柴爱平 缑文博
【摘要】针对当前铁路系统中大量使用的UPS蓄电池工作状态不能合理监测、无法进行自动维护的问题，研究了一种由单片机控制DS2438的蓄电池监测维护系统，可以实现在线准确的监测蓄电池电压、剩余电量等参数，放电维护状态下对蓄电池健康状态进行判断的功能。通过长期进行蓄电池的放电实验，找到了合理的蓄电池放电深度数据值。实验表明，监测维护系统提高了铁路UPS蓄电池的使用寿命和运行可靠性。
【关键词】DS2438;Labview;蓄电池监測;剩余电量;放电深度
铁路各站段机房中大量使用的UPS在铁路安全运行中起到了至关重要的作用，目前的UPS维护工作基本都是工人们依照经验进行，因此主要存在以下问题：UPS蓄电池的健康状态无法准确判断;放电维护只是简单的通过蓄电池对电阻器件进行大电流放电，放电深度无法控制，容易损害电池寿命;长期进行实验记录的数据表明，蓄电池放电深度一般选择在60%有利于蓄电池健康运行，这样就需要在线式UPS蓄电池电量监测维护系统对电池电量和状态进行实时监测，提高放电维护过程中蓄电池的使用寿命，避免过于深度的放电对蓄电池造成的损害，保障了铁路系统的安全。本文从硬件设计和软件设计两个方面介绍以DS2438为蓄电池数据测量器，C8051F020单片机为控制核心的UPS蓄电池的在线监测维护系统[1]。
1.系统结构
整个蓄电池监测系统主要由C8051F020单片机作为控制核心、LCD显示电路、光电隔离电路以及由DS2438构成的蓄电池参数采集电路组成[2]。系统通过测量板对蓄电池进行电压、电流以及剩余容量的监测，测得的数据通过传给C8051F020单片机，放电维护过程中剩余容量达到60%，单片机控制继电器断开，结束维护过程。如果蓄电池工作过程中出现失效，电压波动，容量下降等问题，系统将会进行报警，提示工作人员进行蓄电池的更换。系统上位机由LabVIEW软件开发制作，主要作用有显示监测过程中的参数，按日期记录维护监测信息，以便于对蓄电池进行分析[3]。系统结构如图1所示。
图1 整体系统框图
1.1 微控制器
控制器采用C8051F020单片机，它是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚，便于用在多路控制系统中;具有高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS），12位100ksps的8通道ADC;带PGA和模拟多路开关，8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关;包含双12位DAC，具有可编程数据更新方式，64K字节可在系统编程的FLASH存储器，4352字节的片内RAM;硬件实现的SPI、I2C和两个UART串行接口，5个通用的16位定时器片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等特点[4]。
设计中将单片机P0口作为LCD显示的数据接口;P1口实现键盘扫描;系统同时进行多路UPS放电维护时，用P2口控制各路继电器电路;P3.0和P3.1口用作串口数据收发，P3.2和P3.3口作为DS2438接口;P4口与LCD控制端连接;P5口用来控制声光报警电路。
1.2 DS2438智能电池监视芯片
DS2438智能电池监视芯片为电池组提供了很有价值的功能，它可用于标识电池组的唯一序列号，直接数字化的温度传感器，具有可测量电池电压和电流的A/D转换器;集成电流累积器用于记录进入和流出电池的电流总量;具有一个经历时间纪录器以及40字节的非易失EEPROM存储器，可用于存储重要的电池参数例如化学类型、电池容量、充电方式和组装日期等。DS2438使用1-Wire接口发送和接收信息，所以中央微控制器和DS2438之间仅需1条连线（还有地线）。电池组仅需要三个输出接头：电池电源、地和1-Wire接口[5]。
1.3 蓄电池测量监测电路
蓄电池测量监测电路对UPS中每组3-5个蓄电池可以同时进行剩余电量、温度、电压参数的测量，测量电路主要由电流传感器LA28-NP、LM7805稳压器、监测芯片DS2438、光电耦合器6N135构成[6]，具体电路如图2所示。
图2 蓄电池测量监测电路
图3 蓄电池剩余容量与放电深度关系
系统进行蓄电池电压测量时，被测电压在电阻上经分压、滤波后送入DS2438的VAD端，内部AD转换器进行变换后将数值存入存储器中，便于单片机直接进行读取;采用霍尔式电流传感器LA28-NP对蓄电池放电电流进行变换后，送入DS2438中对电流进行测量[4]。LA28-NP电流传感器的原边电流在5～25A范围内有5种选择方式，通过电流设定后可将电流变换至25mA范围内;电池剩余电量的测量通过计算电流流入流出电池的差值而得到[7]。DS2438芯片为在测量UPS蓄电池放电维护过程剩余电量使用了一个集成电流累加器ICA，ICA作为负责累计电池组投入使用后的全部流入和流出电池电流的寄存器，其计算值可表征为电池剩余容量[8]。
2.剩余容量实验
在选择蓄电池的维护放电深度时，选取5个同型号的蓄电池（蓄电池容量、电压都相同），在同样的实验条件下对相同的阻性负载进行放电，选取不同的放电深度（分别为20%、50%、60%、70%、80%），每次放电记录蓄电池容量数值。通过23个月的实验数据表明，当放电维护时选择剩余容量为60%时，蓄电池的健康状态良好，使用寿命最长[9]，实验测得曲线如图3所示。
3.系统软件设计
3.1 单片机程序设计
单片机程序主要分为系统控制程序、电池参数测量程序、继电器驱动程序、LCD显示程序、串口通信程序等。监测维护系统将测得的VRLA蓄电池参数传给单片机，当剩余容量小于60%时，控制程序使继电器断开，维护过程结束。当蓄电池使用或维护中电流、电压、温度等参数超过安全范围时，系统将发出声光报警。程序流程图如图4所示。
图4 单片机控制程序流程图
3.2 LabVIEW上位机程序
LabVIEW是一种图形化的程序开发环境，设计方法类似于C和BASIC语言，具有模块化程度高，驱动设计方便，易于工业控制软件的开发。监测维护信息管理软件通过接收单片机串口发送的数据，主要记录了每次维护UPS蓄电池的时间、蓄电池状态、蓄电池维护放电量等，方便管理人员实时进行数据查询和信息分析[10]。系统管理界面如图5所示。
图5 LabVIEW上位机管理软件界面
4.结论
监测维护系统实现了UPS蓄电池的在线监测功能，测量数据准确，可以对蓄电池在自动状态下进行放电维护，提高了工作效率。当蓄电池出现故障状态时，可以及时进行报警。监测维护系统有效的延长UPS蓄电池的使用寿命，确保了铁路系统的安全可靠性，节约了资源。系统有成本低，误差小，操作简单，维护效果好的特点，在铁路系统中有一定的实用价值。
参考文献
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