感器，其 输出的电压线性地与摄氏温度成正比。LM35 系列传感器生产制作时就已经过校准过，其输 出电压与摄氏温度一一对应，使用极为方便。其灵敏度为 10.0mV/℃，精度在 0.4℃至 0.8℃ (-55℃至+150℃温度范围内)，低输出阻抗，线性输出和内部精密校准使其与读出或控制电 路接口简单和方便，可单电源和正负电源工作。 4 智能化管理设计 4.1 系统软件和管理 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 软件设计采用模块化编程，系统软件的主流程如图 4 所示。主要分为主程序、数据采 集处理程序、通讯程序。 系统初始化 开始 数据巡回采集 电池所处状态判定子程序 放电状态？ 浮充状态？ 电池充电状况诊断子程序 显示用户选择的信息及数据发送 电池状态异常？ 电池放电状况诊断子程序 电池浮充状况诊断子程序 报警、显示故障原因 Y Y Y N N N 键盘扫描程序 图 4 系统主流程图 主程序为系统控制程序,该模块是软件的总体调度和中心控制模块，控制和协调各模块 程序有序、高效地执行，保障整个系统顺畅无误工作。同时对系统进行初始化，包括系统自 检、相关外围设备的初始化 数据采集处理程序控制数据实时采集和 A/D 转换，保证电池电压参数及温度能够及时 得到响应处理并计算出铅酸蓄电池的内阻与剩余容量。主要是控制模拟开关选择相应的通 道，同时选择对应的 A/D 转换通道，并对数据程序进行分析处理，包括对 A/D 转换的数据 进行数字滤波和误差补偿、铅酸蓄电池所处状态判定。根据铅酸蓄电池组处在浮充、放电还 是充电状态，调用相应的失效模式得出当前的电池状况，对超限的数据立即报警，并在液晶 屏幕上显示详细的故障信息，数据送液晶显示，并送上位机显示、分析、保存，留作维护人 http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? 员的参考数据，对铅酸蓄电池的“健康状况”的诊断根据对采样数据的分析、判断。通讯程 序主要负责根据需要让监测系统与上位机或 PC 机进行数据传递，同时实现电池状态信息的 打印输出。 4.2 PC 机软件设计 PC 机采用 Visual Basic（简称 VB）编程，VB 支持面向对象的程序设计，具有结构化 的事件驱动编程模式并可以使用无限扩增的控件，而且可以十分简便地做出良好的人机界 面。在标准串口通信方面，VB 提供了具有强大功能的通信控件 MSComm。该控件可设置 串行通信的数据发送和接收，对串口通信的信息格式和 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 进行设置。如下面一段代码为本 系统的串口通信设置： Private Sub Form_Load() MSComm1.Setting = "9600,n,8,1," ' 设置波特率和发送字符格式 MSComm1.CommPort = 1 ' 设置通讯串口 MSComm1.InputLen = 0 ' 设置或返回一次从接收缓冲区中读取字节数 MSComm1.InBufferSize = 512 ' 设置接收缓冲区 512Byte MSComm1.InBufferCount = 0 MSComm1.OutBufferSize = 512 ' 设置发送缓冲区 512Byte MSComm1.OutBufferCount = 0 MSComm1.RThreshold = 1 ' 每个字符到接收缓冲区都触发接收事件 MSComm1.SThreshold = 1 MSComm1.PortOpen = True ' 打开串口 End Sub 本文所设计的铅酸蓄电池管理软件主要实现以下功能：（1）能对铅酸蓄电池的基本状 态信息进行简单的统计分析，如电压、电流的最大值、最小值及其平均值的统计；（2）根据 电压、电流的当前值画出其工作波形图，由此工作人员可以直观的判断铅酸蓄电池的工作状 态；（3）能对波形图及相关数据以文本格式保存以便工作人员整理分析。图 5 所示为软件的 操作界面。 图 5 操作界面 5 结束语 本设计采用 ATmega8 单片机，充分利用了其外围接口多、功能强的特点，操作方便、 http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? 成本低。整个系统已经在一款 UPS 电源上使用，系统稳定。本文的创新点在于建立了一套 行之有效的管理系统，并基于人性化的考虑，从用户的角度设计，使铅酸蓄电池管理更加方 便、快捷、有效。 参考文献 [1] 黄玉清，梁靓．机器人导航系统中的路径规划算法[J]．微计算机信息，2006，7-2： 259-261。 [2] 耿德根，宋建国，马潮，叶勇建．AVR 高速嵌入式单片机原理与应用[M]．北京航 空航天大学出版社。 [3] 张克彦．AVR 单片机实用程序设计[M]．北京航空航天大学出版社。 [4] 罗光毅．蓄电池智能管理系统[D]．浙江大学硕士论文，2003。 [5] 王义明．免维护电池的原理与维护[J]．UPS 应用，2000，5：35。 作者简介： 胡永华(1984-)，男，汉族，广东省英德市人，硕士研究生，主要研究方向：能源与动力 系统中的电力电子技术、嵌入式系统。 杨金明(1962-)，男，汉族，贵州省人，副教授，硕士导师，博士，主要研究方向：智能 控制，非线性控制等方面。 Biography: HU Yong-hua (1984-), male, Han, in Yingde City of Guangdong Province, master's degrees, the main research direction: the power electronic technology of energy and dynamic system, Embedded system. YANG Jin-ming (1962-), male, Han, Guizhou Province, associate professor, instructors master's and doctoral degrees, the main direction of research: intelligent control, , and so on. 项目经济效益：3 万元 http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ??????