阀控式铅酸蓄电池液面参数检测系统硬件设计

毕亚军　李红飞

【摘   要】   介绍一种阀控式铅酸蓄电池（VLRA）液面参数检测系统的硬件结构和特点。系统主机模块采用AT89C51单片机结合显示、扩展存储和看门狗技术；从机模块采用AT89C2051单片机驱动线阵CCD实现非接触测量；红外传输模块采用RS-232串口转红外技术实现数据传输。系统具有布线少、体积小、精度高、非接触测量等特点。

【关键词】   阀控式铅酸蓄电池；液面参数检测；AT89C51；红外技术

The Hardware Design of Lead-acid Battery Liquid Level Detection System

Bi Yajun1， Li Hongfei2

（1.North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China;

2.Beijing Xinyuan Electronic Information Technology Co.， Ltd.， Beijing 100089， China）

【Abstract】    The structure and advantages of a detection system for VLRA liquid level were introduced. The host module of system adopts MCU AT89C51 and combined with display， expanded storage and the watch dog. The slave module adopts MCU AT89C2051， which can driver the linear CCD in order to realize non-contact measurement. The infrared transmission module uses RS-232 serial port converted to infrared technology to realize delivering data. The advantages of system include less wiring， small size， high measure precision and strong practicality， etc.

【Key words】     VLRA; liquid level detection; AT89C51; infrared technology

〔中圖分类号〕   TM912.1               〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2023）02- 0018 - 05

0     引言

阀控式铅酸蓄电池（VLRA）作为直流备用电源广泛应用于电力电子系统。由于电极制备工艺的特殊性以及运行状态的多样性，在充放电过程中，VLRA内部会发生一系列电化学反应，造成蓄电池性能及参数变化，严重时会产生一定程度失效［1，2］。例如：VLRA充电时内部电化学反应伴随着气体的产生与再化合过程。过充状态下产生气体的速度大于气体再化合的速度，导致一部分气体逸出而造成电池液位下降［3，4］。蓄电池正常充放电过程需要其内部电解液液面保持一定高度，如果液面高度不够，会使极板上部长时间接触空气而硫化，造成电池容量和使用寿命下降。

在一些大型电力电子系统中，VLRA组工作空间紧凑、数量众多。若采用人工方式检查蓄电池液面参数，则操作不便且精度较差。由于蓄电池密封不严和减压阀正常调节内部气压而排出气体等因素，蓄电池在使用中会有一定量的酸雾和氢气溢出，对检测人员安全造成影响。

为避免因电池性能下降对大型电力电子系统可靠性产生影响，本文基于AT89C51单片机和无线红外数据传输，对VLRA液面参数检测装置硬件结构和功能进行了设计。该装置由主机模块、红外无线传输模块和从机模块三个部分组成，整个系统可集成在蓄电池内，定时巡回检测蓄电池液面参数并自动完成数据传输和处理，实现对蓄电池液面参数的实时、非接触式检测的目标。

1     系统硬件设计

1.1   主机模块

系统主机模块由AT89C51单片机、显示单元、掉电保护和存储单元构成，主要功能包括系统配置、系统控制、数据存储及数据显示。主机模块的系统框图如图1所示。

1.1.1   主机模块单片机

主机系统采用ATMEL公司AT89C51型单片机，是一种低电压、高性能的CMOS结构8位单片机。片内具有4k bytes可反复擦写Flash只读程序存储器（ROM）和128 bytes随机存取数据存储器（RAM）。该单片机采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大、性价比高［5］。

1.1.2   显示电路

显示电路采用74LS164和74LS138作为扩展芯片。74LS164是一个8位串入并出移位寄存器，其功能是将AT89C51单片机输出的串行数据进行译码并在其并口上输出，从而驱动数码管。74LS138 为3-8译码器，其功能是将单片机输出的地址信号进行译码以实现驱动数码管动态扫描显示。由于74LS138电流驱动能力较小，所以采用驱动三极管2SA1015作为地址驱动。将4位数码管的段选信号连在一起，公共端则由74LS138分时选通，可实现动态扫描显示［6］。显示电路的结构如图2所示。

1.1.3   掉电保护和扩展存储电路

掉电保护电路采用Maxim公司的X25043。该芯片具有看门狗定时器、电压监控和E2PROM三种功能［7］。X25043的看门狗定时器为微控制器提供了独立的保护，可选超时周期有1.4s、600ms、200ms。当系统出现故障时，在超出所选的超时周期以后，X25043看门狗将发出RESET信号使系统复位。X25043还集成有低VCC检测电路，当VCC降到最小VCC检测电平时，RESET变为低电平，使系统复位，直至VCC升至最小VCC检测电平时间达200ms为止。X25043还具有512×8位串行E2PROM，可兼做数据存储器（RAM）而无需另外扩展。掉电保护电路和扩展存储电路如图3所示。

1.2   从机模块

从机模块线阵CCD作为蓄电池液位传感器，主要用于铅酸蓄电池液面参数的采集。主芯片采用8位单片机AT89C2051驱动线阵CCD采集蓄电池液面数据，再经A/D转换送至AT89C2051。由于从机系统数据传输是在线进行的，可采用单片机片内自带存储单元做为数据存储单元。从机模块结构框图如图4所示。

1.2.1   从机模块单片机

AT89C2051最高振荡频率可达24MHz，适于驱动高速CCD。该单片机I／O端口较少、体积较小，适于作小型应用系统的处理器。

1.2.2   线阵CCD及其驱动电路

线阵CCD选用NEC公司生产的μPD3575D。该芯片为20脚DIP封装，像敏单元数目為1024，大小为14μm×l41μm×l4μm（相邻像元中心距为14μm）。光敏区域采用高灵敏度和低暗电流PN结作为光敏单元，内置采样保持电路和输出放大电路，外观尺寸为25.5mm×10.0mm，易于装卸。该器件工作在5V驱动脉冲和12V电源条件下［8］。驱动电路如图5所示。

1.2.3   模/数转换电路

模/数转换电路采用AD0804芯片，将CCD测量得到的电压量转换成数字量传入单片机的数据总线。模/数转换电路如图6所示。

1.3   红外无线传输接口电路

系统采用RS232串口转红外无线技术作为主机与PC机之间的数据通信方式，避免了大量布置电力线缆带来的维修、检测和更换的不便［9］。由于电池内外需要相互隔离并能进行数据传输，使用红外无线通信可有效避免对系统其他设备造成电磁干扰。

1.3.1    红外通信的基本原理

红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为通信信道。发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉冲转换成电信号，再经放大、滤波等处理后送至解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。

1.3.2    单片机红外串行通信接口

由于单片机本身不具备红外通信接口，可利用单片机的串行接口与片外红外发射/接收电路组成红外串行通信接口，红外发射扩展电路与红外接收扩展电路如图7、图8所示。

红外发射扩展电路包括脉冲振荡器、驱动管T1和T2、红外发射管D1和D2等。脉冲振荡器由NE555定时器及电阻R1、R2和电容C1、C2组成，用以产生38kHz的脉冲序列作为载波信号；红外发射管D1和D2选用Vishay公司生产的TSAL6238，用来发射950nm的红外光束。红外发射电路工作时，串行数据由单片机串行输出端TXD送出并驱动T1管，若为低电平“0”则使T1管导通，通过T2管调制成38kHz的载波信号，并利用两个红外发射管D1和D2以光脉冲的形式向外发送，若输出高电平“1”则使T1管截止，红外发射管D1和D2不发射红外光。设传送的波特率为1200bps，则每个低电平“0”对应32个载波脉冲。调制信号的时序如图9所示。

红外接收电路选用Vishay公司生产的专用红外接收模块TSOP1738。该模块是一个三端元件，使用单电源+5V供电，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其它波长（950nm以外）的红外光不敏感等特点。TSOP1738工作时，先通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38kHz的脉冲调制红外光信号转化为电信号；再由前放大器和自动增益控制电路进行放大处理并经带通滤波器滤波；滤波后的信号由解调电路进行解调，由输出级电路进行反向放大输出。

为保证红外接收模块TSOP1738接收的精度，要求发送端载波信号的频率应尽可能接近38kHz，因此在设计脉冲振荡器时，要选用精密元件并保证电源电压稳定。发送的低电平“0”至少要对应14个载波脉冲，这就要求传送的波特率不能超过2400bps。

1.3.3   PC机红外接收电路

标准的RS232电平是负逻辑。只要使能DTR和RTS这两个引脚就可以输出+15V电平，从而给红外接收电路供电［10］。因此，设计红外接收扩展电路如图10所示。D1、D2和D4起隔离作用，R8主要用来保护PC串口，C4和C5为滤波电容，J3是红外接收模块TSOP1738，其接收中心频率为38KHz，可完成从红外接收、滤波到解调的全部过程。D4为指示灯，当接收到红外信号时LED会闪亮。

2     结语

与同类设备相比，本文设计的阀控式铅酸蓄电池（VLRA）液面参数检测系统具有布线少、成本低、精度高、便于维护等特点。利用线阵CCD实现了在酸性和腐蚀性条件下的非接触测量，避免了因传感器腐蚀带来的系统损坏。采用RS232串口转红外无线技术，避免了大量传输线缆的连接，同时又保证了数据采集精度，功能性和易用性均能满足工程实际需求。

［参考文献］

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［5］  万敏华，黄挚雄，吴元龙.基于AT89C51的列车折关检测系统的设计［J］.计算机测量与控制，2008（1）：39-40.

［6］ 王福顺，张曙光，邵利敏，等.蓄电池组的单节电池电压自动巡回检测系统［J］.农机化研究，2006（2）：94-95.

［7］ Programmable Watchdog Supervisory E2PROM X25043 datasheet．Xicor Inc. http：//www.xicor.com.

［8］ 陈赟，何惠阳.基于CPLD的μPD3575D线阵CCD驱动电路设计［J］.传感技术学报，2006，19（6）：2526-2528.

［9］张君怡，王海明，裴东兴.基于USB的红外数据传输系统的设计与实现［J］.电子设计工程，2009，17（12）：49-53.

［10］ 仲伟峰，王海英，李革臣.基于DSP的蓄电池智能在线监测系统设计［J］.东北林业大学学报，2008，36（8）：58-59.

[收稿日期]   2023-01-02

[基金项目]   河北省高等学校科学技术研究项目（ZC2021204）；北华航天工业学院科研基金项目（ZD-2022-02）

[作者简介]   毕亚军（1974- ），男，硕士，北华航天工业学院副教授，研究方向：检测技术与自动化装置。