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蓄电池无线监测系统设计
作者：胡杰 王凯 王亚刚
来源：《软件导刊》2018年第02期
摘 要：为提高供电系统的可靠性，越来越多的场合使用蓄电池来提供不间断的电源供应，以蓄电池无线监测系统设计及蓄电池组的容量预测为主要研究内容，设计出一种基于AT89C51处理器的无线监测系统，同时介绍了系统的硬件结构和软件设计，实现了对单体电池的端电压、内阻、表面温度等主要参数的实时监测，并可对蓄电池组的剩余容量进行预测，从而及时发现性能下降的单体电池，避免影响蓄电池组中其他单体电池，可以延长蓄电池组的使用寿命，提高系统的可靠性；GPRS网络与远程监控中心通讯，能快速地打包上传蓄电池组的运行数据，以供人们查询或决策参考。
关键词：蓄电池组；AT89C51；无线监测；剩余容量 DOIDOI：10.11907/rjdk.172872 中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）002-0093-03 0 引言
随着电力电子技术的飞速发展，用户对用电质量的要求也越来越高，要求供电设备能够提供不间断供电，即在供电中断后也能提供电力供应给用户。为防止电力异常导致的服务中断，不间断电源（UPS）应运而生。阀控式密封铅酸蓄（VRLA）电池主要应用于电力储能系统中的微电网、不间断电源系统、电动汽车等领域[1]。VRLA电池采用了阴极吸收技术，可免除补加水维护，被称为“免维护”电池，却在很大程度上误导了用户的正确使用，需要做一些维护工作延长VRLA电池的使用寿命。蓄电池监测系统基于GPRS的无线网络实现远程数据传输，便于用户通过监控中心PC机或手机进行实时监测。 1 蓄电池监测技术研究现状 1.1 单体电池的电压监测
测量电池组中串联在一起的单体电池的电压至关重要，因为电池正常是处于浮充状态，系统只能浮充电压超常或性能很低的电池，而无法监测到浮充电压变化不明显的电池。 1.2 蓄电池组的容量监测
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估算蓄电池的剩余容量，即荷电状态（State of Charge， SOC），可以减少对蓄电池的损害，延长蓄电池的使用寿命[2]。蓄电池SOC的影响因素主要有：充放电倍率、温度和循环使用次数[3]。蓄电池SOC的估计方法[4]主要如下：电动势法比较实用，但其精度依赖于电动势预测的模型，需要长时间静置，不能在线估计。安时积分法[5]最为常用，可以在线测量，只适用于在初始放电状态已知的情况下。神经网络法[6]通常与模糊控制法相结合来估算SOC，神经网络法适合处理估算蓄电池SOC这种非线性问题，能实时在线预测，但需要全面精确的参考数据来训练该模型，所以建立系统模型十分困难。 1.3 蓄电池的内阻监测
交流注入法测量蓄电池内阻时，将一个正弦交流小电流信号注入电池的两端，测出其两端电压，由此计算出蓄电池的内阻，此方法不需要放电，不会对蓄电池的性能造成影响[7]。 1.4 温度监测
蓄电池内部将化学能转化为电能，电池内部温度对其性能影响很大，在充放电过程中，蓄电池内部会出现“氧循环”现象，产生的额外热量会使蓄电池内部温度上升，封闭性好使得测量蓄电池的内部温度较为困难。所以，一般只监测蓄电池的外表面温度和环境温度 [8]。 2 系统总体设计
系统总体结构如图1所示。监测节点测量到数据，并通过GPRS网络发送，监控中心通过组态王架设，组态王内嵌Web服务器和高性能数据库，采用B/S架构模式，数据库与监控中心双向传输，用来存储和管理数据，支持GPRS通讯，方便监控用户随时随地通过手机或在监控中心连接Internet访问Web服务器，以访问网页方式浏览、监控蓄电池的数据。 3 系统硬件设计
通过电压测量电路、温度传感器采样电路和内阻测量电路分别采样蓄电池的端电压、表面温度以及内阻这3个参数，蓄电池无线监测系统结构如图2所示。 3.1 电压测量电路设计
对蓄电池端电压的测量需要用到AD转换器，本文选用A/D转换芯片ADC0809。因为蓄电池端电压范围和ADC转换电压范围不同，为了将待测电压信号转换到ADC的量程内，采用电阻分压电路[9]，如图3所示，选用两个精密电阻接入到蓄电池两端，然后从这两个电阻之间去除分压后的信号，通过改变这两个分压电阻的阻值，就可以测量出蓄电池的端电压。 在测量蓄电池的端电压时，为了避免现场的各种干扰信号引入到单片机控制系统，需要对被测信号与控制系统之间进行良好的线性隔离，采用高线性度的模拟光电耦合器件
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HCNR201[10]隔离模拟信号，稳定性好、高带宽和成本低，光耦隔离电路的输入信号是经过分压后的端电压信号，隔离后的信号经过ADC0809转换成数字信号传送给AT89C51。 3.2 温度传感器电路设计
蓄电池在一定温度下容量最大化，选用温度传感器DS18B20[10]测量蓄电池的表面温度，DS18B20单总线数字温度传感器集温度测量和A/D转换于一体，简单、精度高、连接方便、占用口线少。温度测量范围为-55～125℃，出厂默认设置为12位分辨率。 3.3 内阻测量电路设计
内阻是衡量蓄电池容量的一个重要参数，内阻测量方法主要是直流测量法和交流测量法，直流法存在着要求离线测量、容易损坏电池等不足，不适宜在线测量的需求。选用交流法测量蓄电池内阻可以实时在线测量，不需要离线接负载放电测量，测量蓄电池内阻的原理是将正弦电流或者电压信号作为激励加载到蓄电池两端，通过测量电池的响应信号计算内阻。 3.4 无线通信电路设计
GPRS无线网络传输技术用来远程传输数据，可以充分克服布线繁琐、维护困难等问题，尤其方便用户使用手机或PC机就可以远程监控蓄电池的状态。选用USR-GM3作为GPRS模块，通过RS232总线与单片机AT89C51相连接，可实现串口到网络的双向数据传输。 4 系统软件设计
蓄电池状态采集包括采集电压、温度和内阻的状态数据，并对数据进行处理分析。GPRS数据传输是接收监测节点采集的数据并发送给监控中心，另外，监控人员需要维护电池时，GPRS接收监控中心传来的指令并发送给终端节点执行。 4.1 蓄电池参数采集软件设计
蓄电池组长时间处于浮充状态，内阻变化很缓慢，因此不宜频繁对内阻采集监测，由上位机发送指令给终端节点，采集单元才开始工作。当上位机接收到传过来的内阻值，就可以得到相应蓄电池的容量值。蓄电池参数采集软件流程如图4所示[11]。 4.2 GPRS数据发送与接收软件设计
GPRS是通用分组无线业务的简称，GPRS模块选用USR-GM3，采用HTTPD Client模式将数据传送给HTTP服务器端，或者从HTTP服务器端获取数据，数据以Http方式发送给Web服务器。GPRS模块将数据发送到GPRS无线网络中，再通过Internet传送给监控中心，用户通过在监测软件的用户界面上观察采集到的数据，并可以发送指令给GPRS模块，对蓄电