1、河南理工大学毕业设计(论文)说明书 I 摘要 蓄电池 的作用是 把有限的电能储存起来,在合适的地方使用。 它的工作原理是先把电能转化为化学能,等需要的时候再转化回来。 蓄电池种类很多, 目前常用的蓄电池主要是铅酸蓄电池 。 蓄电池有很多参数,比如电压、电流、温度 等。如果这些参数不在正常范围内,就会影响蓄电池的寿命。 现在随着国民经济的迅速发展,电力系统 发挥着越来越重要的作用, 蓄电池组 作为其中 一个重要组成部分,其工作状况的好坏直接影响到电力系统 的安全、可靠和高效运行 ,因此蓄电池监测 具有 很重要 意义 。 本监测系统是以单片机为核心, 通过电压采集电路和温度采集电路来测电 压 和环
2、境温度两个参数,并有报警电路,当参数超限时系统可以报警, 显示电路来显示所测参数。其中在电压采集电路中 线性光耦合器件 TIL300 可以有效地将测量通道与计算机系统隔离开来, 而且 对信号放大的线性度也很好。 温度采集电路采用广泛使用的数字温度采集芯片 DS18B20 对蓄电池所在场所的环境温度进行采集。报警电路采用蜂鸣器,参数超限时它可报警。显示电路采用数码管来进行显示,并且用专业的驱动芯片来驱动各个数码管。 关键词:蓄电池、 单片机、 监测 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 II Abstract The batterys role is limited to the energy s
3、tored in the right places. It worksby first turning electrical energy into chemical energy, into back when needed. Battery type are very many , at present the commonly used batterymainly is thelead-acid battery. The battery has many parameters, such as voltage, current, temperature, etc. If these pa
4、rameters are not within the normal range, it will affect battery life. Now along with the national economy rapid development, the electrical power system plays the more and more vital role, the battery unit was taking important constituent, its working condition quality affects directly the electric
5、al power system security, reliable and the highly effective movement, therefore the battery monitor has the very vital significance. This monitoring system is based on Single chip microcomputer as the core,through the voltage gathering electric circuit and the temperature gathering electric circuit
6、measured the voltage and the ambient temperature two parameters, and have the alarm circuit, when the parameter ultra time limit system may report to the police, the display circuit to display the measured parameters.In which linear light coupled apparatus TIL300 may survey effectively in the voltag
7、e gathering electric circuit the channel and the computer system isolates, moreover the linearity which enlarges to the signal very is also good. The temperature gathering electric circuit uses the widespread use digital temperature gathering chip DS18B20 presents to the accumulator cell the ambient
8、 temperature to carry on gathering. The alarm circuit uses the buzzer, the parameter ultra time limit it may report to the police. Display circuits used digital tube display, and with a professional driver to drive the digital pipe. Keywords: battery, single chip microcomputer, monitoring 河南理工大学毕业设计
9、(论文)说明书 III 摘要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 课题意义 . 2 2 蓄电池 . 3 2.1 蓄电池介绍 . 3 2.2 蓄电池分类 . 4 2.3 蓄电池发展现状 . 5 2.4 阀控蓄电池失效原理 . 6 2.4.1 蓄电池设计结构上的因素 . 6 2.4.2 蓄电池工艺质量的因素 . 7 2.4.3 使用环境因素 . 7 2.5 蓄电池监测方法和研究现状 . 8 2.5.1 V/F 转换提取电压法 . 9 2.5.2 电阻分压法 . 10 2.5.3 浮动地技术测量电池端电压 .11 2.5.4 线性电路直接采样法 .
10、11 2.5.5 开关矩阵法 . 12 3 硬件设计 . 14 3.1 系统组成 . 14 3.2 单片机 . 14 3.3 复位电路与时钟电路 . 17 3.4 电压采集电路 . 18 3.5 温度测量电路 . 20 3.6 报警电路 . 23 3.7 显示电路 . 24 3.8 电源部分电路 . 25 4 软件设计 . 27 4.1 系统总体功能 . 27 4.2 主程序 . 28 4.3 电压程序 . 28 4.4 温度程序 . 30 4.5 显示程 序 . 31 4.6 A/D 转换程序 . 34 4.7 定时程序 . 34 5 设计小结 . 36 致 谢 . 37 参考文献 . 38
11、 附 录 . 39 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 1 1 绪论 铅酸蓄电池作为一种化学电源,自 从 蓄电池 问世 以来,尤 其是近年来随着阀控式铅酸蓄电池的出现,蓄电池以其价格低廉、易于浮充使用、电能效率高、电源独立性好、可移动等优点被广泛应用于汽车、船舶、变电站、发电厂、邮电通讯系统、铁路客车等各个领域。 在电力系统中,蓄电池一般作为 应急电源 电源使用,是 电力系统 中一个重要组成部分,因此蓄电池的好坏 将直接关系到 电力系统是否能够安全、可靠运行。 现在随 着国民经济的迅速发展,电力系统和通信系统发挥着越来越重要的作用。而蓄电池作为系统中重要的组成部分,它的好坏又直接影响到电力系统
12、和通信系统是否能安全、可靠和高效运行,所以必须保证蓄电池的 质量。 为了提高蓄电池的使用寿命,保证其可靠运行,需要经常对蓄电池参数进行严格测量,以确保蓄电池组处于最佳的工作状况。 1.1 课题背景 电力系统中有三大电气设备,分别为一次设备 (如发电机、主变压器等 ),二次设备 (如监视、测量、保护等 )和直流电源设备。直流保护操作电源是发电厂和变电站必备的设备之一,稳定、可靠、安全的保护操作电源是保证电网正常运行的关键。而这其中的核心是蓄电池组。它与充电整流设备,直流馈电网络等设备构成电力系统中发电厂、变电站直流电源系统。 蓄电池组是一个独立于发电厂、变电所用交流电源的直流电 源。在正常状态下
13、它为断路器提供合闸电源;在发生故障时,当发电厂、变电所用电中断时,发挥其“独立电源”的作用,为继电保护及自动装置、断路器跳闸与合闸、拖动机械设备的直流电动机、通信、事故照明提供电源。 一但蓄电池不能正常工作,那么 继电保护及自动装置 将不能工作, 断路器 不能 跳闸与合闸 。可以想象,这将带来多么大的损失。 平时蓄电池组并联在整流设备上,长期保持浮充备用状态。负荷由交流供电,只有当交流失电时,蓄电池组才向负荷提供能量,所以蓄电池的容量应该经常处于饱满的状态。但由于免维护阀控蓄电池本身构造的特点,这种电池在 长期浮充以后,常常会出现活性物质脱落、电解液干涸、极板变形、栅极腐蚀及硫化等现象,加之由
14、于使用维护不当等原因,电池早期失效现象经常发生。为防止事故发生,必须及早发现坏掉的电池。只有通过对电池参数的测量,才能判断电池是否正常,才能及早发现和更换坏掉的电池,保证系统正常运行。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 2 1.2课题意义 蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源 , 历史悠久 , 使用广泛 , 与我们的社会生活息息相关。作为后备电源 , 蓄电池是确保设备正常运行的最后一道生命线 , 如果听任其长期处于状态不明的情况下运行 , 那么将存在严重隐患。随着时间的推 移 , 电池使用年限的增加 , 由电池引起的中断事故将防不胜防。因此 , 合理可靠地对电池进行管理和维护 , 能够保证电池
15、有较长的使用寿命 ,从而达到保证设备拥有不间断电源。在电源系统的维护中 , 蓄电池的维护管理占据非常重要的地位。怎样才能延长蓄电池的使用寿命 , 保证蓄电池有足够的容量 , 充分发挥蓄电池作为后备电源的作用 , 确保通信、电力、应急等系统的正常运行。这对各个行业电源及后备电源维护有着非常重要的意义。 在现今这个以工业为主的社会中,铅酸蓄电池的应用越来越广泛了,如今交通工具大都装有蓄电池,诸如各式各样的飞机 、船用、火车和汽车等,还有通信 、电力和金融行业的后备电源 等等。这些场合都是要求蓄电池的运行绝对可靠,这样就对蓄电池的检测和维护提出了很高的要求。如果这些领域在蓄电池方面出现了故障,没有及
16、时发现和解除,那么造成的严重后果是无法估量的。因此蓄电池检测仪表对蓄电池的正常运行,提高蓄电池的使用寿命,减少应用领域事故发生,降低财产损失有着重要的意义,应用前景广阔。 本文主要针对的是电力系统中变电站的蓄电池,它一般是 阀控密闭蓄电池。 由于自身结构上的优势,电解液的消耗量非常小,在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水 ,所以也叫免 维护蓄电池。它只是 不需要 经常 补充蒸馏水 而已,并不是真的不需要维护。 实际这类电池容量的检测比开口式铅酸蓄电池更为复杂,开口式电池可以通过测量电解液的密度来判断蓄电池的状态,而这类电池首先从外观上不能发现内部故障,也不能通过测量电解液的密度来判别电池的好坏。其
17、次目前常规的测量方法是对蓄电池进行恒流长时间做放电试验,直到达到终止电压时停止放电,这种方法需要停电进行,而且试验方法复杂,另外由于试验间隔期一般较长,对于电池组容量意外降低的情况难以及时发现。并且蓄电池组发生故障后,如果进行人工维护,蓄电池数量较多,情况 各异,维护工作量大,且不易发现故障电池,将直接影响故障处理的准确和及时。因此,平时对蓄电池组运行自动检测、故障诊断及其早期发现就显得十分必要 ,这样不但能尽快发现失效电池,以免影响整组电池的运行,而且能减少电池失效的概率,使电池始终运行在最佳状态,这正是监测系统的作用。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 3 4 2 蓄电池 2.1 蓄电池
18、介绍 蓄电池是一种化学电源,即是一种把氧化还原反应所释放出来的能量直接转变成低压直流电能的装置。它既可以储存能量,又可以释放能量,并且转换效率高,对环境的适应性很强。虽然它的构造是各种各样的,但构成电池的主要部件都 是正负极板、电解液、隔板和电池槽等。其中正负极板上的活性物质和电解液发生化学反应,对电池产生电流起着主导作用。它 的 正 极 活 性 物 质 是 二 氧化铅 (PbO2) , 负极活性物质是海绵状 金属铅 ( Pb) , 电解液是稀硫酸 (H2 SO4 ) ,它们之间通过可逆的化学反应来产生电子的移动,即产生电流,达到了能量的相互转化。 一般的蓄电池铅酸蓄电池是由正负极板、隔板、壳
19、体、电解液和接线桩头等组成,其放电的化学反应是依靠正极板活性物质 (二氧化铅和铅 )和负极板活性物质 (海绵状纯铅 )在电解液 (稀硫酸溶 液 )的作用下进行,其中极板的栅架,传统蓄电池用铅锑合金制造,免维护蓄电池是用铅钙合金制造,前者用锑,后者用钙,这是两者的根本区别点。不同的材料就会产生不同的现象:传统蓄电池在使用过程中会发生减液现象,这是因为栅架上的锑会污染负极板上的海绵状纯铅,减弱了完全充电后蓄电池内的反电动势,造成水的过度分解,大量氧气和氢气分别从正负极板上逸出,使电解液减少。用钙代替锑,就可以改变完全充电后的蓄电池的反电动势,减少过充电流,液体气化速度减低,从而减低了电解液的损失。
20、 由于免维护蓄电池采用铅钙合金栅架,充电时产生的水分解 量少,水份蒸发量低,加上外壳采用密封结构,释放出来的硫酸气体也很少,所以它与传统蓄电池相比,具有不需添加任何液体,对接线桩头、电线腐蚀少,抗过充电能力强,起动电流大,电量储存时间长等优点 。 免维护蓄电池因其在正常充电电压下,电解液仅产生少量的气体,极板有很强的抗过充电能力,而且具有内阻小、低温起动性能好、比常规蓄电池使用寿命长等特点,因而在整个使用期间不需添加蒸馏水,在充电系正常情况下,不需从拆下进行补充充电。但在保养时应对其电解液的比重进行检查。 大多数免维护蓄电池在盖上设有一个孔形液体 (温度补偿型 )比重计 ,它会根据电解液比重的
21、变化而改变颜色。可以指示蓄电池的存放电状态和电解液液位的高度。当比重计的指示眼呈绿色时,表明充电已足,蓄电池正常;当指示眼绿点很少或为黑色,表明蓄电池需要充电;当指示眼显示淡黄色,表明蓄电池内部有故障,需要修理或进行更换。 免维护蓄电池也可以进行补充充电,充电方式与普通蓄电池的充电方法基本一样。河南理工大学毕业设计(论文)说明书 4 充电时每单格电压应限制在 2 3-2 4V 间。注意使用常规充电方法充电会消耗较多的水,充电时充电电流应稍小些 (5A 以下 )。不能进行快速充电,否则,蓄电池可能会发生爆炸,导致伤人。当免维护蓄电池的比 重计,显示为淡黄色或红色时,说明该蓄电池已接近报废,即使再
22、充电,使用寿命也不长。此时的充电只能做为救急的权宜之计。 2.2 蓄电池分类 蓄电池种类很多,有铅酸蓄电池、铅酸胶体蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、锌空气电池和燃料电池等目前常用的蓄电池主要是铅酸蓄电池分别为普通蓄电池、干电荷蓄电池和免维护蓄电池。 铅酸蓄电池一般是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成。 镍镉电池是前几年使用最为普遍的充电电池。它的优点主要是价格便宜,缺点是其自放电率较高,存在记忆效应,且会对环境产生污染,因此也将逐渐地退出市场 。通常可以充放电 1000 次左右。 近两年来,重量更轻容量更大的镍氢电池得到了更为普遍的使用。在手机、数码相机、数码摄像机等便携式设备中都能
23、见到镍氢电池的身影。镍氢电池的容量比镍镉电池高 1.5 2 倍,且具有不污染环境、价格便宜、性能好等优点。镍氢电池的自放电率大概为 20左右 。 同其他充电电池相比较,锂电池具有最高的能量 /重量、能量 /体积比、无记忆效应等优点。但是锂电池成本高而且充电器要求也是最高的。如果对锂电池充电不当的话,很容易损坏电池,甚至产生电池爆炸。 最具代表的蓄电池是铅酸蓄电池,它是许多船用的动 力源或应急电源,也是火车指挥调度、邮电通信、银行运营等必不可少的应急电源。因此它的性能将直接关系到系统的可靠运行,火车调度、邮电通信、银行运营等。我们平时见到的大的蓄电池多为铅蓄电池。 目前,我们常用的 蓄电池主要分
24、为三类 , 分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三种 。 普通蓄电池 :普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成,电解液是硫酸的水溶液 。它的主要优点是电压稳定、价格便宜;缺点是比能低 ( 即每公斤蓄电池存储的电能 ) 、使用寿命短和日常维护频繁。 干荷蓄电池:它的全称是干式荷电铅酸蓄电池,它的主 要特点是负极板有较高的储电能力,在完全干燥状态下,能在两年内保存所得到的电量,使用时,只需加入电解液,等过 20 30 分钟就可使用。 河南理工大学毕业设计(论文)说明书 5 免维护蓄电池:免维护蓄电池由于自身结构上的优势,电解液的消耗量非常小,在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐
25、高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种:第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护 ( 添加补充液 ) ;另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死,用户根本就不能加补充液。 2.3 蓄电池 发展现状 铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源,具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富等优点,中国铅酸蓄电池行业经过 50年的建设与发展,已基本形成了大中小企业相结合、具有一定规模的铅酸蓄电池制造体系。“八五”计划期间,铅酸蓄电池行业发展稳定,产品档次和水平有了明显提高,产量有了进一步发展。进入“九五”计划时期之后,随着
26、我国改革开放进一步向纵深发展,各行业结构作了适当的调整,能源、交通和通讯等支柱产业飞速发展,给铅酸蓄电池行业带来了巨大的发展机遇。中国铅酸蓄电池的需求以每年 15 40的速度增长。 高能电池、廉价的燃料电池以及微电池的发展将会使愈来愈多的电子产品“动”起来。电池的种类将会更多、应用范围更广,价格更低廉且更加“清洁”。和太阳能联系在一起的电池以及以大气为活性物质的燃料电池将会在现代经济中飞速发展。电池技术将是新世纪的第二大关键技术,有着非常广阔的前景。 铅酸电池在重量比能量、体积比能量等方面比锂离子电池低得多,几乎是镍基电池的二分之一;在循环寿命、再生率、自放电和安全性方面 铅酸电池比镍基电池和
27、锂电池好,作为应用范围最广、用量最大的化学电源,铅酸蓄电池行业的机遇与挑战并 存,随着能源、交通、通信等基础产业的迅速崛起铅酸蓄电池的市场前景非常广阔,特别是适应环保与免维护需求的阈控式密封铅酸蓄电池已经被人们接受,并且在很多领域已逐渐取代传统的开口式铅酸蓄电池 但也应该看到,目前铅酸蓄电池行业整体技术水平、管理水平、人员素质、产品质量等参差不齐,急需进一步完善和提高,技术上应不断创新,使产品本身增强与其他化学电源品种的竞争力。 随着中国加入 WTO,将会有很多的国外一流企业加入市场竞争,对中国铅酸蓄电池企业构成很大的威胁。因此,中国的铅酸蓄电池企业应尽快完善、更新和发展产品技术,提高 产品的
28、档次和质量并且降低或本,使产品更具有竞争力,并要不断控制和限制创建低水平的蓄电池厂家,生产高质量的免维护汽车蓄电池、大中小阀控式密封铅酸蓄电池和作为动力源的牵引用蓄电池,增强与世界著名品牌蓄电池厂家的抗衡能力,使蓄电河南理工大学毕业设计(论文)说明书 6 池行业走上健康良好发展轨道。 2.4 阀控蓄电池失效原理 阀控铅酸蓄电池 是一个复杂的电化学体系,蓄电池的性能和寿命取决于电极的材料、工艺、活性物质的组成和结构、及蓄电池运行状态和条件等。基本上可以分为三类。 2.4.1蓄电池设计结构上的因素 板栅腐蚀 : 在充电时,特别是在过充电时,正极板栅 要遭到腐蚀,逐渐被氧化成二氧化铅而失去板栅的作用
29、,为补偿其腐蚀量必须加粗加厚正极板栅。电池设计寿命是按正极板栅合金的腐蚀速率进行计算的,正极板栅被腐蚀的越多,电池的剩余容量就越少,电池寿命就越短。 干涸失效 : 阀控式密封铅酸蓄电池一旦处于 “ 富液 ” 状态,会使隔板中 氧气 的通道阻塞,气体复合效率低,电池内压力增大,一部分 氧气 来不及复合就从电池内部溜出,导致失水。特别是在安全阀性能不良情况下,失水更加严重,经过一段时间后,电池会失水而干涸。 枝状结晶生成 : 阀控蓄电池由于电解液不流动所以不易产生枝状晶体。但当阀控蓄电池 处于过放电状态,或长期以放电状态放置时,枝状晶体穿透隔膜的现象仍会发生。在这种情况下,负极 pH 值增加,极板
30、上生成可溶性铅颗粒,促进板状结晶生成穿透隔膜造成极间短路,使电池失效。这种失效电池的电压为零。 负极板硫酸盐化 : 由于 化合反应的发生,无论电池处于充电或放电状态,负板总有硫酸铅存在,使负极长期处于非完全充电状态,形成不可逆硫酸铅,使电池容量减少,导致电池失效。阀控蓄电池比防酸隔爆蓄电池更易出现负极的硫酸化。这是由于: 实现氧循环而造成的负极板较低的电位; 固定的电解液造成的电解质的分层。 热失控 : 热失控是 阀控蓄电池所特有的一种失效模式热,它与闭合氧循环的机理有关。水分解为氢气和氧气的过程会产生热量,每 18 克水分解产生 210 6 千焦的热量。常规蓄电池在充电时,除了活性物质的再生
31、外,还有电解质中的水电解生成氢气和氧气。气体从电池内析出的过程中带走了水电解所产生的热量。阀控蓄电池在充电时内部产生的氧气流向负极,氧气在负极板使活性物质海棉状铅氧化,并有效地补充了电解而失去的水。这样,虽然消除了爆炸性混合气体排出的问题,但这种密封结构使得热扩散减少了一种重要途径,散热只能通过电池壳壁的热传导进行。当 阀控蓄电池 工作在浮 充或完全河南理工大学毕业设计(论文)说明书 7 再化合模式的过充状态时,没有纯化学反应,几乎所有过充的能量都转化成热能。如果系统周围环境能将产生的热散发并达到平衡,那么就没有热失控问题。当再化合反应热量升高率超过了散热率,电池的温度就会升高并且需要更大的电
32、流来维持浮充电压。而额外的电流又引起更多的化合反应和热量产生,从而进一上使电流温度升高,并如此往复。这种纯效应加速电池干涸和内部压力的升高,严重时会造成电池熔化或爆炸起火。热失控的潜在问题会由于环境温度的升高、单体或充电系统的故障而进一步恶化。因此电池安装时良好的通风和合适的环境温度很重要。为降 低发生热失控的风险,充电装置的浮充电压应根据蓄电池的环境温度进行温度补偿。 2.4.2蓄电池工艺质量的因素 在实际情况中,由于电池生产工艺质量的问题,如原材料成分不稳定,极板涂膏量不一致,极耳腐蚀断裂,壳体和壳 盖间渗透漏液,阀盖开闭不灵等,都造成蓄电池性能离散性大,也是蓄电池早期失效的主要因素。 2
33、.4.3使用环境因素 有些用户认为阀控蓄电池是免维护电池,厂家也有类似的误导宣传。阀控蓄电池特有的氧复合机理和阀控密封的结构,虽然在一定程度上减少了它的维护工作量,但使得其比防酸隔爆蓄电池在可靠性和鲁棒性上有所下 降,更容易受环境的变化、使用条件等因素的影响。过充、过放、渗液、环境温度过高、浮充电压过高等因素对阀控蓄电池的健康影响更大。 环境温度 : 环境温度过高对阀控蓄电池使用寿命的影响很大。温度升高时,蓄电池的极板腐蚀将加剧,同时将消耗更多的水,从而使电池寿命缩短。阀控蓄电在使用中对温度有一定要求。典型的阀控蓄电池高于 25时,每升高 6 9,电池寿命缩短一半。因此,其浮充电压应根据温度进行补偿,一般为 2 4 mV,而现有很多充电机没有此功能。为达到阀控蓄电池的最佳使用寿命,应尽可能创造恒温下的使用环境,同时保持 蓄电池良好的通风和散热条件。具体来说,安放蓄电池的房间应有空调设备。蓄电池摆放要留有适当的间距,改善电池与环境媒介的热交换。电池间保持不小于 15mm 的间隙,电池与上层隔板间有不小于 150mm 的间距的“通风道”来降低温升。 过度充电 : 提升浮充电压,或环境温度升高,使充入电流陡升,气体再化合效率随充电电流增大而变小,在 0 05C 时复合率为 90,当电流在 0 1C 时,气体再化合效