配网铅酸银杉DETA蓄电池变量监测装置
摘要：根据VRLA蓄电池的各项运行参数在工作状态变化时的变化标准，利用数字电子技术与模拟电子技术等知识，使用STC8A高性能8051单片机作为微处理器，设计相应功能电路并对电路进行理论验证，根据设计制作相应的硬件进行测试与调整，以实现对并联电池组的电压、电流、温度、内阻数据进行采集与监测，提供根据数据预警值对异常数据做出预警的功能。
关键词：VRLA蓄电池STC8A8051单片机在线监测
1、引言
铅酸蓄电池并联模块具有监测VRLA蓄电池的各项运行参数[1-3]、预警异常电池[4-5]、提醒对电池进行养护的功能，为变电站、通信机房、数据中心UPS运维人员等提供蓄电池的监测手段，减轻维护工作量，提高使用寿命、减少不必要浪费、贯彻践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念。
根据VRLA蓄电池的各项运行参数在工作状态变化时的变化标准，利用数字电子技术与模拟电子技术等知识，使用STC8A高性能8051单片机作为微处理器，设计相应功能电路并对电路进行理论验证，根据设计制作相应的硬件进行测试与调整，以实现对并联电池组的电压、电流、温度、内阻数据进行采集与监测，提供根据数据预警值对异常数据做出预警的功能。
2、研究内容
本并联模块是针对12V的VRLA蓄电池并联使用时的系统监测装置，是基于8051（1T）内核的STC8A高性能单片机为平台设计的具有监测蓄电池端电压、放电电流、电池内阻、电池某定点处温度的功能，具备串口通信与485通信的接口与模块，能够实时将测试数据直接回传至PC；监测数据可与预设值比对，简单判断蓄电池的健康状态，数值异常时可以报警。本模块的组件有便携式负载板，可用于蓄电池放电测试，在强制通风或其他冷却能力足够的情况下可以大电流工作，用于蓄电池核容。
2.1电压采用设计
先使用多个电阻串联到蓄电池电压信号输入端分压，使用运算放大器搭建经典差分放大电路对其中某个电阻的两端电压衰减，衰减后的电压信号经过缓冲器后输入单片机ADC，完成采样。
图1运放差分衰减电压采样电路
该方案使用运算放大器搭建经典差分放大电路处理信号，使主板供电不受限制。差分放大电路的信号放大倍数小于1，信号被衰减，运算放大器输出不容易饱和。使用缓冲器对处理后的信号放大增强驱动能力，防止因负载使信号再次变化导致采样误差，同时起到隔离IO口的作用。
单一失效情景分析：串联电阻当中某个电阻失效时，其影响可分为两种情况讨论：（1）电阻短路失效：差分放大电路输入0V，经过缓冲器后输入到单片机ADC的信号也是0V。仅从该采样结果判断的故障类型存在以下情形：蓄电池外部短路、蓄电池内部断路、采样电路故障；（2）电阻断路失效：差分放大电路输入此时蓄电池电压，若差分放大电路工作仍正常，则因差分放大电路的衰减会输出一个较高的电压，或因饱和输出运算放大器的正电源电压，经过缓冲器后输入单片机ADC，此时采样值应为接近或等于满量程。仅从该采样结果判断的故障类型存在以下情形：采样电路故障。
2.2电流采用设计
使用精密霍尔电流传感器将通过传感器本身的电流直接转换为电压增量的大小，电压信号直接输入单片机ADC，完成采样。
图 2 霍尔电流传感器电流采样电路
图 3霍尔电流传感器内部结构
该方案使用精密霍尔电流传感器采样电流。精密霍尔电流传感器具有可通过的负载电流大、自带信号缓冲输出、电流采样电路与信号处理电路相互隔离、外部电路结构简单的特点，传感器通常工作电压为4.5~5.5V。因自带信号缓冲输出，无需单独配置缓冲器。电流采样位置根据需求确定选择高端采样或低端采样。利用霍尔效应完成电流采样，在量程内采样线性度高。电流采样电路与信号处理电路在塑封中相互隔离，具有相当高的绝缘强度，没有采样部分失效后损坏信号处理电路的风险；由于采样电路就是一根载流量大的导线，即使信号处理电路损坏，也不影响负载的正常运行。电路结构简单，无需配置单电源中点-实体结构较为紧凑。电流采样应用霍尔效应，外部过强的磁场可能会对采样的准确性有不利影响。
在没有电流通过时，传感器输出供电电压的中点电压；如果电流从传感器的标定正方向流入，则输出信号电压是中点电压大小加上每安电流对应信号电压大小的增量，反之输出信号电压是中点电压大小减去每安电流对应信号电压大小的增量。以传感器ACS754KCB-150-PFF为例，传感器工作电压若定为5V，则中点电压为2.5V，根据数据手册可得知在量程内每安电流对应信号电压大小增量为13.3mV，因此通过1A电流时，信号电压大小为：
(5-1)
根据该计算法则，单片机ADC直接采样信号电压后与中点电压比较大小，确定电流方向；取较大值减去较小值的结果直接根据每安电流对应信号电压增量计算出电流大小。
单一失效情景分析：当传感器失效时，其影响可分为两种情况讨论：（1）电流采样导线断路：此时电流无法通过，传感器输出供电电压的中点电压。仅从该采样结果判断的故障类型存在以下情形：采样电阻所在线路断路、蓄电池外部直接短路（不经过采样电阻所在线路）、蓄电池内部断路、采样电路故障；（2）信号处理电路故障：该故障表现为信号电压输出异常，主要有以下可能：传感器通电时，无论是否有电流通入，输出信号电压均为无电压或恒为某一电压，有电流通入时信号电压不符合约定的计算法则。此时如果传感器连接稳定可靠，则负载仍可通电，此时装置应报警并通过既往数据将负载电流限制在安全范围内。
2.3内阻采用设计
该方案为交流小信号注入法，使用简化的激励信号发生电路：使用LM317线性电源配置恒流源，将该恒流源作为555定时器的供电电源，使用555定时器产生1kHz方波，以该方波信号作为激励信号，使用带隔直电容的精密半波整流进行电压采样，使用欧姆定律计算蓄电池内阻。
图 4交流方波恒流激励信号源发生电路
图 5 精密半波整流电压采样电路
该方案电路结构相对复杂，通过前级恒流源供电来生成相对稳定的方波激励信号，测量精度不如方案2，电压采样后对电压信号采样计算阶段同样需要较多的CPU资源，若要高精度测量，该方案对预置计算表与内阻对照表的需求更高，更需要有效值采样电路。测量场景中应避免较大的电流纹波与噪声，提高测量精度。该方案可作为模块配合真有效值万用表的交流毫伏档使用，可以通过真有效值万用表提高测量精度，作为现有方案可做备选。
3、结论
本论文是基于8051单片机系统设计能够对铅酸蓄电池组并联时的简易健康状态监测装置，可高精度采集蓄电池各项参数。