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船舶用蓄电池的检测与研制

    船舶用铅酸蓄电池组是许多船用动力源或应急电源，因此电池组的性能直接关系到系统的可靠运行。为了提高蓄电池的使用寿命，保证可靠运行，需要经常对蓄电池进行检测和周期治疗。早期，对船用蓄电池的检测都是采用万用表测量蓄电池端电压的方法，测量精度不高，测量速度慢。近年来，国内多家机构开始研制蓄电池的自动化监测设备，主要应用于陆地电信通信、电力供应、微波站等领域。
　　通过大量的调查研究发现，我国的电池检测设备大多是前几年研制开发的产品，目前对船用蓄电池的智能检测还是停留在研究方面，而且多采用8位单片机，系统集成度不高。针对蓄电池检测系统的现状及发展趋势，笔者采用凌阳SPCE061A16位单片机作为数据处理核心，设计并调试了能够同时检测蓄电池的端电压、电流和温度的检测仪。
    1、蓄电池检测的原理船用蓄电池组的动力蓄电池通常由多节单体电池串联或者并联构成，例如在6-Q-120电池组中，每个单体电池是8片正极板、9片负极板，共17片极板构成的，它的容量为120Ah.每个单体电池的电动势是2V左右，6个单体电池串联组成了电池组，电池组的电动势是12V。在多个单体电池串联组成的系统中，单个电池故障就会影响到整个系统，因此要对电池的充电和放电过程进行系统的检测，在线实时检测蓄电池冲放电的每个阶段电池的电压、电流、电池体的温度等，及时找出损坏的和性能显著降低的电池，可以提高整个电池系统的安全性和稳定性。
　　蓄电池组的状态检测按照IR综合分析法的理念对单体电池进行相应容量的放电测试，从而得出单体电池的电流、电压、内阻、容量，各电量中如果有超过标准值的系统就进行报警。IR综合分析法的原理是电池组在浮充状态下，利用恒定负载对每节电池轮流短时放电，采集电流、电压值，由程序计算放电电流、电池内阻、电池单体在线端电压、电池保有容量和电池活性度，进行判断电池优劣的方法。
    2、系统硬件设计由于船用电池检测的特殊性，电池数量较多，因此要求检测系统的体积相对比较小，结构比较简单，方便安装调试和维护。系统硬件主要包括：单片机主控电路、温度采集电路、电压采集电路、电流采集电路、多路模拟开关电路、键盘和LCD（LiquidCrystalDisplay）显示电路等。
　　21单片机主控电路系统主控电路主要完成蓄电池电流、电压和温度数据的处理和显示，以及自动报警等功能。控制器芯片采用凌阳公司开发的一款带语音功能的16位单片机，它内嵌2K字SRAM，32K字闪存Flash，032049152MHz的CPU时钟，两个16位可编程定时器/计数器，32位通用可编程输入/输出段A口和B口，14个中断源，具有触键唤醒功能，还有7通道10位的A/D转换器，A/D采集范围为033V，精度为293mV，单通道声音模/数转换器和两路10位D/A转换输出通道，可编程串行通信接口，内置看门狗监视器和在线仿真电路ICE（InCircuitEmulator）接口。
    22温度采集电路温度是蓄电池性能的一个重要参数，除了电化学反应的吸热和放热外，在充放电过程中，由于电池内阻的存在，电池内部产生的热量也会引起电池的温度发生变化。在同样电流的条件下，电池内阻不同，电池内部产生的热量不同，电池的温度就不同。温度的检测采用美国AD公司生产的低电源电压模拟集成温度传感器TMP36，该器件是一个三端的器件，能把采集到的温度值直接转换成电压值，电压与摄氏温度成正比，测温时不需要进行温标转换，功耗低，静态工作电流仅为50A，非线性误差为05，测温范围是-40125，最高可达150.为了保证输出的电压信号稳定和减少传输过程中电压的衰减，在电压信号输出端连接一个电压跟随器，然后经过滤波后送到单片机的IOA0口，经单片机处理后送LCD显示。
　　23电压采集电路电压的采集采用电阻分压的方法，这种方法可以极大地降低成本，也能够得到较好的数据值。为了不影响电路中的电流，测量总电阻要很大，用两个电阻将待测电压分压成03V供单片机采集，然后再经过计算得到实际的电压值。对电路中电阻两端电压的采集，采用TL082组成的差动放大器测量两端电压的差值，放大倍数调整为1倍。当运放的反向端和同相端分别输入信号V2和V1时，则输出电压为：VO=-（R10/R8）V1 （1 R10/R8）（R9/（R7 R9））V2。
（1）根据设计要求，取R7=R8=R9=R10，将差动放大器做成减法器的功能，输出电压Vo=V2-V1。
　　对于电阻的取值，船用蓄电池被测电压范围为014V，要将其转换成为033V，取R7=R8=R9=R10=10M、R00=22M，则V1、V2之间的电阻值要约为667M，可以实现014V到033V间的转换，而测量电阻可以达到2867M，对电路电流的影响可以忽略不记，V1、V2之间阻值的确定需要通过实验取得。然后将采集到的这个电压值经过滤波电路送到单片机的IOA3口。
　　24电流采集电路用康铜丝电阻采集电流，由于康铜丝的电阻值很小，因此可以保证检测部分对整个电路的电压影响可以忽略不记，而系统需要采集的就是电阻丝两端的电压值，由于该值非常小，所以要在电阻丝两端接一个差动放大器，将采集到的电压放大到033V，再经过滤波电路，送到A/D口供单片机采集。系统采用精度高、低噪声、使用简易的集成仪器放大器AD620，AD620由三个放大器共同组成，可以通过调整R2来调整放大的增益值。取R2=496，放大倍数为100倍，康铜丝电阻取值为5m，通过康铜丝的电压经过放大后，就可以达到033V.
　　25键盘和LCD显示电路键盘采用5按键控制，5个按键的功能分别设置为自动模式、手动模式、手动模式的向前、向后以及报警取消键。显示部分选用12864LCD模块，该模块可以方便地显示汉字和数值，非常直观地显示出被测蓄电池的温度、电压和电流。通过键盘输入进行显示切换。系统中使用的是并口通信的模式，用到的端口为DB0DB7数据口和5个控制口。由于使用了并行模式，可以把PSB接固定高电平，这样只要使用单片机12个口来控制LCD就可以了。
　　26多路模拟开关电路此检测仪可以一次检测16个蓄电池，需采用模拟多通道选择器来实现电池的切换，此功能采用双选八通的芯片AD7507与双选四通的芯片AD7502组合完成。
　　3系统软件设计软件部分的设计包括主程序、按键控制程序、LCD显示程序、A/D转换程序、数据处理程序和报警程序。系统上电初始化后，通过按键操作选择检测某一块蓄电池，选中后采集相关信号并显示，等待按键选择下一块检测的对象，也可以选择自动检测模式，循环显示检测蓄电池的相关参数，系统流程如所示。
　　31按键控制程序系统设置了5个按键，当按动了自动模式时，LCD自动切换16个显示界面，每个界面显示一节电池的检测参数，显示间隔为2s.在手动模式时，显示会自动停在当前的电池检测数据中，这时候按向前键，会显示上一节电池的数据，按向后键会显示下一节电池的数据。对每节电池的检测都设置了报警功能，当检测到的数据低于设定值时就会产生报警，并且显示停在当前电池状态，当按了报警取消键后，报警就会取消并继续显示下一节电池状态（前提是在自动模式）。
　　32LCD显示程序为了达到实际应用的要求，LCD的显示要具备比较好的人机交互界面，因此，在设计界面时充分利用12864LCD的显示效果，分多个界面显示，每个界面显示4行8列汉字。每个界面的第1行显示第n节电池，第2行显示电压值XXXV，第3行显示电流值XXXA，第4行显示温度值XXX.然后通过按键查询第n节电池电池内阻、电池保有容量和电池活性度。为了达到人性化的效果，系统启动时，LCD上显示电池智能检测系统，然后通过相应的按键进入自动或手动模式。自动模式时，LCD循环显示被检测的16节电池的参数，显示间隔为2s；手动模式则是通过按键切换到第n节电池参数的显示界面。
　　33语音报警程序设计采用的SPCE061A单片机内部集成了语音模块，可以实现语音报警功能。当被测电池的数据超出规定的范围时，就启动语音报警，提醒管理人员电池发生故障。语音功能的使用，是通过调用SCAM_A2000相关的API函数来实现的，SCAM_A2000相关的API函数功能如下：voidSCAM_A2000_Initial（intInit_Index）//初始化voidSCAM_A2000_ServiceLoop（void）//获取语音数据填入译码队列voidSCAM_A2000_Play（intSpeech_Index，intChanne，lintRamp_Set）//播放unsignedintSCAM_A2000_Status（void）//获取模块状态CallF_FIQ_Service_SCAM_A2000//中断服务函数4结果与分析采用本系统设计的检测仪，在环境温度为26的室内，对3个单个蓄电池进行放电测试，取其中一个蓄电池组的端电压和温度，总放电电流的测试结果如所示。由于温度的采集精度在测量前已校正，这里直接给出检测数据，万用表和电流表精度均为02级，数据取5次测量的平均值。通过测量的实验数据分析，电压测量误差不超过005V，电流测量误差不超过002A，误差主要是由分压电阻产生。
　　5结论本系统设计的船用蓄电池组智能检测仪表，较好地解决了目前手工测试无法解决的问题，由于一个检测仪可以同时测量16个单体电池，且通过采用硬件处理和软件滤波提高数据的采集精度，可以有效地改善船用蓄电池参数检测的精度和速度，并实现了语音报警功能，如果结合开发的上位机监控软件，完全可以实现对船用蓄电池的实时监测和自动测量。

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