仪器仪表供电电池容量在线检测模块设计

彭 玲 毅

(中冶京诚(湘潭)重工设备有限公司-湘钢电修厂，湖南 湘潭 411101)

仪器仪表供电电池容量在线检测模块设计

彭 玲 毅

(中冶京诚(湘潭)重工设备有限公司-湘钢电修厂，湖南 湘潭 411101)

针对工、民建筑物内的各类智能仪表采用电池供电，由于安装电池容量的不均匀，经常在检修一段时间后供电不足导致仪表工作不正常的现象进行了研究，提出在仪表内加装一套在线检测模块，定时进行电池电量检测并将检测结果实时传送至主控上位机的思想，并加以实现，经实验证明该模块基本满足实际工作需要，且模块简单可靠。

仪器仪表，供电电池，容量检测，频率

随着工、民建筑物内仪器仪表智能化程度越来越高，安装的智能仪表工作电源一般有两种选择：1)利用楼宇、生产线上的电源；2)自带电源。对于自带电源，由于电源为电池供电，不存在其他供电方式自身存在的非线性干扰为部分仪表所采用，由于单个电池电量不均匀性、放电曲线独特性以及部分仪表工作中耗电量与任务正相关，造成电池容量随时间的推移变得不稳定，经常在不达到检修时间时就因供电电量不足而导致仪表不能正常工作，为此加重了检测人员的工作量，同时还有可能导致整个楼宇、生产线停车，给管理部门增加不必要的生产成本与运营成本。

1 电池电量的检测方法

针对电池电量的检测方法，目前使用的为：1)核对检测法。它具有容量测试可靠性高、准确性高的优点，因此，目前仍旧是市面上检测电池最有效的方法。但核对检测设备主要采用电阻丝操作实现核对检测，并且需要人工干预，程序繁琐，对操作人员自身存有一定的危险，而且对电池的容量有一定的损害，因此这种传统的核对放电方法已经慢慢的被淘汰掉。2)不完全放电测试法。主要是对电池组中的每一个电池进行循环检查，发现电压降低最迅速的那一个，将它认定为劣质的电池，并进行去除，然后对新的电池单元组成的电池进行检测，测试其容量，用这块电池的容量去代表整个电池组的容量。但精度相对比较低，可以用这种方法去判定电池的落后状态，但不能准确计算出电池容量以及它的优劣性，同时对测试的过程要求相对比较严格。3)电导测量法。电导测量也成为电阻测量，主要方法是在电池的正负极附加一个已知幅值与频率交流的电压信号，检测出和该电压信号具有相同相位的交变电流值，这一交变电流的分量除以附加的电压，就是电池的电导。设定的检测频率不同，得到的电导也就不同。蓄电池的容量越小，自身的电阻就会增加，电导就会变小。但不能精准的检测出一些实际参数指标，特别是容量，所得到的数据也并不是十分的准确；同时，不同的设备检测出的结果也存在很大的差异。4)Ah容量法。对于动力电池，需要经常对其进行充放电。这种电池的测量往往就采用Ah容量法。用此方法测量时，需要掌握蓄电池的最初状态以及终点剩余电量，但是这两个量受到多种因素的影响。一般并不是一个固定的数值。所以此法只能检测已经消耗掉的能量，并不能很好的检测出最终的剩余电量。

2 本设计所采用方案

出于对可靠性的考虑，本设计仅以三端稳压电源和电阻的不同组合即可完成不同检测方案。本设计是以新型ARM Crotex-M3系列单片机为核心的电池容量检测系统，通过对单片机软件编程可以实现以下基本要求：1)通过电池进行瞬时小流量放电测量电池容量；2)测量电压、电流的动态值；3)可切换显示电池容量、电压、电流及当前线路；4)测量结果上传至上位机进行提示。

电池容量检测模块框图见图1。

3 软硬件设计

硬件设计工程中主要是要注意与目前现有的仪表外盒尺寸保持可安装性与功耗的合适性；与此同时，在与上位机数据交换中的总线接口要与目前现在工业总线接口保持一致，做到在不增加成本的基础上完成本设计的开发与利用。为此，本模块的基本要求如下：1)为了不增加仪表的功耗，本模块采用外接楼宇、生产线上电源进行工作；2)通讯接口采用工业以太网与USB模块进行通讯，保证不增加楼宇、生产线通讯模块的兼容性；3)考虑到电磁干扰与生产环节的机械振动，本模块的元器件采用高性能的工业级器件；4)考虑到模块的可移植性与可扩充性，本模块的软件采用C语言进行编写；5)除了采用高性能工业级元器件外，在软件编写过程中增加软件陷井与适当的软件冗余度，保证模块在干扰情况下不能正常工作时，自动复位。在此，本文重点讨论电池容量测量环节电路设计、仿真及软件对A/D器转换控制。电压采样以及电流采样的估算是利用Multisim软件进行仿真估算。Multisim是一个用于原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。该软件能够帮助确定采样电阻最终的阻值，并能根据实际需要，给定一个电压值，得出相应的模拟电压输出值，避免模拟输入电压值过大而损毁片内AD。检测部分仿真图见图2。

A/D转换的精度直接影响到电池容量的检测精度，在此，除了选择好的A/D模块外，还需要进行相应的控制处理。本模块采用12位逐次逼近型模拟数字转换器，有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源，各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，设计中最大转换速率是1 MHz，转换时间为1 μs。其流程图见图3。

4 结语

本设计是以ARM芯片作为主MCU的电池容量检测系统。经过测试，本产品最终可以达到以下功能：

1)测量电池容量并能检测电池电压、工作电流的动态值；

2)利用以太网接口将检测数据实时传输至主控单元；

3)对传输数据可根据报警阈值预置值进行报警提示；

4)整个设计为模块化设计，可移植性强。

[1] 陈红雨，黄镇泽，郑圣泉，等.铅酸蓄电池分析与检测技术[M]．北京：化学工业出版社，2011.

[2] 秦鸣峰．蓄电池使用与维护[M]．北京：化学工业出版社，2009．

[3] 陈志旺．STM32嵌入式微控制器快速上手[M]．北京：电子工业出版社，2012．

[4] 刘 军.例说STM32[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011．

[5] 廖义奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系统设计[M]．北京：中国电力出版社，2012．

Design of on-line testing module of instrument meter battery-powered volume

Peng Lingyi

(XiangSteel&PowerRepairPlant,ChinaMetallurgyJingcheng(Xiangtan)HeavyIndustryEquipmentCo.,Ltd,Xiangtan411101,China)

In light of battery-powered applied in various intelligent instruments of industrial and civil buildings, the paper studies abnormal meter working phenomena owning to uneven installation battery volume and insufficient power supply after maintenance, and puts forward the idea of setting a set of on-line detection module in the meter, and carrying battery volume detection at the fixed time, and timely uploading detection results to major control computer and realizing it. The experimental results prove that: the module can basically meet actual working demands with simple and reliable characteristics.

instrument and meter, battery-powered, volume test, frequency

2015-01-19

彭玲毅(1968- )，男，工程师

1009-6825(2015)10-0129-02

TU851

A