配网铅酸邱健蓄电池Trojan电瓶并联模块研制

摘要：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，通过单片机的模数转换器（ADC）配合信号调理电路对铅酸蓄电池组的多项参数采样分析，结合已有数据判断铅酸蓄电池组的健康状态并提供必要的告警，支持一定的通信方式。论文将简单探讨信号采样电路的硬件设计、元器件选型，根据分析结果构建对应的硬件电路进行实测，完成目标设计。

关键词：铅酸蓄电；并联电源；485通信；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。

2.1STC8A主板

主板采用STC8A8K64S4A12单片机，CH340G串口通信方案与MAX485通信方案。主板配合外部信号采集模块以完成相应的功能，并通过串口通信或485通信向外发送信息。

2.1.1主板单片机特性

STC8A8K64S4A12单片机属于STC8系列，该系列单片机是无需外部晶振和具备外部复位，具有抗干扰能力强、高速、低功耗特点的增强型8051单片机.在相同的工作频率下，STC8 系列单片机比传统的8051内核单片机快12倍。根据STC公司的测试数据，依次按顺序执行完全部的 111 条指令，STC8系列单片机仅需 147 个时钟，而传统的8051内核单片机则需要 1944个时钟。该单片机的抗干扰能力表现为其IO口可直接承受峰峰值为400V、持续时间为3~8微秒的高压脉冲毛刺信号而不损坏，在产品应用中若放置TVS二极管（瞬态电压抑制二极管），可进一步提高产品抗干扰能力与可靠性。其工作电压为2.0~5.5V，外设为4路串口、15路ADC、单路可分时复用的SPI或IIC、EEPROM，外设相对丰富，以供后续增加功能。

2.1.2主板通信方案

主板具有串口通信与485通信功能。

串口通信设计为CH340G串口通信方案。CH340系列是一种USB总线转接芯片，工作电压为5V或3.3V，能够实现USB转串口或者USB转打印口，在兼容USB2.0时使用全速USB，属于硬件全双工串口，支持的通讯波特率为50bps~2Mbps；支持常用的MODEM联络信号 RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS，可以通过外加电平转换器件，提供 RS232、RS485、RS422 等接口；其驱动软件兼容CH341，可以直接使用CH341的VCP驱动程序CH340C/N/K/E及CH340B内置时钟，无需外部晶振。本方案电路兼容CH340C（无需晶振），前者通信稳定性与温度适应范围均优于后者，故使用CH340G方案。

485通信设计采用经典的MAX485通信方案，为半双工485通信。MAX485是经典的半双工485通信芯片，支持RS-485与RS-422通信。

图 1 CH340G串口通信电路

图 2 485通信电路

2.1.3主板自身供电方案

主板自身供电方案可根据使用情况选定。当主板与PC收发数据时，主板采用PC上USB接口的5V直接供电，此时的供电保护为延时保险丝、5.1V稳压二极管、TVS二极管；当主板不与PC连接时可通过DC-DC降压模块从12V铅酸蓄电池直接取电，或使用单独的电池为主板供电。

2.1.4主板外设供电方案

主板所用的单片机、通信电路、数据采集电路均为5V供电，外设供电由主板自身供电的电源电路直接取电。对于数据采集电路，为简化供电电路、增加可靠性、降低成本，采用单电源供电，故需要设置单电源中点。该电源中点对信号起着偏置的作用，其稳定性对后续采样电路能否精确采样相当重要。因此该单电源中点电路使用AD8628运算放大器与电阻电容组成中点分压跟随缓冲电路。AD8628是低噪声自稳零运算放大器，可由2.7~5.5V单或双电源供电，其失调电压仅为1μV，具备轨到轨输入与输出。该运算放大器的低噪声与零漂移特性能够很好地应用到此电路中。

图 3 单电源中点发生电路

2.1.5主板基准电源方案

电压、电流、内阻等信号经过采样电路后输入单片机的模数转换器（ADC）才能转换为数字信号进行后续处理。因此，单片机的ADC需要一个高精度的基准电压用作参考，以确保转换准确。单片机的ADC为12位，数字量范围是0~4095。为充分利用ADC的量程，使用5V基准，则ADC的分辨率为1.22mV。

图 4 包含高精度ADC基准的主板最小系统

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，可通过单片机的模数转换器（ADC）配合信号调理电路对蓄电池组的多项参数采样分析，结合已有数据判断蓄电池组的健康状态并提供必要的告警，支持一定的通信方式。