新型蓄电池巡检仪的设计
汤乐化
（浙江金弘科技有限公司技术开发部浙江温州325604）
摘要：目前在消防应急电源系统中，蓄电池作为系统的能量来源，它的质量对系统的高效安全存在至关重要的影响，所以对蓄电池在线监测的产品也应运而生。

根据传统在线监测系统的方法和不足，本文介绍的巡检仪采用单片机作为整个系统的核心，通过光耦对电池组和系统进行隔离，并对每节电池进行快速采样，通过软件算法缩小采样值与实际值的误差，以达到要求精度，本系统还提供了与上位机的通信接口。

关键词：蓄电池巡检仪，PIC16F77，温度补偿
0、引言
在房产，电力系统，交通指挥教，学校等行业中，停电将会带来巨大的损失和灾难，为此各种消防应急电源EPS得到迅猛发展，而作为EPS能量来源的蓄电池，其重要性则不言而喻了。

但在实际运行中蓄电池的故障率却是很高，由于蓄电池组都是串联使用，所以其中只要有一节蓄电池损坏，整个蓄电池组就失去作用，只要有一节蓄电池性能下降，它将决定整个蓄电池组的供电能力，所以对蓄电池组中每节电池进行监测及故障诊断是非常重要的，只有这样才能保证EPS系统的高效安全。

因此，蓄电池的检测已逐渐成为一个热点问题，各大生产厂商都在积极开发相关产品。

但是由于这些监测设备价格高，同时在采样环节增加了安区隐患，再加上人们对其重要性的认识不够，所以监测设备并没有在大范围内实现普及。

当前市场上的蓄电池在线监测方法主要有整组监测，单电池电压监测，以及电池内阻在线监测。

其中整组监测是指对整个电池组进行检测，从而无法筛选出已老化的电池；单电池电压监测是对整组监测的提高，它同时也对每节电池进行监测，这样可以判断出个别电池是否损坏，但是它只能发现损害较为严重的个别电池；电池内阻在线监测，是对电池进行内阻测量，它可以有效地发现性能下降的落后电池，但是该方法价格高，采样引线处理难，并且存在更大的安全隐患，而且技术含量高，精密度要求高，所以对大部分普通用户来说难于承受！
本文介绍的蓄电池巡检仪就是采用比较适用的单电池电压监测，并根据传
统电池电压采样的方法和不足，设计一种相对简单，但精度较高，速度更快而且较为便宜的系统。

本系统采用Microchip公司的单片机作为系统的核心，通过光耦对电池组和系统进行隔离和模拟信号的传输，再通过软件算法减少因光耦非线性传输引起的误差，有效实现精度的提升，当出现故障电池时进行声光报警，本系统还提供了与上位机的通信接口。

1、系统组成模块及主要功能
本蓄电池电压巡检仪采用模块化设计，其包括4个模块：巡检采样模块，按键输入模块，显示报警模块，通信模块。

巡检采样模块：通过光耦隔离和信号传输，对每节电池进行电压采样。

按键输入模块：通过按键设置各种参数。

显示报警模块：通过LED数码管将参数和采样量输出，当故障时进行声光报警通信模块：通过RS-232协议与上位机进行通讯，将各种参数和采样量输出至上位机，以供上位机进行各种操作。

其模块框图如图1所示：
图1：系统模块框图
2、巡检采样模块工作原理及方案设计
该模块在系统中是非常重要的，因为它决定了所有判断和显示是否和实际情况符合。

目前就单电池电压监测方法也有很多种具体的实现方案，如传统的有采用继电器实现，但是由于继电器的使用寿命有限，且使系统体积较大，而且采样
每节电池的时间过长，所以对于数量较大的电池组，这种采样方法不仅使采样不具备实时性，而且系统体积较大，使用寿命也较短，而且当继电器出现故障时，还有可能出现电池短路现象，所以存在很大的安全隐患，所以本系统鉴于上述问题，也就采用光耦隔离和采样，这样很容易解决了继电器带来的寿命短，体积大，同时采样时间也变得非常短。

但是光耦也同样存在一些缺点，如果采用线性度高的光耦则价格很高，而且存在温漂问题。

本系统根据这些情况采用普通光耦一降低价格，并且通过NTC热敏电阻对温度进行采样，再加上软件算法进行实际值转换和温度补偿，从而使系统的精密度达到规定要求。

其工作原理如图2所示：
图2：单节电池电压采样原理图
首先由MCU控制O2的发光二极管发光，并且让它处在饱和状态，从而使O2的光敏三极管也处在饱和状态，这样流过O1的发光二极管I f1：
I f1=（V b-V ceo-V d）/R1
其中：I f1为流过O1发光二极管的电流
V b为单节电池电压
V ceo为O2光敏三极管在饱和状态下的管压降
V d为O1发光二极管的管压降
R1为调解O1发光二极管电流的可调电位器
已知I f1后，通过光耦的CTR可以求出I c：
I c=CTR*I f1
由于普通光耦的CTR为I f1的非线性函数，而且在不同的环境温度下，它也会变化，这样对电池电压的采样值转换成实际值就存在一定的困难。

本系统采用分段函数，考虑到单片机处理多次函数运算将占用太多空间和时间，于是将V b分成多个线性函数。

具体如下分段函数（根据实验结果分段），同时由于温漂效应，所以通过NTC热敏电阻对环境温度进行采样，具体温度的温度补偿系数见表1（通过实验结果获得）。

所以通过上述的一系列函数就可以得出计算V b的函数来：
V b=I c*R1/CTR+V ceo+V d
而基于Microchip的PIC16F77单片机为8位A/D转换器，所以通过采样值V alue 可以求得对应的I c：
I c=V alue/（51*R2）
最后结合上面的两条公式就可以转换成一条直接由采样值并可得出另一条V b的公式来：
V b=V alue*R1/(51*R2*CTR)+V ceo+V d
这样的公式也就可以表示成：
V b=K*V alue + V c
其中：K为非线性函数的系数或斜率
V c为在不同发光二极管I f1条件下的发光二极管的管压降V d+V ceo
K，V c根据Value的值分为多段
再是考虑到光耦的温漂效应，所以再有公式：
V b=K*V alue+V c+V t
其中：V t为温漂补偿
3、按键输入模块和显示报警模块的其工作原理及其设计方案
这两个模块为人机交互模块，为用户提供一个良好的输入输出界面，其设计目前都较为成熟。

按键模块采用多路复用器实现多个按键的处理，显示报警模块采用LED数码管显示，和声光报警。

其具体原理图见图3，图4：
图3：按键输入原理图
图4：LED显示模块原理图
按键输入模块：用MCU分时查询CD4051的X0~X7，从而判断是否有键按下。

LED显示模块原理图：使用74LS164串入并出，为共阴极LED数码管的提供段选，再通过MCU每隔5ms进行一次位选。

4、上位机通信模块
本模块为需要与上位机通信的系统提供一个RS-232协议的接口。

其工作原理图如图5所示：
图5：上位机通信原理图
5、结语
本文介绍的蓄电池电压巡检仪通过内置的微处理器，采用软件算法对单节电池的采样进行了精确的计算，弥补了非线性光耦采样的不足。

本系统的样机经过多次试验，满足EPS系统的要求，从而确保了整个EPS系统的高效安全。

参考资料
（1）PIC系列MCU的的应用技术
（2）CD051多路复用器的应用
（3）消防应急灯具国家标准GB17945-2000 消防灯具专用应急电源EPS部分
作者简介：
倪旭东，绍兴文理学院工程师浙江金弘科技有限公司技术开发部
汤乐化，浙江大学工程师浙江金弘科技有限公司技术开发部。