基于MSP430单片机的蓄电池充电系统

1万 · 2013-11-24 20:47

摘要：主要介绍了一种基于MSP430蓄电池充电系统，同时给出了系统软硬件结构。
关键词：单片机；蓄电池；脉冲触发；MSP430

铅酸电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，广泛应用于通信、铁路、交通、电力、石油、国防、工农业生产部门。在传统的充电技术中，常用的恒压充电、恒压限流充电、恒流充电等模式，都是由工人控制充电过程，由于充电技术不能适应免维护电池的特殊要求，严重影响电池的寿命，大量的免维护电池用几年后即报废，造成巨大的经济损失。本文所介绍的新型智能充电机系统，解决了动态跟踪电池可接受充电电流曲线的技术关键，形成了独具特色的智能充电机系列，提高了充电质量和效率，充电工人只担任辅助性工作，为充电技术和充电设备闯出了一条崭新的路。

1硬件部分
电池充放电过程中，可进行恒流、恒压、涓流、充放电时间以及终止电压等多种控制规律选择。整个系统分2层，下层是执行层，上层为控制层。
1.1节点层
利用三相桥式全控整流桥技术实现充放电转换。晶闸管的触发由MSP430来完成。拟采用双窄冲触发，以减少触发装置的输出功率。下层的核心就在于对MSP430的控制。MSP430F135是TI公司新近推出的Flash系列的16位单片机，他具有内置12位A/D转换器、串行通讯接口，集成JTAG接口，内置Flash存储器，具有看门狗定时器，2个16位定时器，可实现计数、时序发生、PWM等功能。并通过对堆栈的处理，实现了中断和子程序调用层次无限制，具有嵌套中断结构，即高级中断程序可以被低级中断请求打断，当中断请求同时发生时，按优先级别处理。利用他的12位A/D采集电流电压值，作为闭环控制的反馈变量。处理后的反馈变量与设定的值进行比较，根据一定的控制规律进行计算，确定触发角度，由单片机直接给出触发信号，打开可控硅。控制精度可达到2.5‰。电流电压采集采用差模放大技术，该电路简单，实现容易，且反馈精度高。单路结构图如图1所示。

1万 · 2013-11-24 20:47

1.2控制层
实现控制系统的集散式控制。中间层的主要任务就是集合多路下位机的数据。中间层以ATmega16单片机为核心，他是一个与51系列兼容的8位单片机，易进行外围扩展。下位机数据经过通讯接口，上传到本层的非易失大容量存储器（Flash）DA28F640中。在本层加入人机界面LCD液晶显示屏以及键盘输入，由操作人员在本层对下位机直接控制。本系统也可组网，连接到计算机上。操作人员可以通过PC机实现对下位机的监控管理。
2软件部分
本系统采用汇编语言设计，模块化程序结构，由主程序模块、数据采集模块、数据处理模块、定时脉冲发出模块以及通讯模块等几大模块组成。程序首先判断出执行命令，再转入条件设定子程序，如恒流充电命令，程序首先把设置电流、终止时间等命令结束条件赋值与判断变量，然后设置这些变量的布尔量为真，这样各种充放电命令简化为由主循环直接进行条件判断。整体程序结构紧凑、简洁、易懂，且易于设计、调试、维护和移植。
2.1数据采集/处理
本系统数据采集采用差分放大电路，直接从电池两端引入电压、电流信号。选用放大器OP07。模拟到数字转换部分由MSP430内置A/D转换器完成。在主循环中起动A/D转换，转换结束后由中断程序把转换后的值存入指定的寄存器，留待全部转换结束后处理。设置转换结束标志位，以防重复启动。由于现场各种干扰的存在，使得采用所得的数据有一定的误差。为使转换结果更精确，同时考虑到系统灵敏性，可令每个输入信号采样4次左右，在处理上运用数字滤波处理，采用算术平均值法。算术平均值法适合于对一般的具有随机干扰的信号滤波，特别适合信号本身在一数值附近上下波动的情况。
应用中也可根据被测参数的实际情况及所得数据规律，而综合采用多种算法，以取得更有效的滤波效果。处理后的值先与设定值比较，得出差值，再由关系式：

其中：Ud为变压器二次相电压有效值；
U2L为变压器二次线电压有效值。

1万 · 2013-11-24 20:48

加实验得出电压电流差值于度数相对应的调整关系，再由度数和时间的关系转化为时间参量。将电压电流差值量转化为时间差值量后，再将时间差值量与原设定值相加（充电）或相减（放电），从而动态的调整角度，进一步动态的调整电压电流的值，维持电压电流的以定的可接受的曲线变化。由于系统能够不断的采集反馈回来的电流电压的值，根据情况随时动态的调整控制量，使系统能随时跟上电流电压的变化而采取相应的措施，避免了在充/放电过程中产生过大电流的可能性，使电流曲线变化平缓。
2.2脉冲触发程序
MSP430的 P1口具有外部中断工作方式。由三相电经变压器引出任意两相经由比较器接入P1口，当两相互换时，引起P1口产生中断，可准确确定出两相的换相点位置。确定了换相点的位置，在P1口中断程序中打开定时器，把由电压换算出的时间值付给定时器的16位寄存器。定时器经过触发角时间产生中断，在定时器中断程序中打开相应触发脉冲的引脚。按规律经15°后脉冲结束，再经45°，打开下一个触发引脚。一个周期（360°）后，有采样的电压或电流重新确定触发角，重新给定时器的寄存器复值。

1万 · 2013-11-24 20:48

2.3上层程序
上层程序主要有2部分组成：人机接口部分和通讯部分。人机接口包括键盘控制和显示2部分。在程序中，用键盘编制各种控制规律、控制程序。可将DA28F640内部分成若干个区，是下层每个节点对应一个区，把相应的充放电程序及下层传递过来的现场数据存到相应的区内。在单片机内部建立小型字库，存入需显示的字符,确保LCD液晶屏能动态地显示当前电压电流时间等值。
3结语
本系统自动化程度高，大大提高了生产效率；人机界面友好，易于操作、管理。操作人员只需在控制层编好控制程序，系统负责把程序传到各个节点，由各个节点独立进行操作，中间无需看守，实现了设备的全自动化。工作过程中电流电压的变化由系统自动进行相应的调解，在掉电情况下系统会自动保存现场数据，实现了系统的智能化。

1万 · 2013-11-24 20:49

参考文献

［1］胡大可，等MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2000
［2］张毅刚，等MSC51单片机应用技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997
［3］ATMEL公司8Bit AVR microcontroller with 8k bytes insystem programmable Flash AT90S8515 REVB Errata sheet