蓄电池巡检仪硬件电路设计

1摘要在各个大型电站或其他行业之中，直流电源屏和UPS电源系统对维持电力系统的稳定性有着十分重要的意义。而及时的发现失效电池对保持直流电源屏的正常工作起着关键的作用。本次毕业设计论文主要是使用MCS-51系列单片机中的一种AT89C4051对蓄电池巡检仪的硬件电路和软件编制做出初步的设计.本次设计采用AT89C4051作为CPU，辅以三态缓冲器74HC244来读取并储存蓄电池组的站号，通过对电池不断的测量，如果上位机的发出的站号与电池的站号一致，那么测量值就可以发向上位机。而蓄电池的模拟信号的采集主要通过TLC549A/D转换芯片来实现。数据通过光藕隔离和上位机通讯，在一定的召唤和应答规约之下通过RS485通讯端口便可以与PC机交换数据或与其他网络相连实现远程遥测的功能。本篇论文采用PROTEL99软件来实现硬件电路的设计，软件采用C语言编程。关键词：三态缓冲，数模转换，异步通讯,规约AbstractTheDCPowerSupplyandUninterruptablePowerSystemoftenplayakeyroleinmaintainingthesafetyoflargeelectricalequipmentinPowerPlantorotherTransmissionSubstation.SoDetectingtheBatteries,whichareinbadworkingcondition,immediatelyseemsverymeaningfulandsooftenis.Thisthesismainlyconcentratesontheapplicationofonekindofchip-AT89C4051inMCS-51family.Inmythesis,IusetheAt89c4051todesignthetheoreticmapofmeasuringhardwareandperipheries.Meanwhile,IfurtherthediscussionofsoftwarewithCprogrammablelanguage.Inmythesis,IchooseAt89c4051astheCentralProcessUnitaccompanywithTri-StateBuffer74HC244whichisusedtocollectthecodeofthebattery.Inmostofoccasion,theuppercontrolcomputersendthecodeofthebatteryinordertoselectthebatterywhichwewanttomeasure,atthesametime,themeasuringpartcouldreceivethesignal.Ifthecodeaccordexactlywithprotocolwhichismadebyus,themeasuringpartstarttouploadthemeasuringresulttotheuppercontrolcomputer.InthissituationweuseSerialInterface(RS485)tocommunicatewithremotecontrolunitorotherPCthroughoptical-SegregationinordertocarryouttheLongDistanceMeasurement.ThisthesisuseProtel99asmaindesigningtooltoachievehardwaredesignandCprogrammablelanguagetoaccomplishsoftwaredesign.Keywords:Tri-StateBufferA/DConverterAsynchronousCommunicationProtocol2第一章概述第一节：蓄电池在电力行业中的运用直流操作电源系统是变电站、发电厂不可缺少的二次设备。该系统由整流电源和蓄电池组组成。在正常情况下，整流电源为变电站、发电厂内直流设备供电，同时给蓄电池组充电，保证蓄电池处于满容状态。当发生交流停电时，蓄电池组放电，保证直流设备不会停电。目前在电力系统广泛使用的是阀控式密封铅酸蓄电池。随着变电站等级的提高，蓄电池的容量呈递增状态，而蓄电池的费用也呈递增曲线。尤其是500kV变电站及发电厂用的直流操作电源系统，蓄电池组在整套设备的费用比重会远远大于整流电源所占费用比重。因此蓄电池的维护成为非常重要的问题。测量蓄电池品质最直观的办法就是测量蓄电池的端电压，其能直接反映蓄电池的过充和欠充。为了及时得到每节蓄电池的情况，并且减少维护的工作量（目前电力系统正在大力推行变电站无人值守），在较为重要的变电站，特别是110kV以上等级的变电站及发电厂的直流操作电源系统中大多要求配置蓄电池检测装置。阀控式密封铅酸蓄电池以2V为基本单元，大容量的蓄电池均采用2V/节，小容量的为内部6个单元串联，构成12V/节，也有些较少的品牌采用6V/节。我国变电站内部直流设备通常为220V/110V，220V的直流操作电源需配置18/19节12V蓄电池或103～108节2V蓄电池，110V的直流操作电源以次类推。蓄电池头尾串联，最后与整流器的输出并联。通信电源系统与直流操作电源系统类型相似，也是由整流器和蓄电池组组成，只是其输出电压为-48V（其正端与大地相连），对应输出电压，蓄电池组由4节12V或24节2V蓄电池串联而成。对于重要的系统，特别是无人值守的通信基站，为蓄电池组配置蓄电池测试仪也成为一种趋势。第二节：传统的蓄电池巡检仪为检测单节蓄电池电压，要在蓄电池两极引出采样线。例如：18节蓄电池一一串联组成蓄电池组，则要引出19根采样线；若是108节蓄电池组成蓄电池组，则需要109根采样线。目前应用比较普及的蓄电池测试仪采用巡检方式，通过端子接入采样线，如下图所示。···+整流器-蓄电池测试仪采样线端子3蓄电池测试仪内部单片机控制继电器逐一切换，将每节电池分别与单片机测量系统共地相连，从而测得单节蓄电池端电压。蓄电池测试仪通过串行通讯口将数据传至直流操作电源微机监控装置，便于操作人员观察、记录，还可与直流操作电源系统其它信息一起再传给变电站综合自动化后台装置，直至电力系统主站。采用巡检方式的蓄电池测试仪的优点是造价低廉，但缺点也很明显，主要有以下几点：1）现场连接线太多，尤其是采用2V蓄电池时，要连接大量的采样线；2）连接采样线有一定危险性。由于采样线是通过端子接入单片机系统，而考虑到体积和成本，相邻接线点距离很近；蓄电池采样线是带电作业，连接蓄电池具有一定危险性，而长距离连接蓄电池采样线，尤其是采样线数量较多，不易分辨其顺序，不但操作任务较重，发生事故的机率也高；3）可靠性低。蓄电池测试仪从直流母线上取电作为装置输入电源，若受到强电干扰，有可能造成某一时刻一节以上继电器动作，则蓄电池会通过采样线形成短路；4）寿命受采样频率影响。目前较好品牌的继电器的切换次数多为105～106次，若切换频率较高，会影响继电器进而整个装置的使用寿命，因此采用巡检方式的蓄电池测试仪均以加大继电器切换时间来延长装置寿命，但这样会造成数据更新周期偏长。第三节：新型蓄电池巡检仪新型蓄电池智能测试装置由若干测试单元组成，工作时每节蓄电池配置一块测试单元，测试单元内置单片机，以单节蓄电池作为其电源输入，通过电路将蓄电池电压变换成单片机工作电压，同时单片机通过自带的AD测试出蓄电池端电压。测试单元通过跳线对应唯一通讯站号，上位机通过隔离的485总线，带站号分别召唤每个测试单元，获得每个蓄电池的端电压数据。根据铅酸蓄电池的电压级别，测试单元分为2V和12V两种。两者原理基本一致，2V的测试单元要通过升压电路，将蓄电池端电压升到单片机的工作电压；而12V的测试单元则通过降压电路，将蓄电池端电压降到单片机的工作电压。与传统的蓄电池巡检装置相比：新型蓄电池智能测试装置有以下几个优点：1）其测试单元尺寸很小，并且以每节蓄电池端电压作为其输入电源，因此可就近连线，甚至置于蓄电池表面。与蓄电池一一对应，连接线的危险性大大降低，只要注意正负即可；2）根据蓄电池节数配置测试单元，通用于直流操作电源和通信电源。目前直流电源系统，包括直流操作电源和通信电源均配置微机监控装置，其装置也多配有RS485通讯口，若其使用合适的RS485驱动芯片，最多可支持256个通信节点，则测试单元可直接作为若干通讯节点接入该通讯口的485总线，单节蓄电池端电压数据直接进入上一级监控装置，进一步节省资源；3）由于不采用继电器切换方式，不但使用寿命长，而且每个测试单元同时工作，数据更新速率取决于上位机召唤频率，数据刷新率大幅度提高。4）测试单元通过端子上485总线，与上位机只有两根通讯线相连，取代了传统蓄电池巡检装置的大量采样长线，现场清爽，走线方便，如下图所示；4本次设计主要以ATMEL公司的AT89C4051为CPU，辅以74HC244，TLC549，MAX756等芯片来实现针对2V蓄电池的蓄电池测试单元的测量以及通讯。下面的章节将会对各种芯片结构和原理，和硬件电路的设计进行分别详细阐述。第二章硬件电路的核心芯片第一节ATMEL系列的AT89C4051AT89C4051是一种8位的，4KFLASH闪存，128BITRAM的CPU一）基本特征2）具有MCS-51系列产品的基本功能3）2.7V-6V的工作电压4）双基准内存锁存器5）15根可编程的I/O线6）6个中断源7）直接LED的输出驱动8）低功率闲置和功率关闭模式9）4K可重复编程的闪存10）全静态操作频率0-24MHz11）1288位的RAM12）2个16位计数器和定时器13）可编程的串行通信异步收发通道14）On-Chip模拟比较器二）基本描述AT89C4051有4K字节的闪存（可编程可擦除只读内存EPROM）的低电压高效运行的8位微处理器。这个设备通过使用AMTEL的非易失的内存技术和工业标准与MCS-51兼容。我们通过比较通用的8位CPU和单片集成电路中的闪存可以知道。对于许多的嵌入式控制系统来说，ATMEL的AT89C4051具有更高的灵活性和高效性。AT89C4051提供下述标准特征：1）4K字节的FLASH闪存2）128字节的RAM3）15根I/O线4）两个16位的定时器/计数器5）一个5矢量双水平的中断系统6）一个双向串行通道7）一个精度模拟比较器8）芯片中的震荡器和时间电路。此外AT89C4051零频率状态下···+整流器-上位机系统485总线测试单元测试单元测试单元测试单元AB5运行的静态逻辑并提供两个软件节能模式以供使用。IdleMode闲置方式使CPU停止工作，但允许RAM，计数器/定时器，串行接口和中断系统继续工作。PowerDownMode会保存RAM中的内容，但使震荡器停止工作，并且终止芯片其他功能直至重启。如图-2所示基本管脚一）管脚的基本功能VCC：供电电源GND：接地Port1：端口一是八位双向I/O口。P1.2-P1.7端口提供上拉。而P1.0-P1.1需要外部上拉。P1.0-P1.1常常作为正向输入和反向输入，这两个输入分别在芯片中的精度比较模拟器。端口1输出缓冲能下降20MA，并且可以直接驱动LED显示器。端口1置1，它变为输入，当管脚P1.2-P1.7作为输入并且被外部拉低，那么他们将由于内部的拉阀而作为电流源。端口1同样在闪存编程和修改时接收代码数据。Port3：管脚P3.0-P3.5和P3.7是7根双向I/O口，内存内部上拉阀，P3.6为比较器的输入和输出端口，但不能作为通用的I/O口。端口3的输出缓冲能下降20MA。当端口3被置1，端口3被内部拉阀上拉同时可以被视为输入。作为输入，端口3的管脚被外部拉底，这样端口3将形成I1L，这些均是由内部拉阀所决定的。同时端口3同样可以作为AT89C4051的各种特殊功能：P3.0：RXDP3.1：TXDP3.2:0INT