一种新型的应急电源蓄电池巡检系统

摘要：近些年，以蓄电池做电源的消防应急电源(FEPs)得到迅猛发展，作为其中必不可少的蓄电池的在线监测要求也变得越来越强烈。介绍了目前蓄电池巡检系统的基本情况，着重介绍一种新型的应用于应急电源的设计系统，阐述了其相对于传统监测系统的优越性以厦实用性。
关键词：巡捡；消防应急电源；蓄电池；单体电压；单片机
中图分类号：TM912 文献标识码：B 文章编号：0219-2713(2005)06-0050-03

0 引言
    消防应急电源在近儿年得到迅猛发展[1]，它安装于建筑物供电系统中，在市电正常的情况下由市电供电，市电断电时，要求应急电源启动。其直流供电系统采用阀控式铅酸蓄电池(VRLAB)，根据功率大小，所采用的蓄电池节数跟容量也不尽相同。目前国内在lO～110 kW系列中，大部分均采用40节单体电压为12v的蓄电池串联供给逆变器。蓄电池作为应急电源能量的源泉，其稳定正常的运行是应急电源工作的前提。目前在消防应急电源系统中，主要是通过监测蓄电池的在线电压来实现对蓄电池状态的监控。本文针对传统的在线监测系统的不足，提出了一种新型的监控实现方法，并在此基础上设计出新型系统。

l 传统设计
    传统的消防应急电源蓄电池实时监控系统对蓄电池电压的监测主要是通过继电器切换的方式[2]，即轮流吸合每一节蓄电池对应的继电器，实现对蓄电池电压信号采集，经过调理电路之后送显示控制芯片，通过数码管显示蓄电池单体电压，基本电路如图1所示。

    这种电路结构简单，技术上易于实现，目前FEPS中大部分均采用这种电路。但这种电路由于前级依赖于继电器的切换，而电磁继电器的寿命一般不超过105次，动作时间约为lOms，不适合长时间的测量，难免增加产品的维修率[2]。其次，由于这种设计中甚至没有主控芯片，除了显示之外几乎无任何其他功能。而在FEPS系统中，蓄电池巡检系统与系统控制器的数据通信是非常必要的，控制器必须时刻关注蓄电池状态，在此基础上作出各种控制指令。

2 新型设计
2.l 系统硬件电路
    系统总体框图如图2所示，下面具体阐述其各部分的实现。

2.l.l前级调理电路设计
    调理电路完成蓄电池电压的采集和调理，主要是实现信号的采集、隔离和放大，变成能被A／D芯片可以接受的信号。本设计中采用NaIionalsemcondutor公司的普通双运放LM358与TOSHIBA公司的双光耦TLP521—2来代替传统电器切换，并完成信号调理。蓄电池组中电池是串接在一起的，以单节蓄电池为例其调理电路如图3所示。

    此部分是整个设计的草点，也是保证精度的前提。在蓄电池电压正常取值范围9～15V之内，电路必须保持足够的线性度，而且由于蓄电池工作一定时间或者在不同环境下温度会有变化，要求在一15℃～50℃范围内正常工作，这就对系统的温飘抑制能力提出比较高的要求。LM358供电电压范围为3～30V，正常工作情况下工作电流为l~2mA。考虑到我们采用的12V蓄电池，其正常浮充电压范围为13.2~13.68V；循环用充电电压范围为14.O～14.4V。根据国标的规定，在其低于正常电压的85％，即lO.2V时报警，这样蓄电池的正常电压范围便包含在3~30V的范围内，故前级运放就可以采用单体蓄电池直接供电[1]。
    由于电路自身对非线性的强抑制能力，光耦不必采用昂贵的线性光耦．可以采用廉价的普通双光耦TLP521-2。其中一个用作输出，另一个作为反馈，反馈是用来补偿发光二极管时间、温度特性的非线性。为了保证输出二极管产生的输出信号与LED发出的伺服光通量呈线性比例，在选择器件时，两个光耦合器的特性应尽量保持一致，而采用双光耦正好町以满足这个要求。输出端所接的电压跟随器是为了保证输出电压的稳定性。为了进一步保证电路的线性度，保证光耦的调节能力，我们在输人端串入电阻R2，使得前级运放的输入与其工作电压之间存在一定的裕度。实验验证此电路的线性度与抑制温漂能力足以满足系统的要求[3]。
    在对环境温度监测时，选择高精度温度传感器LM35，工作电压4~30V，测量范围为一55℃一150℃。其输出电压跟温度成线性比例关系，温度每增加l℃，输出电压增加1OmV。采用TO一92封装，有3只引脚：电源、输出和地。输出经过放大后可直接送A／D。2.l.2数据处理部分设计调理过后的电压在滤波之后送人A／D，A／D芯片选用Texas Instrument公司的高速串行转换芯
片TLC2543，转换时间为lOμs，转换结果具有12位的长度，对于本设汁的电压范围具有足够高的精度。有11路模拟输入通道，只需要4根线与单片机相连，分别为地址线，数据线，时钟线与片选线。
    单片机选用Atmel公司的嵌入式单片机AT90S8515，速度高，功耗低，有8k字节的Flash存储器，512字节的EEPROM，512字节的SRAM。
2.l.3通讯显示部分设计
    与控制器间采用RS一485通讯模式，采用Modibus通讯协议的RTU方式。上位机发送数据格式为：从机地址字节命令字节开始地址高字节一开始地址低字节读数据个数高字节一读数据字数低字节校验低字节校验高字节。下位机回复数据格式：从机地址字节一命令字节一返回字节数数据高字节一数据低字节一校验低字节一校验高字节。采用CRC校验。
    显示通过驱动芯片HD7279A来实现．数码管选高亮度的，满足国标中对显示的高亮度要求。
2.2 系统软件
    采用C语言编程，在ICCAVR集成环境中编译生成输出文件，在AVR stdio中调试下载。系统软件设计时，需考虑显示与通讯之间互不影响，系统在不显示的时候，也可以与控制器通信。确定显示一节的时间为2s，通讯数据帧之间的最长时间不超过20ms。程序流程图如图4所示。在硬件部分的设计中，选用3个按键分别表示打开显示、继续和关闭显示。继续足针对于当有电池电压超限时，系统会使数码管显示停止在超限电池上，不再显示下一节，直到按键2被按下，系统接着显示下节电池。

3 结语
    本系统已集成到某公司的FEPS中，该产品已经通过国家公安部有关部门的检验，完伞符合国标中的要求。由于电路本身的设计克服了线性度与温漂方面的影响，测量精度得到明显改善，优于基于传统设计的系统，实用性大大加强。本设计是针对应急电源设计的，也可以应用在其他领域的蓄电池巡检上。开发时考虑到系统的通用性问题，支持OPC标准，可以与具有同样标准的上位机相连，便于集成到其它监控系统中。另外，本系统还可以用组态软件做上位界面，实现实时显示、查询、记录历史情况，方便分析事故原因。