儀器儀表供電電池容量在線檢測模塊設(shè)計(jì)

彭 玲 毅

(中冶京誠(湘潭)重工設(shè)備有限公司-湘鋼電修廠，湖南 湘潭 411101)

儀器儀表供電電池容量在線檢測模塊設(shè)計(jì)

彭 玲 毅

(中冶京誠(湘潭)重工設(shè)備有限公司-湘鋼電修廠，湖南 湘潭 411101)

針對工、民建筑物內(nèi)的各類智能儀表采用電池供電，由于安裝電池容量的不均勻，經(jīng)常在檢修一段時(shí)間后供電不足導(dǎo)致儀表工作不正常的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，提出在儀表內(nèi)加裝一套在線檢測模塊，定時(shí)進(jìn)行電池電量檢測并將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至主控上位機(jī)的思想，并加以實(shí)現(xiàn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該模塊基本滿足實(shí)際工作需要，且模塊簡單可靠。

儀器儀表，供電電池，容量檢測，頻率

隨著工、民建筑物內(nèi)儀器儀表智能化程度越來越高，安裝的智能儀表工作電源一般有兩種選擇：1)利用樓宇、生產(chǎn)線上的電源；2)自帶電源。對于自帶電源，由于電源為電池供電，不存在其他供電方式自身存在的非線性干擾為部分儀表所采用，由于單個電池電量不均勻性、放電曲線獨(dú)特性以及部分儀表工作中耗電量與任務(wù)正相關(guān)，造成電池容量隨時(shí)間的推移變得不穩(wěn)定，經(jīng)常在不達(dá)到檢修時(shí)間時(shí)就因供電電量不足而導(dǎo)致儀表不能正常工作，為此加重了檢測人員的工作量，同時(shí)還有可能導(dǎo)致整個樓宇、生產(chǎn)線停車，給管理部門增加不必要的生產(chǎn)成本與運(yùn)營成本。

1 電池電量的檢測方法

針對電池電量的檢測方法，目前使用的為：1)核對檢測法。它具有容量測試可靠性高、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，因此，目前仍舊是市面上檢測電池最有效的方法。但核對檢測設(shè)備主要采用電阻絲操作實(shí)現(xiàn)核對檢測，并且需要人工干預(yù)，程序繁瑣，對操作人員自身存有一定的危險(xiǎn)，而且對電池的容量有一定的損害，因此這種傳統(tǒng)的核對放電方法已經(jīng)慢慢的被淘汰掉。2)不完全放電測試法。主要是對電池組中的每一個電池進(jìn)行循環(huán)檢查，發(fā)現(xiàn)電壓降低最迅速的那一個，將它認(rèn)定為劣質(zhì)的電池，并進(jìn)行去除，然后對新的電池單元組成的電池進(jìn)行檢測，測試其容量，用這塊電池的容量去代表整個電池組的容量。但精度相對比較低，可以用這種方法去判定電池的落后狀態(tài)，但不能準(zhǔn)確計(jì)算出電池容量以及它的優(yōu)劣性，同時(shí)對測試的過程要求相對比較嚴(yán)格。3)電導(dǎo)測量法。電導(dǎo)測量也成為電阻測量，主要方法是在電池的正負(fù)極附加一個已知幅值與頻率交流的電壓信號，檢測出和該電壓信號具有相同相位的交變電流值，這一交變電流的分量除以附加的電壓，就是電池的電導(dǎo)。設(shè)定的檢測頻率不同，得到的電導(dǎo)也就不同。蓄電池的容量越小，自身的電阻就會增加，電導(dǎo)就會變小。但不能精準(zhǔn)的檢測出一些實(shí)際參數(shù)指標(biāo)，特別是容量，所得到的數(shù)據(jù)也并不是十分的準(zhǔn)確；同時(shí)，不同的設(shè)備檢測出的結(jié)果也存在很大的差異。4)Ah容量法。對于動力電池，需要經(jīng)常對其進(jìn)行充放電。這種電池的測量往往就采用Ah容量法。用此方法測量時(shí)，需要掌握蓄電池的最初狀態(tài)以及終點(diǎn)剩余電量，但是這兩個量受到多種因素的影響。一般并不是一個固定的數(shù)值。所以此法只能檢測已經(jīng)消耗掉的能量，并不能很好的檢測出最終的剩余電量。

2 本設(shè)計(jì)所采用方案

出于對可靠性的考慮，本設(shè)計(jì)僅以三端穩(wěn)壓電源和電阻的不同組合即可完成不同檢測方案。本設(shè)計(jì)是以新型ARM Crotex-M3系列單片機(jī)為核心的電池容量檢測系統(tǒng)，通過對單片機(jī)軟件編程可以實(shí)現(xiàn)以下基本要求：1)通過電池進(jìn)行瞬時(shí)小流量放電測量電池容量；2)測量電壓、電流的動態(tài)值；3)可切換顯示電池容量、電壓、電流及當(dāng)前線路；4)測量結(jié)果上傳至上位機(jī)進(jìn)行提示。

電池容量檢測模塊框圖見圖1。

3 軟硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)工程中主要是要注意與目前現(xiàn)有的儀表外盒尺寸保持可安裝性與功耗的合適性；與此同時(shí)，在與上位機(jī)數(shù)據(jù)交換中的總線接口要與目前現(xiàn)在工業(yè)總線接口保持一致，做到在不增加成本的基礎(chǔ)上完成本設(shè)計(jì)的開發(fā)與利用。為此，本模塊的基本要求如下：1)為了不增加儀表的功耗，本模塊采用外接樓宇、生產(chǎn)線上電源進(jìn)行工作；2)通訊接口采用工業(yè)以太網(wǎng)與USB模塊進(jìn)行通訊，保證不增加樓宇、生產(chǎn)線通訊模塊的兼容性；3)考慮到電磁干擾與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)械振動，本模塊的元器件采用高性能的工業(yè)級器件；4)考慮到模塊的可移植性與可擴(kuò)充性，本模塊的軟件采用C語言進(jìn)行編寫；5)除了采用高性能工業(yè)級元器件外，在軟件編寫過程中增加軟件陷井與適當(dāng)?shù)能浖哂喽?，保證模塊在干擾情況下不能正常工作時(shí)，自動復(fù)位。在此，本文重點(diǎn)討論電池容量測量環(huán)節(jié)電路設(shè)計(jì)、仿真及軟件對A/D器轉(zhuǎn)換控制。電壓采樣以及電流采樣的估算是利用Multisim軟件進(jìn)行仿真估算。Multisim是一個用于原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測試的虛擬仿真軟件。該軟件能夠幫助確定采樣電阻最終的阻值，并能根據(jù)實(shí)際需要，給定一個電壓值，得出相應(yīng)的模擬電壓輸出值，避免模擬輸入電壓值過大而損毀片內(nèi)AD。檢測部分仿真圖見圖2。

A/D轉(zhuǎn)換的精度直接影響到電池容量的檢測精度，在此，除了選擇好的A/D模塊外，還需要進(jìn)行相應(yīng)的控制處理。本模塊采用12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，有18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，設(shè)計(jì)中最大轉(zhuǎn)換速率是1 MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs。其流程圖見圖3。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是以ARM芯片作為主MCU的電池容量檢測系統(tǒng)。經(jīng)過測試，本產(chǎn)品最終可以達(dá)到以下功能：

1)測量電池容量并能檢測電池電壓、工作電流的動態(tài)值；

2)利用以太網(wǎng)接口將檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至主控單元；

3)對傳輸數(shù)據(jù)可根據(jù)報(bào)警閾值預(yù)置值進(jìn)行報(bào)警提示；

4)整個設(shè)計(jì)為模塊化設(shè)計(jì)，可移植性強(qiáng)。

[1] 陳紅雨，黃鎮(zhèn)澤，鄭圣泉，等.鉛酸蓄電池分析與檢測技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2] 秦鳴峰．蓄電池使用與維護(hù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

[3] 陳志旺．STM32嵌入式微控制器快速上手[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2012．

[4] 劉 軍.例說STM32[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011．

[5] 廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：中國電力出版社，2012．

Design of on-line testing module of instrument meter battery-powered volume

Peng Lingyi

(XiangSteel&PowerRepairPlant,ChinaMetallurgyJingcheng(Xiangtan)HeavyIndustryEquipmentCo.,Ltd,Xiangtan411101,China)

In light of battery-powered applied in various intelligent instruments of industrial and civil buildings, the paper studies abnormal meter working phenomena owning to uneven installation battery volume and insufficient power supply after maintenance, and puts forward the idea of setting a set of on-line detection module in the meter, and carrying battery volume detection at the fixed time, and timely uploading detection results to major control computer and realizing it. The experimental results prove that: the module can basically meet actual working demands with simple and reliable characteristics.

instrument and meter, battery-powered, volume test, frequency

2015-01-19

彭玲毅(1968- )，男，工程師

1009-6825(2015)10-0129-02

TU851

A