《起重运输机械》 ２０１２（１１）
拟开关ＡＤＧ４０９ＢＲ选通相应测试电路，进行模／数 转换，得到ＣＰＵ、ＣＰＬＤ所能识别的数字信号，并 进行逻辑运算，输出各种控制信号供其他电路使
用，如图７所示，Ａ／Ｄ电路基准电压为１．２５
Ｖ。’
一２７—
万方数据
Ｐ０ ０，ＡＤＯ Ｐ０ ｌ，ＡＤｌ
翌竺灌竺
Ｐ０ ２／ＡＤ２
嵌入式铅酸蓄电池组在线监测系统的设计
吴铁庄 军事交通学院 任武 天津３００１６１
摘要：介绍了铅酸蓄电池的基本工作原理，分析了国内外铅酸蓄电池组监测技术的研究现状，设计了一 种铅酸蓄电池组在线监测装置，实现对蓄电池组性能参数和状态的实时监测，为电池安全运行及日常维护工作 提供主要的数据依据，对保证蓄电池机械的技术效能具有重要的意义。 关键词：嵌入式铅酸蓄电池组；在线监测系统；设计 中图分类号：Ｕ４６４．９＋３ 文献标识码：Ａ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｌｅａｄ—ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ａｔ
ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ａｎ Ｏｉｌ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｅａｄ・ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｆｏｒ
ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｃｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｔａｔｕｓ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｍａｉｎ ｄａｔａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｂａｔｔｅｒｙ ｗｅｌｌ
Ａ：反相输入端的基准电压Ｕ陀＝Ｅ—Ｕｚ，上限比较 器Ａ。同相输入端的基准电压Ｕ。。＝巩尺ｐ／（Ｒ。＋Ｒ。） ＋ｕＲ２＝ＫＵｚ十ｕＲ２。可见：当“ｉ＜ＵＩｉ２时，Ｕｏｌ＝
保持放大电路ＡＤ５８２由两级集成运算放大器Ａ１和
Ａ２（Ａ２的反相输入端与输出端相连）、ＮＭＯＳ场 效应晶体管模拟开关ｓ及其与门控制电路ＤＧ组 成。实际应用时，ＡＤ５８２的引脚３和引脚４之间外 接１００ ｋＱ电位器用于失调调零，引脚６外接保 持电容Ｃ（０．００１～０．０ｌ斗Ｆ），其大小与采样频
图１嵌入式系统构架
时钟控制ＴＬ４３１变换，得到一个矩形方波，通过 滤波整形放大电路得到标准的交流信号源，如图
３、图４所示。
如图２所示，嵌入式蓄电池组监测系统采
用模块化设计，主要由主控模块、信号采集模块、
匦圈印 匝查囝巨型巫囝匝重囝 匝妄区南卤
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图２硬件系统结构图
图３电阻采集电路
１０Ｖ 尺ｆ １％
ａｓ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｄａｉｌｙ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ａｓ
ａｎｃｅ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍ—
ｏｆ
ｂａｔｔｅｒｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｌｅａｄ・ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ；ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｓｉｇｎ
蓄电池管理系统，对蓄电池进行分析、管理和控 制，以利于蓄电池的维护，延长蓄电池的使用
的电池串联使用，加剧了亏损蓄电池使用寿命的
减少，同时也影响其他蓄电池的使用寿命。因此，
寿命。
１．２国内研究现状 国内的蓄电池在线监测技术尚处在摸索发展 阶段。目前，国内的蓄电池在线监测技术主要用 于监测蓄电池的电压、内阻。国内已开发出在线 电池检测仪，如上海顺盟生产的ＳＭＩＴＢ９１５、杭州 华塑加网络科技的ＨＢＡ一１００１、西安柯蓝公司的 ＣＲ—ＡＣ２４／０５等产品。这些产品可对整组电池进行 放电检测，检测精度较高，但在进行电池容量测 试时，必须将电池组与电源分离，这消弱了电池 组的后备完好性。
数据存储器保存，将采样值实时显示在液晶
屏上。
电池性能诊断程序对采样数据做进一步的分
析处理，判断蓄电池当前所处状态。根据蓄电池 组所处状态（浮充、放电或充电），调用相应的失 效模式来判断当前的电池状况，对超限的数据发
Ｖ。
内阻测量：使用高精密运放构成差分电路，
并采用模拟开关ＣＤ４０５２和程控运放ＰＧＡｌ０３，实 时控制放大器的放大增益，经过多级带通电路滤 波，使输出信号达到标准要求。 电流测量：采用外接一双极性－．Ｉ－１２ Ｖ电源的 开环霍尔电流传感器，经过整形衰减滤波，进入 道。因此选用最高采样频率为１００ ｋＨｚ、转换精度 为１２位的△／Ｄ转换器作为采样器件。 ３）信号比较 信号比较电路如网６ａ所示，它由两个电压比 较器和一个与非门构成。电源Ｅ和稳压管Ｋ以及
率和精度有关，引脚１２输入控制信号ｕ。。图５
中，ＡＤ５８２的采样、保持输出信号“。送人模／ 数（Ａ／Ｄ）转换器ＡＤ５７１的模拟量输入端， ＡＤ５７１的状态输出端与ＡＤ５８２的控制信号输入 端相连接。Ａ／Ｄ转换器启动后，状态输出端为 低电平，控制ＡＤ５８２内的开关ｓ断开，ＡＤ５８２ 处于保持状态，当Ａ／Ｄ转换器对模拟输入量的 转换过程结束时，状态输出端立即变为高电平， 使ＡＤ５８２内的开关ｓ闭合，ＡＤ５８２处于信号采 样状态。 ２）模／数（ＡＭＤ）转换 ＡＭＤ转换器将模拟量（一般为随时间连续变
对嵌入式蓄电池组监测系统进行研究，设计了一
种嵌入式在线监测装置，实现对蓄电池组性能参 数和状态的实时监测，为蓄电池的安全运行及日 常维护工作提供主要的数据依据，对保证蓄电池 机械的技术效能具有重要的意义旧Ｊ。
１
国内外蓄电池组监测技术的研究现状
近年来，国内外多家机构对蓄电池组在线监
测系统进行了研究，目前市场上也有许多产品销 售。但是，由于价格因素，国内蓄电池机械中尚 没有配备类似的产品。 １．１国外研究现状
“１”，Ｕ０２＝“０”，则Ｕｏ＝…１’；当ＵＲ２＜Ⅱｉ＜‰时，
Ｕ。１＝“１”，％＝“１”，则Ｕｏ＝“０”；当“ｉ＞ＵＲｌ时，
Ｕｏ。＝“０”，Ｕ以＝“ｌ”，则Ｕ。＝“１”。比较电路传输
特性如图６ｂ所示。窗口的位置由Ｕ。。、Ｕ配决定， 窗口的宽度△Ⅳ＝ＵＲｌ—ＵＲ２＝ＫＵｚ，取决于Ｒ１和ＲＰ 的分压系数Ｋ。
３．３
设备组成，软件平台由嵌入式操电压。设计有电池电量检测电路，
当电池电量过低时，比较器Ｕ１０将输出电量过低 的信号发送至ＣＰＵ，通过ＣＰＵ控制电量检测电路 发出电量过低报警。 ２．２信号采集电路 该电路产生系统测量电池内阻时所需注入的
交流源信号，使用７４ＨＣ４０６０脉冲计数器通过系统
文章编号：１００１—０７８５（２０１２）１ｌ—００２５—０５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｌｅａｄ—ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ
ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｓ
位微处理器Ｗ７８Ｅ５１６Ｂ，采用１
１．０５９２
尔斯振荡电路。测试得到的信号的运算由ＭＣＵ完 成，测试得到的结果ＬＣＤ显示，设有外部扩
展——２５６Ｋ非易失性ＳＲＡＭ芯片ＨＫｌ２３５，实现
大容量数据结果的保存。ＭＣＵ采用＋５ Ｖ电源 工作。
２．６
ＣＰＬＤ电路
采用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的可编程超高速高密度ｉｓｐＭ—
的研究，起到了借鉴作用。美国Ａｌｂｅｒ公司开发了 全自动电池容量测试仪（ＢＣＴ．２０００）、蓄电池内阻 测试仪、全功能蓄电池监控系统；瑞士Ｌｅｍ公司
开发了电池管理模块；韩国有人研究了光伏系统 中蓄电池状态的监测。另外，有人研究了ＶＭＳ
（ＶＲＬＡ
Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
Ｓｙｓｔｅｍ）阀控密封铅酸
Ｒ—ｔｅｓｔ Ｉ—ｔｅｓｔ
图７
Ａ／Ｄ转换电路
２．５
ＭＣＵ控制电路 ＭＣＵ采用带ＩＳＰ功能的Ｆｌａｓｈ ＥＰＲＯＭ低功耗８ ＭＨｚ晶振皮
电池； ２）具有系统参数存储设定等功能； ３）编制友好的人机操作界面，实现实时电池 维护信息的实时显示； ４）及时对异常蓄电池发出报警，存储蓄电池 的性能状态数据。 整个程序主要分为主程序、数据采集处理程 序、电池性能诊断程序和通讯程序。 主程序为系统控制程序，是软件的总体调度
始化和主要参数设置及系统校准等。 数据采集处理程序实现数据实时采集和进行 Ａ／Ｄ转换，保证蓄电池电压、电流和温度等参数 能够及时得到响应处理，对需要存储的参数送至
３铅酸蓄电池组在线监测系统的软件设计
系统软件采用模块化设计，主流程如图８所 示。根据系统的功能要求，结合硬件电路结构， 软件设计主要实现以下功能： １）对有关参数进行在线巡回监测，根据相应 的失效模式判断标准，对处于浮充状态和充、放 电过程中的蓄电池进行诊断，及时发现亏损蓄
一２５—
万方数据
２嵌入式铅酸蓄电池组在线监测系统的硬 件设计
嵌入式系统由硬件平台和软件平台两部分组
成。其中硬件平台由嵌入式微处理器和外围硬件
内阻检测模块、容量检测模块、通信模块、显示
模块等组成。硬件电路分为电源电路、信号采集 电路、信号处理电路、Ａ，／Ｄ转换电路、ＭＣＵ控制
电路、ＣＰＬＤ电路等。 ２．１电源电路 采用２个安森美的ＮＣＰ３０６３专用ＤＣ－ＤＣ控制 器将７．５ Ｖ电压通过升、降压电路得到系统Ｔ作所 需的±５ Ｖ电压，再通过ＬＤＯ和Ｄｃ—ＤＣ模块产生
ｌＯＶ
图４电流采集电路
一２６一 万方数据
《起重运输机械》
２０１２（１１）
该电路将测试得到的信号进行整形，滤除干
扰杂波，由电压测量、内阻测量、充放电电流测
量３部分组成。 电压测量：使用高精密运放构成差分电路， 并采用双４选１模拟开关ＣＩＭ０５２，由软件实现电
压测量量程的自动切换，量程范围０～２５５．８
图５采样、放大电路
Ａ／Ｄ采集电路。霍尔电流传感器输出电压范围为
０～５ Ｖ。
２．３信号处理 将信号传感器采集的电压、电流、电阻等信 号传送至信号处理电路，经放大、比较、模数转 换等处理，送人微处理器进行分析运算。 １）信号采集与放大 信号采集电路如图５所示。单片集成采样、