蓄電池巡檢儀硬件電路設(shè)計(jì)

1、蓄電池巡檢儀硬件電路設(shè)計(jì)1摘 要在各個(gè)大型電站或其他行業(yè)之中，直流電源屏和UPS電源系統(tǒng)對(duì)維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定 性有著十分重要的意義。而及時(shí)的發(fā)現(xiàn)失效電池對(duì)保持直流電源屏的正常工作起著關(guān)鍵的 作用。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)論文主要是使用MCS-51系列單片機(jī)中的一種AT89C4051對(duì)蓄電池巡檢 儀的硬件電路和軟件編制做出初步的設(shè)計(jì).本次設(shè)計(jì)采用AT89C4051作為CPU,輔以三態(tài)緩沖器74HC244來讀取并儲(chǔ)存蒂電池組 的站號(hào)，通過對(duì)電池不斷的測(cè)量，如果上位機(jī)的發(fā)出的站號(hào)與電池的站號(hào)一致，那么測(cè)量 值就可以發(fā)向上位機(jī)。而蓄電池的模擬信號(hào)的采集主要通過TLC549 A/D轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)通過光藕隔離

2、和上位機(jī)通訊，在一定的召喚和應(yīng)答規(guī)約之下通過RS485通訊端口便可 以與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)或與其他網(wǎng)絡(luò)相連實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測(cè)的功能。本篇論文采用PR0TEL99軟件來實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)，軟件采用C語言編程。關(guān)鍵詞：三態(tài)緩沖，數(shù)模轉(zhuǎn)換，異步通訊，規(guī)約AbstractThe DC Power Supply and Uninterruptable Power System often play a key role in maintaining the safety of large electrical equipment in Power Plant or other Transmission Subst

3、ation. So Detecting the Batteries, which are in bad working condition, immediately seems very meaningful and so often is.This thesis mainly concentrates on the application of one kind of chip* AT89C4051 in MCS-51 family. In my thesis, I use the At89c4051 to design the theoretic map of measuring hard

4、ware and peripheries Meanwhile, I further the discussion of software with C programmable languageIn my thesis, I choose At89c4051 as the Centwl Process Unit accompany with TriState Buffer 74HC244 which is used to collect the code of the battery. In most of occasion, the upper control computer send t

5、he code of the battery in order to select the battery which we want to measure, at the same time, the measuring part could receive the signa1 If the code accord exactly withprotocol which is made by us, the measuring part start to upload the measuring result to the upper control computer In this sit

6、uation we use SerialInterface (RS485) to communicate with optical-Segregation in order to carryThis thesis use Protel 99 as main design and C programmable language toInterface (RS485) to communicate with optical-Segregation in order to carryThis thesis use Protel 99 as main design and C programmable

7、 language toremote control unit or other PC through out the Long Distance Measurementdesigning tool to achieve hardware accomplish software designA/D ConverterKeywords:TriState BufferA/D ConverterAsynchronous Communication Protocol2第一章槪述第一節(jié)：蓄電池在電力行業(yè)中的運(yùn)用直流操作電源系統(tǒng)是變電站、發(fā)電廠不可缺少的二次設(shè)備。該系統(tǒng)由整流電源和蓄電 池組組成。在正常情

8、況下，整流電源為變電站、發(fā)電廠內(nèi)直流設(shè)備供電，同時(shí)給蓄電池組 充電，保證蓄電池處于滿容狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生交流停電時(shí)，蓄電池組放電，保證直流設(shè)備不會(huì) 停電。目前在電力系統(tǒng)廣泛使用的是閥控式密封鉛酸蓄電池。隨著變電站等級(jí)的提高，蓄 電池的容量呈遞增狀態(tài)，而蓄電池的費(fèi)用也呈遞增曲線。尤其是SOOkV變電站及發(fā)電廠用 的直流操作電源系統(tǒng)，蓄電池組在整套設(shè)備的費(fèi)用比重會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大丁 -整流電源所占費(fèi)用比重。 因此蓄電池的維護(hù)成為非常重要的問題。測(cè)量蓄電池品質(zhì)最直觀的辦法就是測(cè)量蓄電池的端電壓，其能直接反映蓄電池的過充 和欠充。為了及時(shí)得到每節(jié)蓄電池的情況，并11減少維護(hù)的工作量（目前電力系統(tǒng)正在大 力推行變電站無

9、人值守），在較為重耍的變電站，特別是llOkV以上等級(jí)的變電站及發(fā)電 廠的直流操作電源系統(tǒng)中大多要求配置蓄電池檢測(cè)裝置。閥控式密封鉛酸蓄電池以2V為基本單元，大容量的蓄電池均采用2V/節(jié)，小容量的為 內(nèi)部6個(gè)單元串聯(lián)，構(gòu)成12V/節(jié)，也有些較少的品牌采用6V/節(jié)。我國(guó)變電站內(nèi)部直流設(shè) 備通常為220V/U0V, 220V的直流操作電源需配置18/19節(jié)12V蓄電池或103108節(jié)2V 蓄電池，110V的直流操作電源以次類推。蒂電池頭尾串聯(lián)，最后與整流器的輸出并聯(lián)。通信電源系統(tǒng)與直流操作電源系統(tǒng)類型相似，也是由整流器和蓄電池組組成，只是其 輸出電壓為-48V （其正端與大地相連）,對(duì)應(yīng)輸出電圧，

10、蓄電池組由4節(jié)12V或24節(jié)2V 蓄電池串聯(lián)而成。對(duì)于重要的系統(tǒng)，特別是無人值守的通信基站，為蓄電池組配置蓄電池 測(cè)試儀也成為一種趨勢(shì)。第二節(jié)：傳統(tǒng)的蓄電池巡檢儀為檢測(cè)單節(jié)蓄電池電壓，要在蓄電池兩極引出采樣線。例如：18節(jié)蓄電池一一串聯(lián)組 成蓄電池組，則要引出19根采樣線；若是108節(jié)蓄電池組成蓄電池組，則需要109根采 樣線。目前應(yīng)用比較普及的蓄電池測(cè)試儀采用巡檢方式，通過端子接入采樣線，如下圖所 Zjo采樣線 端子蓄電池測(cè)試儀+整流器- 3蓄電池測(cè)試儀內(nèi)部單片機(jī)控制繼電器逐一切換，將每節(jié)電池分別與單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)共 地相連，從而測(cè)得單節(jié)蓄電池端電壓。蓄電池測(cè)試儀通過串行通訊口將數(shù)據(jù)傳至直流操

11、作 電源微機(jī)監(jiān)控裝置，便丁操作人員觀察、記錄，還可與直流操作電源系統(tǒng)其它信息一起再 傳給變電站綜合自動(dòng)化后臺(tái)裝置，直至電力系統(tǒng)主站。采用巡檢方式的蓄電池測(cè)試儀的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低廉，但缺點(diǎn)也很明顯，主要有以下兒點(diǎn):1）現(xiàn)場(chǎng)連接線太多，尤其是采用2V蓄電池時(shí)，要連接大量的采樣線：2）連接釆樣線有一定危險(xiǎn)性。由丁采樣線是通過端子接入單片機(jī)系統(tǒng)，而考慮到體 積和成本，相鄰接線點(diǎn)距離很近：蓄電池采樣線是帶電作業(yè)，連接蓄電池具有一定危險(xiǎn) 性，而長(zhǎng)距離連接蓄電池采樣線，尤其是采樣線數(shù)量較多，不易分辨其順序，不但操作任 務(wù)較重，發(fā)生事故的機(jī)率也高；3）可靠性低。蓄電池測(cè)試儀從直流母線上取電作為裝置輸入電源，若受到

12、強(qiáng)電干擾,有可能造成某一時(shí)刻一節(jié)以上繼電器動(dòng)作，則蓄電池會(huì)通過采樣線形成短路：564）壽命受采樣頻率影響。目前較好品牌的繼電器的切換次數(shù)多為1010次，若切頻率較高，會(huì)影響繼電器進(jìn)而整個(gè)裝置的使用壽命，因此采用巡檢方式的蓄電池測(cè)試 儀均以加大繼電器切換時(shí)間來延長(zhǎng)裝置壽命，但這樣會(huì)造成數(shù)據(jù)更新周期偏長(zhǎng)。第三節(jié)：新型蓄電池巡檢儀新型蓄電池智能測(cè)試裝置由若干測(cè)試單元組成，工作時(shí)每節(jié)蓄電池配置一塊測(cè)試單元, 測(cè)試單元內(nèi)置單片機(jī)，以單節(jié)蓄電池作為其電源輸入，通過電路將醤電池電圧變換成單片 機(jī)匸作電壓，同時(shí)單片機(jī)通過口帶的AD測(cè)試出蓄電池端電壓。測(cè)試單元通過跳線對(duì)應(yīng)唯 一通訊站號(hào)，上位機(jī)通過隔離的485總

13、線，帶站號(hào)分別召喚每個(gè)測(cè)試單元，獲得每個(gè)蓄電 池的端電壓數(shù)據(jù)。根據(jù)鉛酸蓄電池的電圧級(jí)別，測(cè)試單元分為2V和12V兩種。兩者原理基本一致，2V 的測(cè)試單元要通過升壓電路，將蓄電池端電圧升到單片機(jī)的工作電圧；而12V的測(cè)試單元 則通過降壓電路，將蓄電池端電壓降到單片機(jī)的工作電壓。與傳統(tǒng)的蓄電池巡檢裝置相比：新型蓄電池智能測(cè)試裝置有以下兒個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）其測(cè)試單元尺寸很小，并II以每節(jié)蓄電池端電圧作為其輸入電源，因此可就近連 線，甚至置于蓄電池表面。與蓄電池一一對(duì)應(yīng)，連接線的危險(xiǎn)性大大降低，只要注意正負(fù) 即可；2）根據(jù)蓄電池節(jié)數(shù)配置測(cè)試單元，通用于直流操作電源和通信電源。目前直流電源 系統(tǒng)，包括直流操作

14、電源和通信電源均配置微機(jī)監(jiān)控裝置，其裝置也多配有RS483通訊 口，若其使用合適的RS485驅(qū)動(dòng)芯片，最多可支持256個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，則測(cè)試單元可直接作 為若干通訊節(jié)點(diǎn)接入該通訊口的485總線，單節(jié)蓄電池端電壓數(shù)據(jù)直接進(jìn)入上一級(jí)監(jiān)控裝 置，進(jìn)一步節(jié)省資源；3）由于不采用繼電器切換方式，不但使用壽命長(zhǎng)，而且每個(gè)測(cè)試單元同時(shí)工作，數(shù) 據(jù)更新速率取決于上位機(jī)召喚頻率，數(shù)據(jù)刷新率大幅度提高。4）測(cè)試單元通過端子上483總線，與上位機(jī)只有兩根通訊線相連，取代了傳統(tǒng)蓄電巡檢裝置的大量采樣長(zhǎng)線，現(xiàn)場(chǎng)清爽，走線方便，如下圖所示;A B測(cè)試單元測(cè)試單元測(cè)試單元測(cè)試單元485總線 上位機(jī)系統(tǒng)+整流 器-本次設(shè)計(jì)主要以

15、ATMEL公司的AT89C4051為CPU,輔以74HC244, TLC549, MAX756等 芯片來實(shí)現(xiàn)針對(duì)2V蓄電池的蓄電池測(cè)試單元的測(cè)量以及通訊。下面的章節(jié)將會(huì)對(duì)各種芯片結(jié)構(gòu)和原理，和碩件電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行分別詳細(xì)闡述。第二章硬件電路的核心芯片第一節(jié)ATMEL 系列的 AT89C4051AT89C4051 是一種 8 位的，4K FLASH 閃存，128BIT RAM 的 CPU基本特征2)具有MCS-51系列產(chǎn)品的基本功能3) 2. 7V-6V的工作電壓4)雙基準(zhǔn)內(nèi)存鎖存器3) 15根可編程的I/O線6) 6個(gè)中斷源7)直接LED的輸出驅(qū)動(dòng) 8)低功率閑置和功率關(guān)閉模式9) 4K可重復(fù)編

16、程的閃存10)全靜態(tài)操作頻率0- 24MHz 11)128?8 位的 RAM2個(gè)16位計(jì)數(shù)器和定時(shí)器可編程的串行通信異步收發(fā)通道14) On-Chip模擬比較器基本描述AT89C4051有4K字節(jié)的閃存(可編程可擦除只讀內(nèi)存EPROM)的低電壓高效運(yùn)行的8 位微處理器。這個(gè)設(shè)備通過使用AMTEL的非易失的內(nèi)存技術(shù)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與MCS-51兼容。 我們通過比較通用的8位CPU和單片集成電路中的閃存可以知道。對(duì)丁許多的恢入式控制 系統(tǒng)來說，ATMEL的AT89C4051具有更高的靈活性和高效性。AT89C4051提供下述標(biāo)準(zhǔn)特征：1) 4K字節(jié)的FLASH閃存2) 128字節(jié)的RAM 3) 15根

17、I/O線4)兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5) 一個(gè)5矢量雙水半的中斷系統(tǒng)6) 一個(gè)雙向串 行通道7) 一個(gè)精度模擬比較器8)芯片中的震蕩器和時(shí)間電路。此外AT89C4051零頻率 狀態(tài)下5運(yùn)行的靜態(tài)邏輯并提供兩個(gè)軟件節(jié)能模式以供使用。Idle Mode閑置方式使CPU停止 工作，但允許RAM，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，串行接口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。Power Down Mode會(huì) 保存RAM中的內(nèi)容，但使震蕩器停止工作，并11終止芯片其他功能直至重啟。如圖-2所 示基本管腳一）管腳的基本功能VCC：供電電源GND：接地Portl：端口一是八位雙向I/O 口。Pl. 2-P1. 7端口提供上拉。而P1.0-P

18、1. 1需要外 部上拉。Pl. 0-P1. 1常常作為正向輸入和反向輸入，這兩個(gè)輸入分別在芯片中的精度比較 模擬器。端口 1輸出緩沖能下降20MA,并IL可以直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。端口 1置1,它變 為輸入，當(dāng)管腳Pl. 2-P1. 7作為輸入并11被外部拉低，那么他們將由于內(nèi)部的拉閥而作為 電流源。端口 1同樣在閃存編程和修改時(shí)接收代碼數(shù)據(jù)。Port3：管腳P3. 0-P3. 5和P3. 7是7根雙向I/O 口，內(nèi)存內(nèi)部上拉閥,P3. 6為比較器 的輸入和輸岀端口，但不能作為通用的I/O 口。端口 3的輸出緩沖能下降20MAo當(dāng)端口 3 被置1,端口 3彼內(nèi)部拉閥上拉同時(shí)可以被視為輸入。作為輸入，端口 3的管腳彼外部拉 底，這樣端口 3將形成I1L,這些均是由內(nèi)部拉閥所決定的。同時(shí)端廠I 3同樣可以作為AT89C4051的各種特殊功能：P3. 0： RXD P3. 1： TXDP3. 2: INTO （作為外部中斷 0） P3. 3： INT1（作為外部中斷1）P3.4： T0計(jì)時(shí)器0的外部輸入P3.5： T1計(jì)時(shí)器1的外部輸入