閥控式鉛酸蓄電池液面參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

畢亞軍　李紅飛

【摘? ?要】? ?介紹一種閥控式鉛酸蓄電池（VLRA）液面參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。系統(tǒng)主機(jī)模塊采用AT89C51單片機(jī)結(jié)合顯示、擴(kuò)展存儲(chǔ)和看門狗技術(shù)；從機(jī)模塊采用AT89C2051單片機(jī)驅(qū)動(dòng)線陣CCD實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；紅外傳輸模塊采用RS-232串口轉(zhuǎn)紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)具有布線少、體積小、精度高、非接觸測(cè)量等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】? ?閥控式鉛酸蓄電池；液面參數(shù)檢測(cè)；AT89C51；紅外技術(shù)

The Hardware Design of Lead-acid Battery Liquid Level Detection System

Bi Yajun1， Li Hongfei2

（1.North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China;

2.Beijing Xinyuan Electronic Information Technology Co.， Ltd.， Beijing 100089， China）

【Abstract】? ? The structure and advantages of a detection system for VLRA liquid level were introduced. The host module of system adopts MCU AT89C51 and combined with display， expanded storage and the watch dog. The slave module adopts MCU AT89C2051， which can driver the linear CCD in order to realize non-contact measurement. The infrared transmission module uses RS-232 serial port converted to infrared technology to realize delivering data. The advantages of system include less wiring， small size， high measure precision and strong practicality， etc.

【Key words】? ? ?VLRA; liquid level detection; AT89C51; infrared technology

〔中圖分類號(hào)〕? ?TM912.1? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2023）02- 0018 - 05

0? ? ?引言

閥控式鉛酸蓄電池（VLRA）作為直流備用電源廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)。由于電極制備工藝的特殊性以及運(yùn)行狀態(tài)的多樣性，在充放電過(guò)程中，VLRA內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列電化學(xué)反應(yīng)，造成蓄電池性能及參數(shù)變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度失效［1，2］。例如：VLRA充電時(shí)內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)伴隨著氣體的產(chǎn)生與再化合過(guò)程。過(guò)充狀態(tài)下產(chǎn)生氣體的速度大于氣體再化合的速度，導(dǎo)致一部分氣體逸出而造成電池液位下降［3，4］。蓄電池正常充放電過(guò)程需要其內(nèi)部電解液液面保持一定高度，如果液面高度不夠，會(huì)使極板上部長(zhǎng)時(shí)間接觸空氣而硫化，造成電池容量和使用壽命下降。

在一些大型電力電子系統(tǒng)中，VLRA組工作空間緊湊、數(shù)量眾多。若采用人工方式檢查蓄電池液面參數(shù)，則操作不便且精度較差。由于蓄電池密封不嚴(yán)和減壓閥正常調(diào)節(jié)內(nèi)部氣壓而排出氣體等因素，蓄電池在使用中會(huì)有一定量的酸霧和氫氣溢出，對(duì)檢測(cè)人員安全造成影響。

為避免因電池性能下降對(duì)大型電力電子系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生影響，本文基于AT89C51單片機(jī)和無(wú)線紅外數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)VLRA液面參數(shù)檢測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該裝置由主機(jī)模塊、紅外無(wú)線傳輸模塊和從機(jī)模塊三個(gè)部分組成，整個(gè)系統(tǒng)可集成在蓄電池內(nèi)，定時(shí)巡回檢測(cè)蓄電池液面參數(shù)并自動(dòng)完成數(shù)據(jù)傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池液面參數(shù)的實(shí)時(shí)、非接觸式檢測(cè)的目標(biāo)。

1? ? ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1? ?主機(jī)模塊

系統(tǒng)主機(jī)模塊由AT89C51單片機(jī)、顯示單元、掉電保護(hù)和存儲(chǔ)單元構(gòu)成，主要功能包括系統(tǒng)配置、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)顯示。主機(jī)模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1.1? ?主機(jī)模塊單片機(jī)

主機(jī)系統(tǒng)采用ATMEL公司AT89C51型單片機(jī)，是一種低電壓、高性能的CMOS結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)。片內(nèi)具有4k bytes可反復(fù)擦寫(xiě)Flash只讀程序存儲(chǔ)器（ROM）和128 bytes隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。該單片機(jī)采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大、性價(jià)比高［5］。

1.1.2? ?顯示電路

顯示電路采用74LS164和74LS138作為擴(kuò)展芯片。74LS164是一個(gè)8位串入并出移位寄存器，其功能是將AT89C51單片機(jī)輸出的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼并在其并口上輸出，從而驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。74LS138 為3-8譯碼器，其功能是將單片機(jī)輸出的地址信號(hào)進(jìn)行譯碼以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。由于74LS138電流驅(qū)動(dòng)能力較小，所以采用驅(qū)動(dòng)三極管2SA1015作為地址驅(qū)動(dòng)。將4位數(shù)碼管的段選信號(hào)連在一起，公共端則由74LS138分時(shí)選通，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯示［6］。顯示電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1.3? ?掉電保護(hù)和擴(kuò)展存儲(chǔ)電路

掉電保護(hù)電路采用Maxim公司的X25043。該芯片具有看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和E2PROM三種功能［7］。X25043的看門狗定時(shí)器為微控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)，可選超時(shí)周期有1.4s、600ms、200ms。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，在超出所選的超時(shí)周期以后，X25043看門狗將發(fā)出RESET信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位。X25043還集成有低VCC檢測(cè)電路，當(dāng)VCC降到最小VCC檢測(cè)電平時(shí)，RESET變?yōu)榈碗娖?，使系統(tǒng)復(fù)位，直至VCC升至最小VCC檢測(cè)電平時(shí)間達(dá)200ms為止。X25043還具有512×8位串行E2PROM，可兼做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）而無(wú)需另外擴(kuò)展。掉電保護(hù)電路和擴(kuò)展存儲(chǔ)電路如圖3所示。

1.2? ?從機(jī)模塊

從機(jī)模塊線陣CCD作為蓄電池液位傳感器，主要用于鉛酸蓄電池液面參數(shù)的采集。主芯片采用8位單片機(jī)AT89C2051驅(qū)動(dòng)線陣CCD采集蓄電池液面數(shù)據(jù)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至AT89C2051。由于從機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸是在線進(jìn)行的，可采用單片機(jī)片內(nèi)自帶存儲(chǔ)單元做為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。從機(jī)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

1.2.1? ?從機(jī)模塊單片機(jī)

AT89C2051最高振蕩頻率可達(dá)24MHz，適于驅(qū)動(dòng)高速CCD。該單片機(jī)I／O端口較少、體積較小，適于作小型應(yīng)用系統(tǒng)的處理器。

1.2.2? ?線陣CCD及其驅(qū)動(dòng)電路

線陣CCD選用NEC公司生產(chǎn)的μPD3575D。該芯片為20腳DIP封裝，像敏單元數(shù)目為1024，大小為14μm×l41μm×l4μm（相鄰像元中心距為14μm）。光敏區(qū)域采用高靈敏度和低暗電流PN結(jié)作為光敏單元，內(nèi)置采樣保持電路和輸出放大電路，外觀尺寸為25.5mm×10.0mm，易于裝卸。該器件工作在5V驅(qū)動(dòng)脈沖和12V電源條件下［8］。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

1.2.3? ?模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用AD0804芯片，將CCD測(cè)量得到的電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳入單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

1.3? ?紅外無(wú)線傳輸接口電路

系統(tǒng)采用RS232串口轉(zhuǎn)紅外無(wú)線技術(shù)作為主機(jī)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信方式，避免了大量布置電力線纜帶來(lái)的維修、檢測(cè)和更換的不便［9］。由于電池內(nèi)外需要相互隔離并能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用紅外無(wú)線通信可有效避免對(duì)系統(tǒng)其他設(shè)備造成電磁干擾。

1.3.1? ? 紅外通信的基本原理

紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為通信信道。發(fā)送端采用脈時(shí)調(diào)制（PPM）方式，將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送出去；接收端將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大、濾波等處理后送至解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)后輸出。

1.3.2? ? 單片機(jī)紅外串行通信接口

由于單片機(jī)本身不具備紅外通信接口，可利用單片機(jī)的串行接口與片外紅外發(fā)射/接收電路組成紅外串行通信接口，紅外發(fā)射擴(kuò)展電路與紅外接收擴(kuò)展電路如圖7、圖8所示。

紅外發(fā)射擴(kuò)展電路包括脈沖振蕩器、驅(qū)動(dòng)管T1和T2、紅外發(fā)射管D1和D2等。脈沖振蕩器由NE555定時(shí)器及電阻R1、R2和電容C1、C2組成，用以產(chǎn)生38kHz的脈沖序列作為載波信號(hào)；紅外發(fā)射管D1和D2選用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來(lái)發(fā)射950nm的紅外光束。紅外發(fā)射電路工作時(shí)，串行數(shù)據(jù)由單片機(jī)串行輸出端TXD送出并驅(qū)動(dòng)T1管，若為低電平“0”則使T1管導(dǎo)通，通過(guò)T2管調(diào)制成38kHz的載波信號(hào)，并利用兩個(gè)紅外發(fā)射管D1和D2以光脈沖的形式向外發(fā)送，若輸出高電平“1”則使T1管截止，紅外發(fā)射管D1和D2不發(fā)射紅外光。設(shè)傳送的波特率為1200bps，則每個(gè)低電平“0”對(duì)應(yīng)32個(gè)載波脈沖。調(diào)制信號(hào)的時(shí)序如圖9所示。

紅外接收電路選用Vishay公司生產(chǎn)的專用紅外接收模塊TSOP1738。該模塊是一個(gè)三端元件，使用單電源+5V供電，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高、對(duì)其它波長(zhǎng)（950nm以外）的紅外光不敏感等特點(diǎn)。TSOP1738工作時(shí)，先通過(guò)紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；再由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理并經(jīng)帶通濾波器濾波；濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，由輸出級(jí)電路進(jìn)行反向放大輸出。

為保證紅外接收模塊TSOP1738接收的精度，要求發(fā)送端載波信號(hào)的頻率應(yīng)盡可能接近38kHz，因此在設(shè)計(jì)脈沖振蕩器時(shí)，要選用精密元件并保證電源電壓穩(wěn)定。發(fā)送的低電平“0”至少要對(duì)應(yīng)14個(gè)載波脈沖，這就要求傳送的波特率不能超過(guò)2400bps。

1.3.3? ?PC機(jī)紅外接收電路

標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平是負(fù)邏輯。只要使能DTR和RTS這兩個(gè)引腳就可以輸出+15V電平，從而給紅外接收電路供電［10］。因此，設(shè)計(jì)紅外接收擴(kuò)展電路如圖10所示。D1、D2和D4起隔離作用，R8主要用來(lái)保護(hù)PC串口，C4和C5為濾波電容，J3是紅外接收模塊TSOP1738，其接收中心頻率為38KHz，可完成從紅外接收、濾波到解調(diào)的全部過(guò)程。D4為指示燈，當(dāng)接收到紅外信號(hào)時(shí)LED會(huì)閃亮。

2? ? ?結(jié)語(yǔ)

與同類設(shè)備相比，本文設(shè)計(jì)的閥控式鉛酸蓄電池（VLRA）液面參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)具有布線少、成本低、精度高、便于維護(hù)等特點(diǎn)。利用線陣CCD實(shí)現(xiàn)了在酸性和腐蝕性條件下的非接觸測(cè)量，避免了因傳感器腐蝕帶來(lái)的系統(tǒng)損壞。采用RS232串口轉(zhuǎn)紅外無(wú)線技術(shù)，避免了大量傳輸線纜的連接，同時(shí)又保證了數(shù)據(jù)采集精度，功能性和易用性均能滿足工程實(shí)際需求。

［參考文獻(xiàn)］

［1］? 陳杰，徐劍虹. 閥控密封鉛酸蓄電池失效機(jī)理及檢測(cè)［J］.電源技術(shù)，23（6）：332-334.

［2］ 王秀菊，李莉.電力電源中蓄電池失效模式及在線監(jiān)測(cè)［J］.電源技術(shù)，2004，28（12）： 790-793.

［3］ 楊文兵，衣守中.關(guān)于VRLA電池容量不足的原因分析［J］.蓄電池，2004（1）：18-22.

［4］? 梁敬.淺議影響閥控式鉛酸蓄電池使用壽命的因素［J］.廣東電力， 2005，18（2）：19-21.

［5］? 萬(wàn)敏華，黃摯雄，吳元龍.基于AT89C51的列車折關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008（1）：39-40.

［6］ 王福順，張曙光，邵利敏，等.蓄電池組的單節(jié)電池電壓自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2006（2）：94-95.

［7］ Programmable Watchdog Supervisory E2PROM X25043 datasheet．Xicor Inc. http：//www.xicor.com.

［8］ 陳赟，何惠陽(yáng).基于CPLD的μPD3575D線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（6）：2526-2528.

［9］張君怡，王海明，裴東興.基于USB的紅外數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（12）：49-53.

［10］ 仲偉峰，王海英，李革臣.基于DSP的蓄電池智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（8）：58-59.

[收稿日期]? ?2023-01-02

[基金項(xiàng)目]? ?河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（ZC2021204）；北華航天工業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)目（ZD-2022-02）

[作者簡(jiǎn)介]? ?畢亞軍（1974- ），男，碩士，北華航天工業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。