直流屏的用途：廣氾應用於水力、火力發電廠，各類變電站和其它使用直流設備的用戶(如石化、礦山、鐵路等)直流屏的心臟是蓄電池，對蓄電池進行科學的維護是直流屏的核心工作。
關鍵字：直流屏的用途、什麼是直流屏

　　1 引言

　　 直流屏是廣氾應用於水力、火力發電廠，各類變電站和其它使用直流設備的用戶(如石化、礦山、鐵路等)，為信號設備、保護、自動裝置、事故照明及斷路器分、合閘操作提供直流電源，並在外部交流電中斷的情況下，保証由後備電源—蓄電池繼續提供直流電源的重要設備。直流屏的可靠性、安全性直接影響到電力系統供電的可靠性、安全性。直流屏的心臟是蓄電池，對蓄電池進行科學的維護是直流屏的核心工作。

　　2 傳統直流屏的設計

　　 目前市場上大多數直流屏均採用對直流屏內蓄電池組整體進行充電的方式。蓄電池組的充電過程包括三個階段:主充、浮充和均充。採用蓄電池組整體充電的方式在進行浮充電時，由於蓄電池個體之間內阻的差異，常常造成一些蓄電池的浮充電壓不一致。浮充電壓是否合適直接影響到蓄電池的使用壽命。為了改進這一缺點，本文提出一種新型的蓄電池組充電方式。

　　3 改進方案

　　 為實現對每個蓄電池分別進行充電，為每個蓄電池設計一個單元模塊。該單元模塊能夠對實時檢測蓄電池的充放電過程中的電壓、電流大小，並根據這些數據進行主充與浮充方式的切換，以及對蓄電池的容量進行評估。另外設計一個總控制模塊對所有的單元模塊進行統一管理。總控制模塊與各單元模塊之間的數據交換是通過485總線進行的，它們之間的通訊遵循Modbus協議。

　　 改進后的系統框架如圖2所示:

 

 

3.1 總控制模塊設計

　　 總控制模塊負責收集各分模塊的關鍵信息如實時的充電電壓、電流值，通過液晶顯示屏向用戶顯示。並可以通過鍵盤接收用戶的輸入信息。該模塊主要由以下几部分組成:MPU，鍵盤，顯示器以及TTL至485通信電平轉換芯片，另外要根據需要加上其它輔助芯片如鎖存器、IO擴展芯片8255以及看門狗芯片MAX706等等

總控制單元中的MPU選用最常用的AT89C51芯片，鍵盤由P1口直接擴展，顯示屏採用型號為TG19264A的液晶顯示屏。

　　 由於單片機串行口輸出的是TTL電平，而常用的串行通信方式485要求相應的邏輯電平，所以系統中必須加上TTL電平至485電平轉換芯片。

　　3.2 單元模塊設計

　　 各單元模塊的功能是對進行電流、電壓監測並實現充電方式的自動切換，還要對蓄電池的容量進行評估。所以單元模塊內包括一個充電電路、容量測量電路和相應的控制迴路，單元模塊採用的是單片機控制，單元模塊中MPU選用AT89C51，而AD則選用雙積分式AD轉換器MC14433。這是因為本系統中需要測量的信號是蓄電池電壓和電流，而這些量的變化都比較緩慢，雙積分式AD已經能夠滿足要求。

　　 分站上MPU的資源利用情況如下:由於分站上只有AD需要與MPU進行數據交換，並且數據線只有四條，所以本系統不需要採用數據總線的方式。可以通過P1口讀取AD的數據。從而可以把P0口和P2口均作為IO口使用。甚至P3口的RD和WR也可以IO口使用。這樣MPU自身的IO口已經能夠滿足系統的要求。不需要再擴展IO口。

　　 如圖4所示，MPU的P0口用來讀入撥碼開關設定的地址，P1口用來讀取AD的數據，P2口發出到各芯片的使能信號和到各繼電器的控制信號。圖中AD需要外加1.999V基準源，並要求負電源供電。

　　 這裡的基準源選用MC1403芯片，它可以提供2.5V基準電壓，可以通過精密電位器分壓后作為AD的基準源。而負電源可以由專用的負電壓芯片ICL7660提供，該芯片的作用是把＋5V的電壓轉換為-5V。

　　 (1) 恆流充電迴路的設計

　　 下面介紹一下充電迴路的設計，由於該電路只用於對一節蓄電池進行充電，所以所選器件的參數可以降低。這也是本方案的又一個優點。本方案針對KOBE HF100－12型蓄電池進行設計，該電池每節容量為100Ah，電壓12V。充電電路分為兩部分，恆流充電電路與恆壓充電電路。圖5所示的恆流電路是通過限制流經充電三極管(如果電流較大可選用克林頓管)基極的來達到恆流的目的。因為三極管的放大倍數一定，如果基極電流恆定則其集電極的電流也恆定。其工作過程如下:如果通過電阻R1的電流小於限定電流(如10A)，則R1兩端電壓小於0.7V，三極管T2截止，則充電三極管T1基極的電流由流過LM317決定。LM317在這裡作為恆流源使用(因為其Vout與Adj之間的電壓恆定，所以在它們中間串入一個定值電阻可以直到恆流作用)。當流過R1的電流大於10A時，三極管T2導通，導致流過T1基極的電流減小，從而達到恆流目的。

　　 (2) 恆壓充電電路

　　 而恆壓充電電路相對比較簡單，可以由一個集成三端穩壓器構成:
(3) 內阻測量

　　 蓄電池性能的評價通常是通過測量其內阻來進行的。當蓄電池的蓄電能力下降時，其內阻會增加。當其蓄電能力降低至新蓄電池的一半時，其內阻會增加到新蓄電池的大約2倍。

　　 在本方案中採用直流放電法進行內阻測量。r為假定內阻，R為外接電阻。通過測量電路斷開與接通時的電壓，可分別得出蓄電池的電動勢E和電阻R兩端的電壓U。則由歐姆定律可得

　　 r＝(E-U)／U×R

　　 本系統中容量檢測電路非常簡單，只要在蓄電池兩端接入一個放電電阻，定期接通檢測蓄電池兩端的壓降即可。

　　3.3 系統軟件設計

　　 系統軟件設計包括總控制模塊軟件設計與分單元模塊軟件設計。其核心工作在於實現總模塊與分模塊之間的基於Modbus協議的通信。下面先對Modbus協議進行簡要的介紹。

　　 Modbus協議是Modicon公司制定的一種工業通訊協議，現在已經被許多工控廠商所支持，廣氾的應用到智能儀表，總線控制等領域。Modbus協議採用主從結構的通信方式，適用於半雙工的RS-485總線。工作時可以採用命令/應答的通訊方式，每一種命令幀都對應着一種應答幀。標準的Modbus協議中，為命令幀定義了許多功能碼，不同的功能碼要求從機進行不同的響應。在本系統中為了簡化，只用到了其中的一個功能碼0x03，即讀取從機內部寄存器。總模塊作為主機，分模塊作為從機，它們之間通過功能碼03來進行數據交換。

　　 總模塊的功能之一是監測鍵盤是否有鍵按下，根據鍵盤輸入信息確定顯示屏的顯示，並不斷向各分站發出查詢指令，以獲取各分站的重要數據。所以總模塊的程序圖如圖8所示的流程組成，其中左邊為主程序流程，右邊為通訊子程序流程。

分單元模塊的設計主要是AD讀數子程序與通訊子程序。其主程序流程圖如圖9所示，其中左邊為主程序流程，右邊為通訊子程序流程。程序進行初始化后，開始讀取電壓與電流信號的數值。如果蓄電池電壓小於13.5V或者充電電流大於電流限定值，則進行恆流充電，否則進行恆壓充電。然後判斷時間是否到了內阻檢測時間(該時間可以自己設定，如設為每星期檢測一次或者每月檢測一次)，如果到了則進行內阻檢測，否則執行下一步，調用通訊子程序。

 

4 結束語

　　 本文給出了一種新型的直流屏蓄電池監測系統的設計方案，此方案解決了傳統設計方案中不能為每節蓄電池提供合適浮充電壓的缺點，更有效地保証了蓄電池的長壽命運行，並且能夠減少蓄電池的備用量，有相當大的實用價值。