基于avr单片机的大型蓄电池存储容量检测系统设计

基于avr单片机的大型蓄电池存储容量检测系统设计

1基于安时计的电池储能检测方法作为电池或备用电源，典型电气、通信、大型客车和其他行业的电池。当电池工作时，实时了解电池容量的实际能力尤为重要。由于电池的充电状态即SOC(stateofcharge)不能直接测量,只能通过其外在特性如电压、电流、内阻、温度等参数的变化来估计电池的剩余电量。目前,测量电池容量的方法有密度法、开路电压法、内阻法、和安时法。其中前三种方法受电池自身特性、外部环境和使用寿命等因素影响较大,难以做成精确测量的通用仪器,尤其是在大型蓄电池应用中。安时法是根据电池化学特性,电池的相邻的一次充电总量Qc和放电总量Qd基本相等。依据这一特性,安时计成为监测大容量蓄电池储能的重要的仪器。文献研究了压频转换电路采样转换的方案,属于较早的简单测试电路。文献应用专用集成芯片SC801对电流采样和有效值转换对了研究。文献、研究了单片机在安时计设计中的应用,但所用的PIC或FREESCARL单片机只具有8位的AD采样数据,分辨率低、测量精度差。文献讨论了专用电池监视器DS2438与单片机MCS-196结合的设计思路。本文采用AVR高档单片机ATMEGA8L为核心控制芯片,设计了隔离采样的高精度安时计,它具有内置的10位AD转换器;内部0-8MHz晶振,无需象其他单片机必须外加晶振系统稳定性更高;可外接32.768K的钟表晶振,实现精准定时功能。工作电压2.7～6V,抗干扰能力强;片内还集成了512字节的EEPROM,可擦写100000次断电后数据仍然能保存100年。基本做到了系统的单片化,与传统设计相比,其可靠性和性价比都大大提高。2隔离采样的硬件电路设计蓄电池的容量Q是以安时(Ah)为单位来计量的,它的表达式公式(1)中,Q的精确度主要由充放电电流;(τ)和充放电时间t的精度决定。i(τ)的精度由采样的AD和电压基准等级决定。t则要求系统有一个高精度的定时器。所以测量仪器需要有高等级的电压基准和时间基准。工业上大电流采样通常使用分流器或者电流互感器,其中±75mV、±100mV分流器应用较为广泛。为适合所有测量需要,所设计安时计的输入应该在±100mV之间。由于蓄电池的负载可能是电机、电源变换器等强电磁干扰源,可能工作于负载突变、震动冲击、静态放置等复杂的工况环境,测量仪表的隔离采样措施是仪表长期稳定工作的重要保障。考虑到复杂的工况下,有可能发生测量仪表的意外断电,所以现代化的仪表系统应该具备数据掉电保护和芯片自动复位功能。基于以上思路,本方案采用AVR高档单片机AT-MEGA8L为核心控制芯片,设计了隔离采样的高精度安时计,安时计的硬件电路框图如图1所示。硬件电路主要由隔离采样放大电路、单片机控制器、显示电路、电源模块、电压基准等部分构成。隔离采样电路选用了光电隔离放大器HCPL7800作前级信号处理,它可以将分流器输入的±100mV小信号通过∑△变换方式,实现隔离采样放大,且温度特性好,线性度高,性价比高。AD采样是数字信号处理的基础,AD采样精度由电压基准决定,电压基准芯片AD586是一个精度达到0.0001V的电压基准芯片,满足系统设计的精度和电气特性要求。由于系统实际上是一个大时间常数的积分运算,时间基准的精度直接决定了系统精度。而一般的晶振精度都在2%～3%左右,所以使用系统晶振定时,其精度无法保证。AT-MEGA8L内部带32.768K钟表晶振的校准系统,可以达到电子钟表的时间精度。由于ATMEGA8L可以在2.7～6V宽电压范围内工作,当系统监测到供应电压下降,可以在8个时钟周期内(约1μs)将当前数据保存到内部EEPROM,在下次上电后,取出数据继续工作。3参数识别3.1光催化氧化由于电子元器件的自身特点,光电隔离器件自身具有非线性特征,尤其是在输入信号很小时,芯片误差就必须考虑,同时由于分流器信号到达单片机AD采样口后,会由于系统噪声导致非线性畸变。即使使用更高等级的信号调理电路,也不可能完全消除这种畸变,而且这会使系统造价急剧升高,不适合于工业通用仪表设计。电流信号通过光电隔离放大器HCPL7800前后的测试波形如图2所示,通道1为所测电流信号(用信号发生器模拟),作为光电隔离放大器输入,通道2为光电隔离放大器输出,即单片机AD的采样信号。由图可见,输出信号与输入信号相比在大部分区域线性度较好,但有滞后,有偏置、过零点处有失真。用软件消除畸变的线性化校正策略有:软件最小二乘算法辨识系统模型法、现代智能控制算法(如BP神经网络辨识)等。现代智能控制算法可以很好的辨识出系统模型,得到较高精度的结果。但是计算量太大,即使是离线辨识,也无法在只有几Kbite单片机代码容量中实现。所以采用最小二乘辨识模型法,代码量小,性价比高,系统稳定可靠。3.2量测矩阵和随机噪声最小二乘辨识算法是一种参数估计算法,其特点是算法简单,不必直到与被估计量以及量测量有关的任何统计信息,所以在工业测量技术中应用广泛。设X为确定性常量,维数为n,一般现实测量系统很难精确测量X,而只是测量到X各分量的线性组合。记第i次测量Zi为:式中Hi和Vi分别为第i次测量的量测矩阵和随机噪声。最小二乘的估计指标是:各次测量值Zi与估计值确定的测量值之差的平方和最小,即:可见最小二乘是无偏估计,即式中是的估计误差。3.3最小二乘模型实测数据Hi和理论数据Zi见表1,采用Malab中最小二乘算法估计模型辨识出的系统线性化模型参数是,如图3所示,x轴是安时计输入信号,实线是理论期望值,星号(*)是未经最小二乘算法模型处理的单片机AD量测数据H,圆圈(o)是经过最小二乘算法辨识模型处理后的单片机输出数据Z。虚线(…)是最小二乘辨识模型的误差。各次测量值Zi与估计值确定的测量值之差由误差公式计算得出系统模型的误差见表1,系统模型参数理论误差精度均小于1%。4显示等任务软件流程如图4所示。(a)是主程序流程图,主要完成系统初始化、响应按键和显示等任务,(b)是钟表定时器的1/16s中断服务程序,这也是软件系统工作的节拍,在一个节拍内完成系统状态标志位设定、AD采样、数据滤波算法、最小二乘数据修正、电流值积分累加计算等任务。软件系统具有实时性和多任务特点。5试验数据处理为验证蓄电池容量检测仪是否达到设计要求,我们设计了如下测试实验。在安时计的输入端加载不同幅值的直流信号,模拟充、放电状态,测试6min采样数据及误差分析。见表2。从表2可以看出不同输入信号下,安时计测量结果相对误差均在1%误差范围内,达到了设计要求。6基于物联网的放电控制系统本安时计方案采用高档AVR单片机ATMEGA8L为核心,使系统呈现单片化结构。实时准确地测量出蓄电池充放电量,且体积小、量程大、量测端与系统电气全隔离,适合于复杂的强干扰环境的