基于MSP430单片机的电池性能监测系统设计

基于MSP430单片机的电池性能监测系统设计

关俊武;王天夫;侯春杰;马明

【摘 要】文中基于模块化思想,以提高UPS电池远程监测自动化程度为核心,通过合理搭建硬件监测电路,实现对UPS电池电压、电流和温度的在线实时监测.实践证明,该项设计完善了电池组的远程监测技术,避免突发断电情况对企业、工厂的损害,降低经济效益的损失,提高了直流供电系统的安全可靠性.

【期刊名称】《应用能源技术》

【年(卷),期】2014(000)011

【总页数】4页(P51-54)

【关键词】监测系统;模块化;硬件电路

【作 者】关俊武;王天夫;侯春杰;马明

【作者单位】大庆油田化工有限公司,黑龙江大庆163300;大庆油田化工有限公司,黑龙江大庆163300;大庆油田化工有限公司,黑龙江大庆163300;大庆油田化工有限公司,黑龙江大庆163300

【正文语种】中 文

【中图分类】TP274+.2

0 引 言

无论在发电厂、变电站还是通信、医疗等商业领域，其供电系统都以蓄电池作为备用电源。UPS电池组中包含多节蓄电池，当外电突发间断或电压不稳时，UPS作为后备电源，成功保证对用电系统的持续供电[1]。

然而，配备UPS系统并不是一劳永逸的， 原因在于它的监控管理尚未达到科学化和自动化，现有UPS电池远程监测系统的设计结构比较复杂，性价比较低。这样一来，随着“无人值守”监管形势的流行，当前系统不能够很好的对突发情况下故障电池做出及时报警，时效性低，与此同时，管理UPS电池必须进行定期维护以确保电源系统工作性能正常稳定，在此过程中将浪费大量的人力、物力和时间；其次，当供电系统意外停电或长时间停电时(例如：特殊情况下电源跳闸，外供电电网检修而长时间停电等)，人们无法及时获取信息以确保UPS系统是否正常工作。

因此，在研究UPS电池远程监测系统的过程中，既不打开电源开关，也无需改变任何电路，更不必调整内部串联的主回路，完成对电池组中单体电池电压、电流和温度的在线实时监测，通过比对性能参数实现对电池健康程度的判定，及时发现故障电池，发送警报提示信息，使操作员第一时间发现性能异常电池并予以及时更换[2-3]。

1 总体方案设计

随着自动化应用技术的不断提高，文章通过软、硬件设计，结合“遥测”和“遥信”技术[4-5]，构建UPS电源设备远程监测系统。在硬件方面，设计电池性能监测模块；在软件方面，结合数据库相关知识，设计具有人机友好界面的上位机软件系统，当外电系统不正常停电或长时间停电时，能够采取应急措施，发送报警信息、处理重要且必须保存的资讯，系统能自动的保存重要的资讯并关闭系统，进而为有效地电池管理和使用提供借鉴，如图1所示。

图1 UPS电池远程监测系统总体设计框图

2 硬件设计

2.1 单片机的选取

单片机作为主控CPU对电池组中单体电池电压、电流和温度的数据信号进行采集，进而通过控制继电器连接模拟负载，并以二次电压法对蓄电池的内阻进行测量，最终利用RS485通讯将数据实时上传至上位机。基于硬件精度和功能元件成本，结合主控模块的内部结构，选定MSP430F149超低功耗微控制器来实现主控制器的功能[6]，控制模块连接总图如图2所示。

图2 控制模块连接总图

相对于其他的微控制器(80C51)，它的优点在于：MSP430单片机内置Flash，这样一来可以节省硬件线路板的布线空间，同时降低五倍的系统功耗，并且结合硬件汇编语言和C语言对单片机进行编程，使得MSP430的体系更为紧密，时效性大大提高。

2.2 UPS电池性能监测电路设计

(1)电压采集：本设计采用循环检测的方法，将采集到的数字信号不间断的传至MSP430单片机。单体电池电压的检测精度为10 mV。其中选用光电耦合器，较一般的模拟开关设计相比，避免了电池在测量电路未选通时因放电而导致的UPS能量损失。同时，差分放大电路改变了要检测电压的大小，通过调整具体的倍数关系，使电压符合单片机A/D转换器的电压范围。滤波电路则用于滤去因采样电路不稳造成的电压波纹，让电压趋于平整。电压监测电路如图3所示。

图3 单体电池电压采集电路

(2)电流采集：相对于其他测量方法，使用电流传感器的成本较高，更何况电流传感器的种类多种多样，所以如何甄别性价比成为一个棘手的问题。在这次设计选取ASC75x 电流传感器家族系列，它是由Allegro 公司开发的，超低功耗、成本低，5 V电源供电即可，而且，在端子4、5和1、2、3之间有电压隔离，与此同时，通过设计不同的封装可拓展电流不同的测量范围，进而拓展应用范围。电流监测电路如图4所示。

图4 单路电流采集电路 (4)温度采集：对温度的监测是电池性能监测系统的重要部分，UPS电池的实时温度与工作状态有着紧密的关系。因为电池所处的外环境温度在-20～60 ℃之间浮动，所以温度传感器的选择要符合这个范围。考虑到UPS电池采集模块需要测量UPS电池组内部及周围多点处温度，而DS18B20数字温度传感器具有单总线结构，即可以在一根总线上连接多个温度传感器，况且DS18B20的测温范围在-55～+125 ℃之间，满足UPS电池的温度测量要求，所以选择DS18B20作为本项目的温度传感器。温度监测电路如图5所示。

图5 温度监测电路

3 软件设计

3.1 整体设计流程

以正确性、可扩展性为设计原则，达到功能适用、操作方便、形象直观等要求，设计一个控制并管理监测系统的上位机软件，使整个后备电力系统安全稳定的运行，搭建人机交互平台，实现工作人员远程实时监测。为了得出对电池组中单体电池的性能评价，上位机会将接收到的实时数据进行再分析、再处理和再计算，并通过LCD显示屏和网络进行显示发布，供操作员及时查询，设计流程如图6所示。

图6 软件设计流程

上位机通过访问电池运行数据库，将电池的运行状态数据进行统计分析、数据压缩算法等来进行数据简化，把监测数据汇总到上位机监测系统，实时显示电池相关参数并进行相应的曲线绘制，当电池出现异常情况，具有短信通知和报警功能。

3.2 数据库设计

数据库平台的搭建对于整个数据的存取速度有着至关重要的作用，该模块是为了建立一个数据库平台，给系统提供有力的支持。将采集的数据实时上传至上位机并通过显示屏和互联网供用户查询，以便操作员在电池劣化的早期及时发现故障出处，避免电池性能异常的加剧，防止由电压不稳而带来类似于数据丢失等问题的发生，设计如图7所示。

图7 数据库设计

4 抗干扰设计

为了降低能源损失浪费，提高精度[7]，本系统的硬件抗干扰设计有以下三点：

(1)光电隔离：在电池性能监测系统的设计过程中，为了使通信接口电路与其内部电路隔离开，需使用阻值很大的隔离电阻和容量很小的隔离电容，所以根据以上要求采用光电耦合器6N137，可以有效组织由电路耦合所产生的电磁信号干扰。

(2)双绞线匹配终端阻抗：为了良好的抑制噪声干扰，在长距离数字传输过程中可以使用双绞线，并且在信号的发送端与接收端可以匹配终端电阻。

(3)合理设计布板：PCB板作为电池性能监测系统中电子器件的支撑件占据着重要的地位，它可以提供各种电器元件之间的连接方式。在对数字信号处理的过程中，利用PCB板中的高频板可以很好的抑制干扰。因此，合理布置PCB板在硬件抗干扰的设计中十分重要[8]。

5 结束语

文中提出了以应用能源UPS电池为核心的远程监测技术，在该系统的设计中，基于模块化思想，合理的选择了主控模块MSP430F149芯片，重点论述了UPS电池远程监测系统硬件部分的电路设计及功能实现，设计了电压、电流及温度性能监测电路，通过上位机软件设计，分析相关参数，从而判定电池优劣，有效的减少了电池在突发情况下发生故障所带来的危害。同时，应用硬件抗干扰技术使测量精度提高，硬件总体设计既满足了技术要求，又提升了整个系统的自动化程度。

此外，该系统硬件结构具有很强的拓展性，例如可以通过外接电路监测电阻，或者利用CAN通讯实现数据的网络传输等。所以，该项技术可以广泛的应用在UPS电池成组监测领域并为其开拓全新的局面。

参考文献

【相关文献】

[1] 任卫东，李俊松，林晓东.UPS电源智能监控管理及实现[J].上海：上海应用技术学院学报，2008，7(1):28-32.

[2] 江 海．蓄电池智能在线监测系统的研究与设计[D]. 哈尔滨理工大学硕士论文，2007.

[3] Thomas L，Chuchill James S，Edmonds Craig T.Feyk，Comprehensive Noninvasive

Battery Monitoring of Lead-acid Storage Cells in Unattended Location[A]．IEEE，Piscataway 94Ch3469-4:NJ，USA．1994:594-601.

[4] 史香玲.蓄电池在线监测系统的研究[D].河北：河北农业大学，2009:2-3.

[5] Kutluay Koray，Cadirci Yigit，A new online state-of-charge estimation and monitoring

system for sealed lead-acid battery in telecommunication power supplies[C]．Trans-actions on Industrial Electroni-cs．2005.

[6] 秦 龙．MSP 430单片机应用系统开发典型实例[M]．北京：中国电力出版社，2005：100-158.

[7] 王幸之．单片机应用系统抗干扰技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000：185-191.

[8] 赵 强，范超雄，孙子尧，等.车辆电液主动悬架PID最优控制研究[J].森林工程，2014(1)：68-72.