基于DS2438和Labview的鐵路UPS蓄電池監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柴愛(ài)平 緱文博

【摘要】針對(duì)當(dāng)前鐵路系統(tǒng)中大量使用的UPS蓄電池工作狀態(tài)不能合理監(jiān)測(cè)、無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)維護(hù)的問(wèn)題，研究了一種由單片機(jī)控制DS2438的蓄電池監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在線準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)蓄電池電壓、剩余電量等參數(shù)，放電維護(hù)狀態(tài)下對(duì)蓄電池健康狀態(tài)進(jìn)行判斷的功能。通過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)行蓄電池的放電實(shí)驗(yàn)，找到了合理的蓄電池放電深度數(shù)據(jù)值。實(shí)驗(yàn)表明，監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)提高了鐵路UPS蓄電池的使用壽命和運(yùn)行可靠性。

【關(guān)鍵詞】DS2438;Labview;蓄電池監(jiān)測(cè);剩余電量;放電深度

鐵路各站段機(jī)房中大量使用的UPS在鐵路安全運(yùn)行中起到了至關(guān)重要的作用，目前的UPS維護(hù)工作基本都是工人們依照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，因此主要存在以下問(wèn)題：UPS蓄電池的健康狀態(tài)無(wú)法準(zhǔn)確判斷;放電維護(hù)只是簡(jiǎn)單的通過(guò)蓄電池對(duì)電阻器件進(jìn)行大電流放電，放電深度無(wú)法控制，容易損害電池壽命;長(zhǎng)期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)表明，蓄電池放電深度一般選擇在60%有利于蓄電池健康運(yùn)行，這樣就需要在線式UPS蓄電池電量監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)對(duì)電池電量和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高放電維護(hù)過(guò)程中蓄電池的使用壽命，避免過(guò)于深度的放電對(duì)蓄電池造成的損害，保障了鐵路系統(tǒng)的安全。本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面介紹以DS2438為蓄電池?cái)?shù)據(jù)測(cè)量器，C8051F020單片機(jī)為控制核心的UPS蓄電池的在線監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)[1]。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由C8051F020單片機(jī)作為控制核心、LCD顯示電路、光電隔離電路以及由DS2438構(gòu)成的蓄電池參數(shù)采集電路組成[2]。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量板對(duì)蓄電池進(jìn)行電壓、電流以及剩余容量的監(jiān)測(cè)，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)傳給C8051F020單片機(jī)，放電維護(hù)過(guò)程中剩余容量達(dá)到60%，單片機(jī)控制繼電器斷開，結(jié)束維護(hù)過(guò)程。如果蓄電池工作過(guò)程中出現(xiàn)失效，電壓波動(dòng)，容量下降等問(wèn)題，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行報(bào)警，提示工作人員進(jìn)行蓄電池的更換。系統(tǒng)上位機(jī)由LabVIEW軟件開發(fā)制作，主要作用有顯示監(jiān)測(cè)過(guò)程中的參數(shù)，按日期記錄維護(hù)監(jiān)測(cè)信息，以便于對(duì)蓄電池進(jìn)行分析[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

1.1 微控制器

控制器采用C8051F020單片機(jī)，它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，便于用在多路控制系統(tǒng)中;具有高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS），12位100ksps的8通道ADC;帶PGA和模擬多路開關(guān)，8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān);包含雙12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式，64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，4352字節(jié)的片內(nèi)RAM;硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、I2C和兩個(gè)UART串行接口，5個(gè)通用的16位定時(shí)器片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等特點(diǎn)[4]。

設(shè)計(jì)中將單片機(jī)P0口作為L(zhǎng)CD顯示的數(shù)據(jù)接口;P1口實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描;系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行多路UPS放電維護(hù)時(shí)，用P2口控制各路繼電器電路;P3.0和P3.1口用作串口數(shù)據(jù)收發(fā)，P3.2和P3.3口作為DS2438接口;P4口與LCD控制端連接;P5口用來(lái)控制聲光報(bào)警電路。

1.2 DS2438智能電池監(jiān)視芯片

DS2438智能電池監(jiān)視芯片為電池組提供了很有價(jià)值的功能，它可用于標(biāo)識(shí)電池組的唯一序列號(hào)，直接數(shù)字化的溫度傳感器，具有可測(cè)量電池電壓和電流的A/D轉(zhuǎn)換器;集成電流累積器用于記錄進(jìn)入和流出電池的電流總量;具有一個(gè)經(jīng)歷時(shí)間紀(jì)錄器以及40字節(jié)的非易失EEPROM存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)重要的電池參數(shù)例如化學(xué)類型、電池容量、充電方式和組裝日期等。DS2438使用1-Wire接口發(fā)送和接收信息，所以中央微控制器和DS2438之間僅需1條連線（還有地線）。電池組僅需要三個(gè)輸出接頭：電池電源、地和1-Wire接口[5]。

1.3 蓄電池測(cè)量監(jiān)測(cè)電路

蓄電池測(cè)量監(jiān)測(cè)電路對(duì)UPS中每組3-5個(gè)蓄電池可以同時(shí)進(jìn)行剩余電量、溫度、電壓參數(shù)的測(cè)量，測(cè)量電路主要由電流傳感器LA28-NP、LM7805穩(wěn)壓器、監(jiān)測(cè)芯片DS2438、光電耦合器6N135構(gòu)成[6]，具體電路如圖2所示。

圖2 蓄電池測(cè)量監(jiān)測(cè)電路

圖3 蓄電池剩余容量與放電深度關(guān)系

系統(tǒng)進(jìn)行蓄電池電壓測(cè)量時(shí)，被測(cè)電壓在電阻上經(jīng)分壓、濾波后送入DS2438的VAD端，內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行變換后將數(shù)值存入存儲(chǔ)器中，便于單片機(jī)直接進(jìn)行讀取;采用霍爾式電流傳感器LA28-NP對(duì)蓄電池放電電流進(jìn)行變換后，送入DS2438中對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量[4]。LA28-NP電流傳感器的原邊電流在5～25A范圍內(nèi)有5種選擇方式，通過(guò)電流設(shè)定后可將電流變換至25mA范圍內(nèi);電池剩余電量的測(cè)量通過(guò)計(jì)算電流流入流出電池的差值而得到[7]。DS2438芯片為在測(cè)量UPS蓄電池放電維護(hù)過(guò)程剩余電量使用了一個(gè)集成電流累加器ICA，ICA作為負(fù)責(zé)累計(jì)電池組投入使用后的全部流入和流出電池電流的寄存器，其計(jì)算值可表征為電池剩余容量[8]。

2.剩余容量實(shí)驗(yàn)

在選擇蓄電池的維護(hù)放電深度時(shí)，選取5個(gè)同型號(hào)的蓄電池（蓄電池容量、電壓都相同），在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)相同的阻性負(fù)載進(jìn)行放電，選取不同的放電深度（分別為20%、50%、60%、70%、80%），每次放電記錄蓄電池容量數(shù)值。通過(guò)23個(gè)月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)放電維護(hù)時(shí)選擇剩余容量為60%時(shí)，蓄電池的健康狀態(tài)良好，使用壽命最長(zhǎng)[9]，實(shí)驗(yàn)測(cè)得曲線如圖3所示。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序主要分為系統(tǒng)控制程序、電池參數(shù)測(cè)量程序、繼電器驅(qū)動(dòng)程序、LCD顯示程序、串口通信程序等。監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)將測(cè)得的VRLA蓄電池參數(shù)傳給單片機(jī)，當(dāng)剩余容量小于60%時(shí)，控制程序使繼電器斷開，維護(hù)過(guò)程結(jié)束。當(dāng)蓄電池使用或維護(hù)中電流、電壓、溫度等參數(shù)超過(guò)安全范圍時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警。程序流程圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)控制程序流程圖

3.2 LabVIEW上位機(jī)程序

LabVIEW是一種圖形化的程序開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)方法類似于C和BASIC語(yǔ)言，具有模塊化程度高，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方便，易于工業(yè)控制軟件的開發(fā)。監(jiān)測(cè)維護(hù)信息管理軟件通過(guò)接收單片機(jī)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，主要記錄了每次維護(hù)UPS蓄電池的時(shí)間、蓄電池狀態(tài)、蓄電池維護(hù)放電量等，方便管理人員實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和信息分析[10]。系統(tǒng)管理界面如圖5所示。

圖5 LabVIEW上位機(jī)管理軟件界面

4.結(jié)論

監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了UPS蓄電池的在線監(jiān)測(cè)功能，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可以對(duì)蓄電池在自動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行放電維護(hù)，提高了工作效率。當(dāng)蓄電池出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)有效的延長(zhǎng)UPS蓄電池的使用壽命，確保了鐵路系統(tǒng)的安全可靠性，節(jié)約了資源。系統(tǒng)有成本低，誤差小，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)效果好的特點(diǎn)，在鐵路系統(tǒng)中有一定的實(shí)用價(jià)值。

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