直流屏電池故障檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

冀友等

【摘 要】本文完成了直流屏電池故障檢測(cè)系統(tǒng)方案確定、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)等工作，并給出了切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)步進(jìn)方法將每節(jié)蓄電池切換到檢測(cè)電路，通過(guò)將一定頻率的交流信號(hào)注入電池，再將電池兩端產(chǎn)生的弱信號(hào)通過(guò)前置放大濾波，送入ADC0804 進(jìn)行模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了蓄電池內(nèi)阻的在線測(cè)量。檢測(cè)系統(tǒng)用STC89C52作為主控芯片，完成信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理，通過(guò)顯示電路顯示每節(jié)蓄電池電壓電池內(nèi)阻等信息，同時(shí)根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行故障判定及報(bào)警。

【關(guān)鍵詞】直流屏；蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)；放大濾波

【Abstract】This paper completed the project design of DC panel battery fault detection system and hardware design， and gives the feasible scheme. Through the step method， each battery switch to a detection circuit. Pouring the AC signal with certain frequency into the battery， then the weak signal generated at both ends of the battery will through preamplifier， filter into the ADC0804 to carry on analog to digital signal conversion， realizes the on-line measurement of battery internal resistance. Using STC89C52 as the main control chip detection system to collect signal and process data. Through the display circuit to display information of each battery voltage battery internal resistance.At the same time， according to the results analysis， the detecting system can make fault judgments and fault alarm.

【Key words】Direct current panel； Internal resistance detection of storage battery； Amplifying and filtering

0 引言

現(xiàn)今為發(fā)電廠和變電站的控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷以及直流事故照明負(fù)荷等供電的是電力工程直流電源，簡(jiǎn)稱為直流屏。主要由蓄電池，充電模塊和監(jiān)控器三部分組成。它為發(fā)電廠和各種變電站中的信號(hào)設(shè)備、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明及斷路器分、合閘操作提供直流電源，并在外部交流電中斷的情況下，保證繼續(xù)提供可靠直流電源[1]。直流屏蓄電池作為電力系統(tǒng)交流停電時(shí)的后備電源，其可靠性和安全性直接影響到電力系統(tǒng)供電的可靠性和安全性。因此要保證電網(wǎng)正常運(yùn)行必須加強(qiáng)對(duì)直流屏蓄電池的檢測(cè)和維護(hù)[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述

整個(gè)硬件電路有以下單元組成：MCU主控制單元、電池檢測(cè)切換電路單元、檢測(cè)信號(hào)處理單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、繼電器驅(qū)動(dòng)電路單元。如圖1所示，系統(tǒng)采用模塊式集散結(jié)構(gòu)，能保證各單元功能的相對(duì)獨(dú)立性，主控單元與各功能單元采用光電隔離芯片隔離，避免單元故障在整個(gè)系統(tǒng)中擴(kuò)散，因而系統(tǒng)具有極高的可靠性[3]。主控芯片STC89C52是宏晶公司生產(chǎn)的一款低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)自帶8k bytes的在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器和512 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可直接使用串口下載程序。芯片兼容標(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，可適用于本次電池故障檢測(cè)任務(wù)。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電池電壓信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

由于電池檢測(cè)切換電路直接測(cè)得的U1、U2為弱信號(hào)，經(jīng)比例運(yùn)放濾波環(huán)節(jié)處理后送到ADC0804芯片才能保證測(cè)量靈敏度。我們采用AD620來(lái)處理輸入信號(hào)U1、U2，經(jīng)差分放大后的信號(hào)送到A/D。AD620為儀表放大器，放大器增益通過(guò)控制電阻RG控制[4]。

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選定A/D芯片ADC0804。該芯片內(nèi)部帶輸出數(shù)據(jù)鎖存器，轉(zhuǎn)換電路的輸出口能直接連到主控芯片的數(shù)據(jù)總線上，不用再附加邏輯接口電路。

ADC0804的兩個(gè)模擬信號(hào)輸入端，能接受單極性、雙極性和差摸輸入信號(hào)。STC89C52芯片通過(guò)P3.6口經(jīng)光電隔離控制啟動(dòng)ADC0804，同時(shí)ADC0804將轉(zhuǎn)換結(jié)束后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離送到STC89C52的P0口，完成電壓信號(hào)檢測(cè)。

2.3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)繼電器將電池逐個(gè)切換到信號(hào)注入和信號(hào)檢測(cè)電路。繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，STC89C52芯片P2口的控制信號(hào)通過(guò)光耦隔離后，由74LS145譯碼電路確定哪路繼電器的通斷，可順序檢測(cè)蓄電池內(nèi)阻和蓄電池電壓。

2.4 內(nèi)阻測(cè)量方法與測(cè)量電路設(shè)計(jì)

2.4.1 內(nèi)阻測(cè)量方法簡(jiǎn)介

通過(guò)交流注入法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，交流注入法存在易受諧波干擾，影響測(cè)量精度的弊端，在硬件電路中應(yīng)添加抗干擾設(shè)計(jì)部分，來(lái)提高穩(wěn)定性[5]。內(nèi)阻測(cè)量的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3中，R為阻值已知的參考電阻。交流信號(hào)發(fā)生器經(jīng)耦合驅(qū)動(dòng)電路向蓄電池中注入交流信號(hào)，交流信號(hào)頻率為1kHz。采樣電路分別將蓄電池兩端和參考電阻兩端的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，可以得到穩(wěn)定的幅值電壓[6]。因?yàn)樾铍姵嘏c參考電阻串聯(lián)，所以電流是相同的。如果蓄電池兩端的響應(yīng)電壓為U1，內(nèi)阻抗為Z，參考電阻R兩端得到的響應(yīng)電壓為U2，由歐姆定律可得：

2.4.2 內(nèi)阻測(cè)量硬件設(shè)計(jì)

（1）交流信號(hào)發(fā)生電路如圖4所示。交流信號(hào)發(fā)生器采用集成運(yùn)放TL082構(gòu)成文氏橋正弦波發(fā)生器[7]，其振蕩頻率為1kHz。

（2）耦合驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。利用音頻集成功放LM386芯片的三級(jí)放大電路，其輸入級(jí)為差分放大器能克服交流注入信號(hào)易受干擾的弱點(diǎn)，中間級(jí)有較高電壓增益，能為輸出級(jí)提供足夠的信號(hào)電壓，最后經(jīng)輸出級(jí)的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路輸出足夠大的功率。

（3）交流差分放大及濾波電路如圖6所示。經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路得到的電壓信號(hào)很微弱，需放大濾波后才能滿足下一級(jí)A/D處理電路的輸入要求。采用AD620儀表放大器以及帶通濾波器組成交流差分放大及濾波電路。

高性能的儀表放大器AD620的增益可以通過(guò)改變腳1和腳8之間的電阻RG值來(lái)調(diào)節(jié)。信號(hào)放大后，經(jīng)過(guò)帶通濾波器檢測(cè)出0.4-3kHz的帶通信號(hào)，送到乘法器的信號(hào)端[8]。采用高精度的運(yùn)放OP27實(shí)現(xiàn)直流放大電路的程控增益放大，放大器反饋電阻由模擬開(kāi)關(guān)CD4052來(lái)選擇，通過(guò)STC89C52智能選擇放大倍數(shù)，使信號(hào)保持在最佳A/D采集電壓的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹直流屏蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和檢測(cè)電路硬件電路，重點(diǎn)介紹了電壓測(cè)量電路和內(nèi)阻測(cè)量電路。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：本文論述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法測(cè)量電路可行有效。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭貴林，李金召.一種新型直流屏蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2005， 25（1）： 40-42.

[2]馬福州，楊順江，徐莉，等.分散式直流屏蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)[J].電工技術(shù)，2008： 69-70.

[3]黃發(fā)雷.一種實(shí)用的光電隔離式串行通信方案[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006：37-38.

[4]王樹(shù)振，單威，宋玲玲.AD620儀用放大器原理與應(yīng)用[J].微處理機(jī)，2008：38-40.

[5]劉登峰，邵天章.蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2011，35（3）：305-307.

[6]蔣京頤，趙忖，劉秀峰.蓄電池內(nèi)阻在線巡檢與譜分的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（18）：4496-4498

[7]周宦銀，房宗良，朱玲贊.文氏橋正弦波發(fā)生器的EWB 仿真研究[C]//第13屆中國(guó)系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2011.

[8]ANALOG DEVICES，AD620儀表放大芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].2006.

[責(zé)任編輯：曹明明]

2.4.2 內(nèi)阻測(cè)量硬件設(shè)計(jì)

（1）交流信號(hào)發(fā)生電路如圖4所示。交流信號(hào)發(fā)生器采用集成運(yùn)放TL082構(gòu)成文氏橋正弦波發(fā)生器[7]，其振蕩頻率為1kHz。

（2）耦合驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。利用音頻集成功放LM386芯片的三級(jí)放大電路，其輸入級(jí)為差分放大器能克服交流注入信號(hào)易受干擾的弱點(diǎn)，中間級(jí)有較高電壓增益，能為輸出級(jí)提供足夠的信號(hào)電壓，最后經(jīng)輸出級(jí)的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路輸出足夠大的功率。

（3）交流差分放大及濾波電路如圖6所示。經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路得到的電壓信號(hào)很微弱，需放大濾波后才能滿足下一級(jí)A/D處理電路的輸入要求。采用AD620儀表放大器以及帶通濾波器組成交流差分放大及濾波電路。

高性能的儀表放大器AD620的增益可以通過(guò)改變腳1和腳8之間的電阻RG值來(lái)調(diào)節(jié)。信號(hào)放大后，經(jīng)過(guò)帶通濾波器檢測(cè)出0.4-3kHz的帶通信號(hào)，送到乘法器的信號(hào)端[8]。采用高精度的運(yùn)放OP27實(shí)現(xiàn)直流放大電路的程控增益放大，放大器反饋電阻由模擬開(kāi)關(guān)CD4052來(lái)選擇，通過(guò)STC89C52智能選擇放大倍數(shù)，使信號(hào)保持在最佳A/D采集電壓的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹直流屏蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和檢測(cè)電路硬件電路，重點(diǎn)介紹了電壓測(cè)量電路和內(nèi)阻測(cè)量電路。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：本文論述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法測(cè)量電路可行有效。

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[6]蔣京頤，趙忖，劉秀峰.蓄電池內(nèi)阻在線巡檢與譜分的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（18）：4496-4498

[7]周宦銀，房宗良，朱玲贊.文氏橋正弦波發(fā)生器的EWB 仿真研究[C]//第13屆中國(guó)系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2011.

[8]ANALOG DEVICES，AD620儀表放大芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].2006.

[責(zé)任編輯：曹明明]

2.4.2 內(nèi)阻測(cè)量硬件設(shè)計(jì)

（1）交流信號(hào)發(fā)生電路如圖4所示。交流信號(hào)發(fā)生器采用集成運(yùn)放TL082構(gòu)成文氏橋正弦波發(fā)生器[7]，其振蕩頻率為1kHz。

（2）耦合驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。利用音頻集成功放LM386芯片的三級(jí)放大電路，其輸入級(jí)為差分放大器能克服交流注入信號(hào)易受干擾的弱點(diǎn)，中間級(jí)有較高電壓增益，能為輸出級(jí)提供足夠的信號(hào)電壓，最后經(jīng)輸出級(jí)的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路輸出足夠大的功率。

（3）交流差分放大及濾波電路如圖6所示。經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路得到的電壓信號(hào)很微弱，需放大濾波后才能滿足下一級(jí)A/D處理電路的輸入要求。采用AD620儀表放大器以及帶通濾波器組成交流差分放大及濾波電路。

高性能的儀表放大器AD620的增益可以通過(guò)改變腳1和腳8之間的電阻RG值來(lái)調(diào)節(jié)。信號(hào)放大后，經(jīng)過(guò)帶通濾波器檢測(cè)出0.4-3kHz的帶通信號(hào)，送到乘法器的信號(hào)端[8]。采用高精度的運(yùn)放OP27實(shí)現(xiàn)直流放大電路的程控增益放大，放大器反饋電阻由模擬開(kāi)關(guān)CD4052來(lái)選擇，通過(guò)STC89C52智能選擇放大倍數(shù)，使信號(hào)保持在最佳A/D采集電壓的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹直流屏蓄電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和檢測(cè)電路硬件電路，重點(diǎn)介紹了電壓測(cè)量電路和內(nèi)阻測(cè)量電路。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：本文論述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法測(cè)量電路可行有效。

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[6]蔣京頤，趙忖，劉秀峰.蓄電池內(nèi)阻在線巡檢與譜分的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（18）：4496-4498

[7]周宦銀，房宗良，朱玲贊.文氏橋正弦波發(fā)生器的EWB 仿真研究[C]//第13屆中國(guó)系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2011.

[8]ANALOG DEVICES，AD620儀表放大芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].2006.

[責(zé)任編輯：曹明明]