一種新型的應急電源蓄電池巡檢系統

0 引言
消防應急電源在近兒年得到迅猛發展[1]，它安裝于建筑物供電系統中，在市電正常的情況下由市電供電，市電斷電時，要求應急電源啟動。其直流供電系統采用閥控式鉛酸蓄電池(VRLAB)，根據功率大小，所采用的蓄電池節數跟容量也不盡相同。目前國內在lO～110 kW系列中，大部分均采用40節單體電壓為12v的蓄電池串聯供給逆變器。蓄電池作為應急電源能量的源泉，其穩定正常的運行是應急電源工作的前提。目前在消防應急電源系統中，主要是通過監測蓄電池的在線電壓來實現對蓄電池狀態的監控。本文針對傳統的在線監測系統的不足，提出了一種新型的監控實現方法，并在此基礎上設計出新型系統。

l 傳統設計
傳統的消防應急電源蓄電池實時監控系統對蓄電池電壓的監測主要是通過繼電器切換的方式[2]，即輪流吸合每一節蓄電池對應的繼電器，實現對蓄電池電壓信號采集，經過調理電路之后送顯示控制芯片，通過數碼管顯示蓄電池單體電壓，基本電路如圖1所示。

這種電路結構簡單，技術上易于實現，目前FEPS中大部分均采用這種電路。但這種電路由于前級依賴于繼電器的切換，而電磁繼電器的壽命一般不超過105次，動作時間約為lOms，不適合長時間的測量，難免增加產品的維修率[2]。其次，由于這種設計中甚至沒有主控芯片，除了顯示之外幾乎無任何其他功能。而在FEPS系統中，蓄電池巡檢系統與系統控制器的數據通信是非常必要的，控制器必須時刻關注蓄電池狀態，在此基礎上作出各種控制指令。

2 新型設計
2.l 系統硬件電路
系統總體框圖如圖2所示，下面具體闡述其各部分的實現。

2.l.l前級調理電路設計
調理電路完成蓄電池電壓的采集和調理，主要是實現信號的采集、隔離和放大，變成能被A／D芯片可以接受的信號。本設計中采用NaIionalsemcondutor公司的普通雙運放LM358與TOSHIBA公司的雙光耦TLP521―2來代替傳統電器切換，并完成信號調理。蓄電池組中電池是串接在一起的，以單節蓄電池為例其調理電路如圖3所示。

此部分是整個設計的草點，也是保證精度的前提。在蓄電池電壓正常取值范圍9～15V之內，電路必須保持足夠的線性度，而且由于蓄電池工作一定時間或者在不同環境下溫度會有變化，要求在一15℃～50℃范圍內正常工作，這就對系統的溫飄抑制能力提出比較高的要求。LM358供電電壓范圍為3～30V，正常工作情況下工作電流為l~2mA。考慮到我們采用的12V蓄電池，其正常浮充電壓范圍為13.2~13.68V；循環用充電電壓范圍為14.O～14.4V。根據國標的規定，在其低于正常電壓的85％，即lO.2V時報警，這樣蓄電池的正常電壓范圍便包含在3~30V的范圍內，故前級運放就可以采用單體蓄電池直接供電[1]。
由于電路自身對非線性的強抑制能力，光耦不必采用昂貴的線性光耦．可以采用廉價的普通雙光耦TLP521-2。其中一個用作輸出，另一個作為反饋，反饋是用來補償發光二極管時間、溫度特性的非線性。為了保證輸出二極管產生的輸出信號與LED發出的伺服光通量呈線性比例，在選擇器件時，兩個光耦合器的特性應盡量保持一致，而采用雙光耦正好町以滿足這個要求。輸出端所接的電壓跟隨器是為了保證輸出電壓的穩定性。為了進一步保證電路的線性度，保證光耦的調節能力，我們在輸人端串入電阻R2，使得前級運放的輸入與其工作電壓之間存在一定的裕度。實驗驗證此電路的線性度與抑制溫漂能力足以滿足系統的要求[3]。
在對環境溫度監測時，選擇高精度溫度傳感器LM35，工作電壓4~30V，測量范圍為一55℃一150℃。其輸出電壓跟溫度成線性比例關系，溫度每增加l℃，輸出電壓增加1OmV。采用TO一92封裝，有3只引腳：電源、輸出和地。輸出經過放大后可直接送A／D。2.l.2數據處理部分設計調理過后的電壓在濾波之后送人A／D，A／D芯片選用Texas Instrument公司的高速串行轉換芯
片TLC2543，轉換時間為lOμs，轉換結果具有12位的長度，對于本設汁的電壓范圍具有足夠高的精度。有11路模擬輸入通道，只需要4根線與單片機相連，分別為地址線，數據線，時鐘線與片選線。
單片機選用Atmel公司的嵌入式單片機AT90S8515，速度高，功耗低，有8k字節的Flash存儲器，512字節的EEPROM，512字節的SRAM。
2.l.3通訊顯示部分設計
與控制器間采用RS一485通訊模式，采用Modibus通訊協議的RTU方式。上位機發送數據格式為：從機地址字節命令字節開始地址高字節一開始地址低字節讀數據個數高字節一讀數據字數低字節校驗低字節校驗高字節。下位機回復數據格式：從機地址字節一命令字節一返回字節數數據高字節一數據低字節一校驗低字節一校驗高字節。采用CRC校驗。
顯示通過驅動芯片HD7279A來實現．數碼管選高亮度的，滿足國標中對顯示的高亮度要求。
2.2 系統軟件
采用C語言編程，在ICCAVR集成環境中編譯生成輸出文件，在AVR stdio中調試下載。系統軟件設計時，需考慮顯示與通訊之間互不影響，系統在不顯示的時候，也可以與控制器通信。確定顯示一節的時間為2s，通訊數據幀之間的最長時間不超過20ms。程序流程圖如圖4所示。在硬件部分的設計中，選用3個按鍵分別表示打開顯示、繼續和關閉顯示。繼續足針對于當有電池電壓超限時，系統會使數碼管顯示停止在超限電池上，不再顯示下一節，直到按鍵2被按下，系統接著顯示下節電池。

3 結語
本系統已集成到某公司的FEPS中，該產品已經通過國家公安部有關部門的檢驗，完傘符合國標中的要求。由于電路本身的設計克服了線性度與溫漂方面的影響，測量精度得到明顯改善，優于基于傳統設計的系統，實用性大大加強。本設計是針對應急電源設計的，也可以應用在其他領域的蓄電池巡檢上。開發時考慮到系統的通用性問題，支持OPC標準，可以與具有同樣標準的上位機相連，便于集成到其它監控系統中。另外，本系統還可以用組態軟件做上位界面，實現實時顯示、查詢、記錄歷史情況，方便分析事故原因。