基于單片機(jī)的鎳鎘充電電池智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　?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)部隊(duì)、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。

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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，開始下一個(gè)管理周期。系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示。

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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、11 4 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。

　　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、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。

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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。

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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。

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圖5 電池電壓檢測(cè)電路

　　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。

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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， 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。

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