基于AT89S52的鎳鎘充電電池智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳保社，陳 鵬，蔡 昱

（中國人民解放軍68129部隊(duì) 甘肅 蘭州 730060）

鎳鎘充電電池對(duì)使用、管理和維護(hù)的特殊要求主要表現(xiàn)在：1）要求在適宜的溫度條件和非酸性環(huán)境下存放；2）電池長(zhǎng)期存放時(shí)應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)，新電池啟用前要進(jìn)行初始容量恢復(fù)；3）性能差異較大的單體電池不能同組使用或同組充電，報(bào)廢電池（或故障電池）不能與堪用電池混用；4）電池充電前應(yīng)該先對(duì)其放電至終止電壓，以消除鎳鎘充電電池可能產(chǎn)生的“記憶效應(yīng)”，并且要避免對(duì)電池過充、過放；5）盡量采用脈沖充電方式，以提高電池的充電效率，延長(zhǎng)電池的使用壽命。設(shè)計(jì)制作的鎳鎘充電電池智能管理系統(tǒng)[1]，通過對(duì)電池的集中存放和自動(dòng)充放電管理，可以滿足鎳鎘充電電池對(duì)使用、管理和維護(hù)的特殊要求。

1 系統(tǒng)作用及功能

鎳鎘充電電池智能管理系統(tǒng)，用于對(duì)大量使用并集中存放的鎳鎘充電電池進(jìn)行智能化管理。主要完成電池存放、電池自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)充放電管理、電池維護(hù)和初始容量恢復(fù)、電池故障檢測(cè)及指示報(bào)警、電池極性反接指示報(bào)警、電池空載指示和溫度控制等功能。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Function block diagram of system

2 系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)由控制模塊、電池檢測(cè)模塊、充放電模塊[2]、電池切換模塊、溫度控制模塊、電池存放模塊和電源模塊組成。其中，控制模塊由單片機(jī)及外圍電路[3]組成，用于實(shí)現(xiàn)充放電控制、電池切換控制、溫度控制、電池檢測(cè)和指示控制；充放電模塊由充放電電路組成，用于實(shí)現(xiàn)充電電池的充電和放電；切換模塊由繼電器及其控制驅(qū)動(dòng)電路組成，用于實(shí)現(xiàn)電池單體間的自動(dòng)切換或手動(dòng)切換。溫度控制模塊由溫度傳感器、軸流風(fēng)扇及控制電路組成，用于對(duì)電池存放環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。系統(tǒng)開始工作并通過自檢后，先對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，剔除故障電池并糾正反接電池，然后進(jìn)入電池管理階段，按順序?qū)﹄姵貑误w進(jìn)行充電和放電。一個(gè)管理周期結(jié)束后，系統(tǒng)經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)后，開始下一個(gè)管理周期。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle block diagram of system

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊設(shè)計(jì)

選擇AT89S52[4]單片機(jī)作為控制單元。單片機(jī)的P0口用于數(shù)碼顯示與鍵盤掃描。其中P0.0～P0.3用于輸出與電池編碼對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)，并經(jīng)74LS248轉(zhuǎn)換后形成7段碼后，送到數(shù)碼管顯示。P0.3、P0.4受計(jì)時(shí)器T0控制，循環(huán)輸出00、01、10、11 4個(gè)2位二進(jìn)制數(shù)，并經(jīng)譯碼器74LS139譯碼后，作為掃描信號(hào)，對(duì)數(shù)碼管和矩陣鍵盤同時(shí)進(jìn)行掃描。P0.5、P0.6用于對(duì)2×4矩陣鍵盤各按鍵狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。P1口用于連續(xù)輸出8位二進(jìn)制數(shù)，并經(jīng)兩級(jí)譯碼器74LS154進(jìn)行級(jí)聯(lián)譯碼后，最多可輸出256路控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)依次對(duì)256個(gè)電池單體進(jìn)行自動(dòng)切換控制。P2口用于對(duì)充電電池狀態(tài)（空載、故障、充電滿、放電完）進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)電池充電和放電進(jìn)行控制。P3口主要用于電池狀態(tài)（空載、充滿、故障、反接）監(jiān)測(cè)、指示和報(bào)警。

3.2 電池切換模塊設(shè)計(jì)

電池切換模塊由驅(qū)動(dòng)電路和繼電器組成的切換電路陣列組成。其中，每個(gè)切換電路單元對(duì)應(yīng)一個(gè)電池單體。驅(qū)動(dòng)電路主要由反向器74LS04和三極管S9013組成，受P1口輸出的控制信號(hào)控制，對(duì)繼電器的開、閉狀態(tài)進(jìn)行控制。采用可同時(shí)轉(zhuǎn)換兩路信號(hào)的雙觸電繼電器4137，實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電回路和電池狀態(tài)檢測(cè)回路同時(shí)進(jìn)行切換。利用外部中斷INT1的中斷控制功能，并通過單片機(jī)的P3.6對(duì)兩個(gè)切換按鍵狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)判斷，同時(shí)利用“上移”和“下移”按鍵，實(shí)現(xiàn)電池單體間的手工切換。電池單體間的切換單元電路如圖3所示。

3.3 充放電模塊設(shè)計(jì)

充放電模塊由充電電路、放電電路和充放電控制電路[5]組成。由單片機(jī)輸出的充電或放電控制信號(hào)分別控制充電或放電電路對(duì)電池進(jìn)行充電或放電。電池充放電電路如圖4所示。

圖3 電池切換單元電路Fig.3 Switching unit circuit of battery

圖4 電池充放電電路Fig.4 Charging-discharging circuit of battery

3.4 電壓檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

電壓檢測(cè)模塊[6]由三端穩(wěn)壓電路、分壓電路和比較電路組成。三端穩(wěn)壓電路由LM317及其外圍電路組成，其輸出的電壓經(jīng)分壓電路分壓后，作為基準(zhǔn)電壓，分別送到由LM339組成的比較器的一端，從電池正極采集的電壓送到比較器電路的另一端，從各比較器的輸出的電平狀態(tài)，可對(duì)當(dāng)前電池的電量情況及放置狀態(tài)進(jìn)行判斷。這些狀態(tài)信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，再送回單片機(jī)，由單片機(jī)控制充放電電路工作，并對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行指示。電池電壓檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 電池電壓檢測(cè)電路Fig.5 Detecting circuit of battery's Voltage

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件由監(jiān)控程序、自動(dòng)管理程序、系統(tǒng)自檢子程序、電池檢測(cè)子程序、手工切換中斷子程序、按鍵及數(shù)碼管掃描子程序等組成。系統(tǒng)開始工作后，首先調(diào)用系統(tǒng)自檢子程序，若系統(tǒng)或某個(gè)模塊工作不正常，系統(tǒng)在發(fā)出報(bào)警聲的同時(shí)，數(shù)碼管閃爍顯示故障模塊代碼。若系統(tǒng)及各模塊均工作正常，則系統(tǒng)調(diào)用電池檢測(cè)子程序，對(duì)系統(tǒng)各電池單體的故障、反接以及空載情況進(jìn)行檢查判斷，并同步顯示所檢測(cè)電池單體的位置代碼，對(duì)檢測(cè)到的故障電池和反接電池進(jìn)行指示報(bào)警。等所有電池檢測(cè)完畢，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入電池自動(dòng)管理程序，對(duì)電池進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)充放電管理。在自動(dòng)管理程序中，系統(tǒng)先對(duì)電池進(jìn)行放電，放電到終止電壓后再進(jìn)行充電。同時(shí)在充電的過程中，利用軟件延時(shí)，使鎳鎘充電電池在充電間隙進(jìn)行短暫放電，從而以脈沖充電方式，有效地提高電池充電效率，最大限度地消除鎳鎘充電電池可能出現(xiàn)的極化現(xiàn)象。系統(tǒng)工作流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖Fig.6 Flow chart of system operation

5 其他功能

5.1 溫度控制

鎳鎘充電電池對(duì)存放環(huán)境溫度有一定要求，所以系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了溫度控制模塊，對(duì)電池所處環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。溫度控制模塊由溫度傳感器[7]、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、繼電器及控制電路和軸流風(fēng)扇等組成，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)置的上限溫度時(shí)，由單片機(jī)控制繼電器閉合，進(jìn)而控制軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，為電池存放環(huán)境通風(fēng)降溫。環(huán)境溫度到達(dá)合適溫度后，單片機(jī)控制繼電器斷開，軸流風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，保證電池存放環(huán)境溫度始終保持在合適的范圍內(nèi)。

5.2 電池維護(hù)

對(duì)新啟用的鎳鎘充電電池或產(chǎn)生極化現(xiàn)象的鎳鎘充電電池，一般要進(jìn)行充放電維護(hù)，主要對(duì)電池進(jìn)行初始容量恢復(fù)和效能激活。維護(hù)方法是，對(duì)電池連續(xù)進(jìn)行3次深度放電和充電。由于系統(tǒng)一旦啟動(dòng)，并經(jīng)過電池檢測(cè)后，會(huì)一直處于電池自動(dòng)管理狀態(tài)，如果需要對(duì)某個(gè)電池進(jìn)行維護(hù)，可通過操作“上移”和“下移”按鍵，控制系統(tǒng)切換到需要維護(hù)的電池，然后按下“維護(hù)”按鈕，系統(tǒng)會(huì)中斷自動(dòng)管理，進(jìn)入電池維護(hù)程序。維護(hù)結(jié)束后，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)管理。

6 結(jié) 論

首先，系統(tǒng)為集中放置并統(tǒng)一管理的鎳鎘充電電池提供了一個(gè)空間獨(dú)立、溫度恒定的存放環(huán)境，消除了酸性、高溫等不利因素對(duì)鎳鎘充電電池可能產(chǎn)生的不良影響。其次，電池充放電管理和維護(hù)過程中采用脈沖充放電方式，不僅提高了電池的充放電效率，而且可以保持或恢復(fù)鎳鎘充電電池的性能。第三，系統(tǒng)采用先放電、后充電的方式進(jìn)行充放電管理，可以消除鎳鎘充電電池可能產(chǎn)生的“記憶效應(yīng)”，提高充電電池的使用效能。第四，對(duì)電池充電終止和放電終止電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，避免了電池過充、過放，可延長(zhǎng)鎳鎘充電電池的使用壽命。第五，采用先檢測(cè)、后管理和單體充放電的運(yùn)行模式，杜絕了性能差異較大的單體鎳鎘充電電池同組使用或同組充電問題的發(fā)生。

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