鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1161次 | 2019年11月12日
基于單片機(jī)的鎳鎘充電電池智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
鎳鎘充電電池作為一種堿性電池,對(duì)使用、管理和維護(hù)有特殊要求,如果管理不善、使用不當(dāng)、維護(hù)不及時(shí),很容易導(dǎo)致電池老化、失效甚至報(bào)廢。針對(duì)特種、廠礦大量使用并集中存放的不同種類鎳鎘充電電池,運(yùn)用單片微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù),設(shè)計(jì)了電池智能管理系統(tǒng),對(duì)鎳鎘充電電池進(jìn)行狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)、充放電管理、性能維護(hù)等智能化管理。
通過(guò)對(duì)鎳鎘充電電池的自動(dòng)管理,有效消除鎳鎘充電電池使用管理上的盲目性和隨意性,提高鎳鎘充電電池的使用效能,延長(zhǎng)鎳鎘充電電池的使用壽命。
鎳鎘充電電池對(duì)使用、管理和維護(hù)的特殊要求主要表現(xiàn)在:1)要求在適宜的溫度條件和非酸性環(huán)境下存放;2)電池長(zhǎng)期存放時(shí)應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù),新電池啟用前要進(jìn)行初始容量恢復(fù);3)性能差異較大的單體電池不能同組使用或同組充電,報(bào)廢電池(或故障電池)不能與堪用電池混用;4)電池充電前應(yīng)該先對(duì)其放電至終止電壓,以消除鎳鎘充電電池可能產(chǎn)生的“記憶效應(yīng)”,并且要避免對(duì)電池過(guò)充、過(guò)放;5)盡量采用脈沖充電方式,以提高電池的充電效率,延長(zhǎng)電池的使用壽命。
設(shè)計(jì)制作的鎳鎘充電電池智能管理系統(tǒng),通過(guò)對(duì)電池的集中存放和自動(dòng)充放電管理,可以滿足鎳鎘充電電池對(duì)使用、管理和維護(hù)的特殊要求。
1系統(tǒng)作用及功能
鎳鎘充電電池智能管理系統(tǒng),用于對(duì)大量使用并集中存放的鎳鎘充電電池進(jìn)行智能化管理。主要完成電池存放、電池自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)充放電管理、電池維護(hù)和初始容量恢復(fù)、電池故障檢測(cè)及指示報(bào)警、電池極性反接指示報(bào)警、電池空載指示和溫度控制等功能。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。
圖1系統(tǒng)功能框圖
2系統(tǒng)組成及原理
系統(tǒng)由控制模塊、電池檢測(cè)模塊、充放電模塊、電池切換模塊、溫度控制模塊、電池存放模塊和電源模塊組成。其中,控制模塊由單片機(jī)及外圍電路組成,用于實(shí)現(xiàn)充放電控制、電池切換控制、溫度控制、電池檢測(cè)和指示控制;充放電模塊由充放電電路組成,用于實(shí)現(xiàn)充電電池的充電和放電;切換模塊由繼電器及其控制驅(qū)動(dòng)電路組成,用于實(shí)現(xiàn)電池單體間的自動(dòng)切換或手動(dòng)切換。溫度控制模塊由溫度傳感器、軸流風(fēng)扇及控制電路組成,用于對(duì)電池存放環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。系統(tǒng)開(kāi)始工作并通過(guò)自檢后,先對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),剔除故障電池并糾正反接電池,然后進(jìn)入電池管理階段,按順序?qū)﹄姵貑误w進(jìn)行充電和放電。一個(gè)管理周期結(jié)束后,系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)后,開(kāi)始下一個(gè)管理周期。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
圖2系統(tǒng)原理框圖
3硬件設(shè)計(jì)
3.1控制模塊設(shè)計(jì)
選擇AT89S52單片機(jī)作為控制單元。單片機(jī)的p0口用于數(shù)碼顯示與鍵盤掃描。其中p0.0~p0.3用于輸出與電池編碼對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù),并經(jīng)74LS248轉(zhuǎn)換后形成7段碼后,送到數(shù)碼管顯示。p0.3、p0.4受計(jì)時(shí)器T0控制,循環(huán)輸出00、01、10、114個(gè)2位二進(jìn)制數(shù),并經(jīng)譯碼器74LS139譯碼后,作為掃描信號(hào),對(duì)數(shù)碼管和矩陣鍵盤同時(shí)進(jìn)行掃描。p0.5、p0.6用于對(duì)2×4矩陣鍵盤各按鍵狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。p1口用于連續(xù)輸出8位二進(jìn)制數(shù),并經(jīng)兩級(jí)譯碼器74LS154進(jìn)行級(jí)聯(lián)譯碼后,最多可輸出256路控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)依次對(duì)256個(gè)電池單體進(jìn)行自動(dòng)切換控制。p2口用于對(duì)充電電池狀態(tài)(空載、故障、充電滿、放電完)進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)電池充電和放電進(jìn)行控制。p3口主要用于電池狀態(tài)(空載、充滿、故障、反接)監(jiān)測(cè)、指示和報(bào)警。電池切換模塊設(shè)計(jì)#e#
3.2電池切換模塊設(shè)計(jì)
電池切換模塊由驅(qū)動(dòng)電路和繼電器組成的切換電路陣列組成。其中,每個(gè)切換電路單元對(duì)應(yīng)一個(gè)電池單體。驅(qū)動(dòng)電路主要由反向器74LS04和三極管S9013組成,受p1口輸出的控制信號(hào)控制,對(duì)繼電器的開(kāi)、閉狀態(tài)進(jìn)行控制。采用可同時(shí)轉(zhuǎn)換兩路信號(hào)的雙觸電繼電器4137,實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電回路和電池狀態(tài)檢測(cè)回路同時(shí)進(jìn)行切換。利用外部中斷INT1的中斷控制功能,并通過(guò)單片機(jī)的p3.6對(duì)兩個(gè)切換按鍵狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)判斷,同時(shí)利用“上移”和“下移”按鍵,實(shí)現(xiàn)電池單體間的手工切換。電池單體間的切換單元電路如圖3所示。
圖3電池切換單元電路
3.3充放電模塊設(shè)計(jì)
充放電模塊由充電電路、放電電路和充放電控制電路組成。由單片機(jī)輸出的充電或放電控制信號(hào)分別控制充電或放電電路對(duì)電池進(jìn)行充電或放電。電池充放電電路如圖4所示。
圖4電池充放電電路
3.4電壓檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
電壓檢測(cè)模塊由三端穩(wěn)壓電路、分壓電路和比較電路組成。三端穩(wěn)壓電路由LM317及其外圍電路組成,其輸出的電壓經(jīng)分壓電路分壓后,作為基準(zhǔn)電壓,分別送到由LM339組成的比較器的一端,從電池正極采集的電壓送到比較器電路的另一端,從各比較器的輸出的電平狀態(tài),可對(duì)當(dāng)前電池的電量情況及放置狀態(tài)進(jìn)行判斷。這些狀態(tài)信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào),再送回單片機(jī),由單片機(jī)控制充放電電路工作,并對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行指示。電池電壓檢測(cè)電路如圖5所示。
圖5電池電壓檢測(cè)電路軟件設(shè)計(jì)#e#
4軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件由監(jiān)控程序、自動(dòng)管理程序、系統(tǒng)自檢子程序、電池檢測(cè)子程序、手工切換中斷子程序、按鍵及數(shù)碼管掃描子程序等組成。系統(tǒng)開(kāi)始工作后,首先調(diào)用系統(tǒng)自檢子程序,若系統(tǒng)或某個(gè)模塊工作不正常,系統(tǒng)在發(fā)出報(bào)警聲的同時(shí),數(shù)碼管閃爍顯示故障模塊代碼。若系統(tǒng)及各模塊均工作正常,則系統(tǒng)調(diào)用電池檢測(cè)子程序,對(duì)系統(tǒng)各電池單體的故障、反接以及空載情況進(jìn)行檢查判斷,并同步顯示所檢測(cè)電池單體的位置代碼,對(duì)檢測(cè)到的故障電池和反接電池進(jìn)行指示報(bào)警。等所有電池檢測(cè)完畢,系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入電池自動(dòng)管理程序,對(duì)電池進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)充放電管理。在自動(dòng)管理程序中,系統(tǒng)先對(duì)電池進(jìn)行放電,放電到終止電壓后再進(jìn)行充電。同時(shí)在充電的過(guò)程中,利用軟件延時(shí),使鎳鎘充電電池在充電間隙進(jìn)行短暫放電,從而以脈沖充電方式,有效地提高電池充電效率,最大限度地消除鎳鎘充電電池可能出現(xiàn)的極化現(xiàn)象。系統(tǒng)工作流程圖如圖6所示。
圖6系統(tǒng)工作流程圖
5其他功能
5.1溫度控制
鎳鎘充電電池對(duì)存放環(huán)境溫度有一定要求,所以系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了溫度控制模塊,對(duì)電池所處環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。溫度控制模塊由溫度傳感器[7]、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、繼電器及控制電路和軸流風(fēng)扇等組成,當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)置的上限溫度時(shí),由單片機(jī)控制繼電器閉合,進(jìn)而控制軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng),為電池存放環(huán)境通風(fēng)降溫。環(huán)境溫度到達(dá)合適溫度后,單片機(jī)控制繼電器斷開(kāi),軸流風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣,保證電池存放環(huán)境溫度始終保持在合適的范圍內(nèi)。
5.2電池維護(hù)
對(duì)新啟用的鎳鎘充電電池或產(chǎn)生極化現(xiàn)象的鎳鎘充電電池,一般要進(jìn)行充放電維護(hù),主要對(duì)電池進(jìn)行初始容量恢復(fù)和效能激活。維護(hù)方法是,對(duì)電池連續(xù)進(jìn)行3次深度放電和充電。由于系統(tǒng)一旦啟動(dòng),并經(jīng)過(guò)電池檢測(cè)后,會(huì)一直處于電池自動(dòng)管理狀態(tài),如果需要對(duì)某個(gè)電池進(jìn)行維護(hù),可通過(guò)操作“上移”和“下移”按鍵,控制系統(tǒng)切換到需要維護(hù)的電池,然后按下“維護(hù)”按鈕,系統(tǒng)會(huì)中斷自動(dòng)管理,進(jìn)入電池維護(hù)程序。維護(hù)結(jié)束后,系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)管理。
6結(jié)論
首先,系統(tǒng)為集中放置并統(tǒng)一管理的鎳鎘充電電池提供了一個(gè)空間獨(dú)立、溫度恒定的存放環(huán)境,消除了酸性、高溫等不利因素對(duì)鎳鎘充電電池可能產(chǎn)生的不良影響。其次,電池充放電管理和維護(hù)過(guò)程中采用脈沖充放電方式,不僅提高了電池的充放電效率,而且可以保持或恢復(fù)鎳鎘充電電池的性能。第三,系統(tǒng)采用先放電、后充電的方式進(jìn)行充放電管理,可以消除鎳鎘充電電池可能產(chǎn)生的“記憶效應(yīng)”,提高充電電池的使用效能。第四,對(duì)電池充電終止和放電終止電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制,避免了電池過(guò)充、過(guò)放,可延長(zhǎng)鎳鎘充電電池的使用壽命。第五,采用先檢測(cè)、后管理和單體充放電的運(yùn)行模式,杜絕了性能差異較大的單體鎳鎘充電電池同組使用或同組充電問(wèn)題的發(fā)生。