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基于DS2438和Labview的铁路UPS蓄电池监测维护系统设计
篇一:ds2438,隔离电路
基于DS2438和Labview的铁路UPS蓄电池监测维护系统设计
【摘要】针对当前铁路系统中大量使用的UPS蓄电池工作状态不能合理监测、无法进行自动维护的问题，研究了一种由单片机控制DS2438的蓄电池监测维护系统，可以实现在线准确的监测蓄电池电压、剩余电量等参数，放电维护状态下对蓄电池健康状态进行判断的功能。通过长期进行蓄电池的放电实验，找到了合理的蓄电池放电深度数据值。实验表明，监测维护系统提高了铁路UPS蓄电池的使用寿命和运行可靠性。
【关键词】DS2438;Labview;蓄电池监测;剩余电量;放电深度
铁路各站段机房中大量使用的UPS在铁路安全运行中起到了至关重要的作用，目前的UPS维护工作基本都是工人们依照经验进行，因此主要存在以下问题：UPS蓄电池的健康状态无法准确判断;放电维护只是简单的通过蓄电池对电阻器件进行大电流放电，放电深度无法控制，容易损害电池寿命;长期进行实验记录的数据表明，蓄电池放电深度一般选择在60%有利于蓄电池健康运行，这样就需要在线式UPS蓄电池电量监测维护系统对电池电量和状态进行实时监测，提高放电维护过程中蓄电池的使用寿命，避免过于深度的放电对蓄电池造成的损害，保障了铁路系统的安全。本文从硬件设计和软件设计两个方面介绍以DS2438为蓄电池数据测量器，C8051F020单片机为控制核心的UPS蓄电池的在线监测维护系统[1]。
1.系统结构
整个蓄电池监测系统主要由C8051F020单片机作为控制核心、LCD显示电路、光电隔离电路以及由DS2438构成的蓄电池参数采集电路组成[2]。系统通过测量板对蓄电池进行电压、电流以及剩余容量的监测，测得的数据通过传给C8051F020单片机，放电维护过程中剩余容量达到60%，单片机控制继电器断开，结束维护过程。如果蓄电池工作过程中出现失效，电压波动，容量下降等问题，系统将会进行报警，提示工作人员进行蓄电池的更换。系统上位机由LabVIEW软件开发制作，主要作用有显示监测过程中的参数，按日期记录维护监测信息，以便于对蓄电池进行分析[3]。系统结构如图1所示。
图1 整体系统框图
1.1 微控制器
控制器采用C8051F020单片机，它是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚，便于用在多路控制系统中;具有高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS），12位100ksps的8通道ADC;带PGA和模拟多路开关，8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关;包含双12位DAC，具有可编程数据更新方式，64K字节可在系统编程的FLASH存储器，4352字节的片内RAM;硬件实现的SPI、I2C和两个UART串行接口，5个通用
ds2438凌阳c程序一种高效的蓄电池检测管理系统
篇二:ds2438,隔离电路
毕业设计（论文）
题 目一种高性能的蓄电池监测管理系统 系 别 专 业 班 级 姓 名指导教师
下达日期 2010 年 2 月 26 日
设计时间自2010年 3 月 1 日 至 2010 年7月 3 日
毕业设计（论文）任务书
一种高性能的蓄电池检测管理系统
摘 要
被人们称作信息时代的二十一世纪，电子信息科学技术飞速发展。作为信息的传输，通信就显得尤为重要。为了保障通信的不间断，通信基站使用UPS电源就成为了必要。而蓄电池的工作状态将直接影响UPS系统的稳定性，所以必须对电池组的工作状态进行实时监测。本文将利用DALLAS公司生产的单总线器件DS2438对电池的电压、电流、温度、电量等主要参数进行采样，通过SPCE061A单片机与在线器件通讯获得采样数据，并处理采样数据，在lcd1602上显示电池状态。单总线器件的好处是：一条通信线路上可以挂载多个器件，可以对一组电池的多节电池分别进行监测，同时降低了硬件的复杂程度，具有成本低、易安装维护等优点。该系统提高了电池的可靠性、延长了蓄电池的使用寿命、节约了维修费用。ds2438,隔离电路。
关键词：蓄电池；监测系统；DS2438；单总线；移动基站
A high Performance Battery Monitoring And Management
System
ABSTRACT
Been called the information age, the twenty-first century, the rapid development of electronic information science and technology.As information transmission, communication is particularly important.In order to protect the ongoing communication, communication base station becomes the necessary UPS power supply.The battery status will directly affect the work of the UPS system stability, so must the working status of the battery pack monitors.This article will use the company's single-DALLAS DS2438 devices on the battery bus voltage, current, temperature, electricity and other main parameters of sampling, by SPCE061A MCU and online access to sampling data communications devices, and process sample data, lcd1602 display battery status.The benefits of a single bus device is: a communication line can mount multiple devices, can be a multi-cell battery monitor respectively, while reducing hardware complexity, low cost, ease of installation to maintain.The system improves the reliability of the battery, extended battery life, save maintenance costs.
Key words：Battery;Monitoring system;DS2438;1-wire;Mobile base stations
通过电路设计实现手持终端设备电量监测
篇三:ds2438,隔离电路
通过电路设计实现手持终端设备电量监测
摘 要 ：为了更好地权衡测量精度和测量成本，在工程中实现手持终端设备的电量监测，设计出一种较
电源监测芯片成本低的电路，通过对监测点电压采样，结合库仑计法和电池建模查表法，采用软件计算实现电量监测，以替代原有专用电量监测芯片。借助实验数据采集分析，绘制出放电曲线，以及负载突变情况下电压与电量的关系表，这些数据能够验证新监测方法的监测精度在1%-5%，满足产品需求。
关键字 手持终端；电量监测；模数转换器；库仑计 中图分类号 TM912 文献标识码 A
Monitoring the power of handheld devices by
using the circuit design
(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)
Abstract: In order to better weigh the cost of measurement and the accuracy of measurement, implemented the power monitoring of the handheld devices in the engineering. It can be design a low-cost circuit which less than the Power detection chip, by monitoring the voltage sampling, combined with the coulomb counter and battery modeling look-up table method, using simulation software to realize power monitoring, replaced the original battery monitoring chip. With the data acquisition and analysis, draw the discharge curves and under the load Sudden the voltage and power relational tables, experimental verification, the monitoring precision of the new power monitoring method in 1% - 5%, meet the demand of products.
Keywords: handheld terminal equipment, power monitoring, analog to digital converter (ADC), coulomb counter
如果移动终端设备能够精确的监测自电量。该方法电量计的监测精度是5%；第三
[1]
身电池的电量使用情况，不仅能够保护电种方法是库仑量的计算，库仑计法通过测量池，防止放电过度，同时也能够让使用者知流入/流出电池的净电荷量来估算电池的剩道剩余电量及可以维持使用的时间，及时合余容量。此方法是目前三种方式中精度最高
[2]
理使用设备。 的。
国内外现行使用的专用电量监测芯片本文拟通过设计等效电路采集所需数
[3]
有：美信的DS2762系列、高通的PM8xxx据，并通过软件的补充实现相应电量监测算系列以及TI公司BQ24165相关系列的芯片法，即在充电的过程中采用库仑计量和电池等。专用电量监测芯片的原理是对三种电量建模的方式，放电的过程中采用电池建模和
[4]
监测方法的分别集成，三种方法分别是：查表的方法，来实现整个移动终端设备电量第一种是直接电池电压监控法，但是由于电的监测的功能，旨在满足基本精度的情况池的电量与其电压不是一个线性关系，这种下，降低产品成本。 非线性关系导致电压监控方法的精确度只有20%；第二种是电池建模查表法，该方法根据锂电池的放电曲线，建立一个数据表，每测量一个电压值，在数据表中查到对应的
1 电量监测硬件电路设计
实现电量监测的电路模块设计电路中，在充电和放电的路径上接了一个电阻Rsense，这个电阻称作低阻值的电流采样电阻。若Rsense阻值太低，会影响测量精度，电量之间存在直接关系。根据Isys和当前电池电量状态（State of Charge，SOC）之间的关系可以使用仪器建立电池模型。最后可以查表得到SOC值。
2 充电电量监测的方法
如选择过大，此电阻的压降和功耗很大，影响设备正常工作。因此，Rsense阻值的选择应该是精度和功耗的综合平衡。Rsense阻值一般选取的单位是毫欧级的，不超过200毫欧，不低于10毫欧。Rsense的两端分别接电源正极电压Vbatt和系统的电压Vsys。Vbatt和Vsys值是通过ADC采样得到的。可在处理器中，通过软件计算，可以求得当前系统的工作电流Isys=（Vbatt-Vsys）/Rsense。
Vbatt和Vsys具有文波和噪声，通过ADC采样得到的值，需要进行软件运算平均滤波，分别取十次电压差（Vbatt-Vsys）和电池电压（Vbatt），去掉最大值和最小值后求平均值，最终得到滤波后的系统电压和电池电压。算出系统的当前工作电流Isys。后续用到的电源电压（Vbatt）和当前的工作电流（Isys）都是通过均值滤波法处理过的数据。具体电量监测设计电路如图1所示：
系统电流数模转换器采样通道1
电阻
数模转换器
采样通道0电源ds2438,隔离电路。
图1 电量监测设计模块
电流是指单位时间通过导体横截面的电荷量[5]
。电荷量是用于度量电量多少的物理量，符号为Q。库仑是电量的单位，符号为C。简称库。那么电池电量计中库仑计法就是对流经电池的电流与时间进行矢量积分[6]
。
Q?
?
t
i???d?
Q就是电池的电量。由此可说明电流和通过库仑计实时监测电池充电电量的方法是准确的，但是库伦量的积分也是有误
差的，而且时间越长误差越大[7]
。根据充电过程分为恒流和恒压两个阶段，可以对充电监测实施建模查表法和库仑计法两种方式相结合的管理模式。在恒流和恒压的分界点实行前后不同的电量监测方法。恒流和恒压充电电压值最大为4.2V。那么恒流和恒压充电的百分比的临界点可以根据下表中的数据得出：（1923.643÷2390.629）×100%=80.466%.如下表中列出充电过程中电流电压和电池容量的详细数据：
表1充电过程中电流电压和电池状态之间的
数据关系
时间电流电压电池容量(min) (mA) (V) (mA﹒h) 0.8 999.6 3.421 13.328 13.6 999.8 3.872 226.597 26.4 999.8 3.928 439.888 39.2 999.8 3.959 653.179 52 999.8 3.979 886.469 64.8 999.8 4.007 1079.76 77.6 999.8 4.042 1293.051 90.4
999.8 4.048 1506.341 103.2 999.8 4.141 1719.632 116 912.8 4.196 1923.643 128.8 607.8 4.196 2085.84 141.6 385 4.197 2191.739 154.4 257.2 4.198 2260.24 167.2 173.2 4.199 2306.149 180 122.4 4.199 2337.68 192.8 87.2 4.199 2360.038 205.6 62.6 4.198 2376.016 218.4 47.6 4.199 2387.771 222.33
43.6
4.2
2390.629
充电分为USB和适配器充电两种模式，
当前规定USB充电的恒流电流最大为500mA，适配器充电的恒流电流最大为1000mA。表2为适配器充电模式。恒压充电的电压是4.2V。分析表1中的数据，在恒流充电阶段，电池容量的变化明显，即充电速度快，采用模型查表法进行电量值的监测，可以方便快捷的根据当前电流值查到电池的容量；恒压阶段，可以看出电流逐渐较小，Vbatt、SOC之间的关系。根据仪器测量可以得到详细的电流电压以及电池电量对应的数据，在这里给出一组部分数据，如表2所示：
表2 放电时电流电压以及电池电量对应数据表
[8]
直到在最低点43.6mA即电池充满电。在此过程中，电池容量变化缓慢，如果采用查表的方式会增大电量检测的误差，采用库仑计法，即对当前系统电流进行累计积分，可以有效提高电量计的精度。通过两种方式的综合，可以提高电量监测的精确度。
电池充电的电量监测流程图如下：
图2 充电电量监测流程图
对于充电过程分两步进行恒流充电阶段使用查表法，恒流和恒压阶段的分界点时SOC为80%的点，当SOC超过80%时，会使用库仑计法，即对Isys进行时间累积增加SOC的值，直到充满电。
3 放电电量监测的方法
放电电量监测使用的方法是根据电流与电量的关系建立模型，然后使用得到的电流值查表法。由于系统负载的变化，系统电流具有渐变性，不同的电流对应不同的Vbatt-SOC曲线。根据电池这个特点在建立电池模型的时候需要用仪器测得Isys、
放电过程，由于建立模型数据的有限性，会使用两次分段线性法，进行电量监测，第一次是根据当前的Isys在实验数据中使用分段线性法得到特定电流的Vbatt-SOC的二维曲线，并二次使用分段线性法求得特定电压对应的SOC。
放电电量监测软件实现流程图：
图3 放电电量监测流程图
使用模型查表时需要两个输入条件：当前系统的工作电流和当前电池的电压。由表2可知对于同一个电量值，不同的电流会对应不同的电压。根据已知的电流电压关系，可以使用分段线性法求得当前电流在这个特定电量时所对应的电压值。以此可以求得现有精度的电压和电量之间的曲线关系。再使用分段线性法根据电源电压求得对应的电量值。
图4分别标出50mA和100mA电压与电量的曲线。现在假设实际检测到的当前工作
电流为80mA，计算特定电量下电流对应的电压的公式是：
V80??I80?I50??V100?V50?/?I100?I50??V50
这样即可计算出80mA电流下，现有精度电压和电量之间的关系曲线。得到一个新的电压与电量关系曲线。即4图中墨绿色的曲线最后使用当前的电池电压查找最新的电压与电量表。
4101 4000 3958 3946 3936 3929 4074 4077 88 88 88 88 88 88 88 88 8:34:41 8:34:52 8:35:03 8:35:14 8:35:36 8:35:59 8:36:10 8:36:21
从表3中可以看出，随着负载的变化，电池电压有起伏现象，但是电量维持88%，无突变情
结论
手持终端设备的电量监测大多数采用专用芯片实现的。芯片的成本较高，而手持终端设备生产量大，降低成本意味着增加利润，本文通过设计一种低成本电路并通过软件对传统电量监测方法的综合使用代替了高价格的电量检测芯片，解决了项目中手持终端设备电量监测的问题。在满足精度要求的前提下实现了降低产品成本的目的。
参考文献：
图4 模型查表法示图
4 实验数据测试
4.1 放电曲线
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4.2 负载突变下的电量值
192-194.
连接电子负载，改变系统电流，在50mA[7] Findlay shearer.移动设备的电源管理[M]黄
小军,刘文译.北京：机械工业出版—1000mA负载突变的情况下，结果如下：
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表3 负载突变电压与电量关系表
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2012,31(14)：24-26. 3996 88 8:34:08
3995
4092 88 88 8:34:19 8:34:30
智能仪器练习题整理版
篇四:ds2438,隔离电路
智能仪器练习题
练习一
一、简答题
1. 简述智能仪器仪表型式试验和电磁兼容试验主要内容。
答：型式试验和电磁兼容性试验主要包括：外观检查、绝缘性能、电压波动、低温、高温、湿热、振动、浪涌、脉冲群、静电放电、射频电磁场、电源端骚扰、传导、电磁辐射等。
2. 简述智能仪器仪表常用的总线接口和通讯接口方式。
答：分为并行接口方式和串行接口方式。并行接口：PCI接口和ISA；串行接口：OneWire、I2C、SPI、RS232、RS485、现场总线（CAN总线、LonWorks总线）、USB总线、IEEE-488总线、以太网、Camerlink等。
二、智能仪器仪表设计题
为铁路现场SS8型电力机车设计随车状态诊断记录仪。诊断记录仪需要采集机车的一些状态参数，包括：一路交流0~25KV电压信号、一路交流0~1000A电流信号、一路直流110V开关信号，一路压力传感器输出信号（0－
600kPa），一路温度传感器输出信号（4－20mA），以及一个OC门开路输出的光电开关输出。便携式诊断记录仪采用机车110V直流供电，要求采集精度不低于1％。要求该设备能够连续采集记录50小时以上的机车状态参数，还可以将数据转储到PC机上，利用PC机上的专家系统进行更精确的分析诊断。
1. 设计该智能仪器的总体结构，包括供电系统设计，微处理器的选择，系统复位电路设计等，并简单描述工作原理（10分）
答：该仪器选用51或96单片机作为微处理器，选用MAX691进行复位与内存数据保护，选用110V/5V电源模块进行系统供电，单片机外接A/D变换器进行模拟信息采集，利用单片机自带的I/O口进行数字量的采集。
2. 为上述每种信号设计前向采集通道电路（20分）
答：（答案不唯一）
(1) 0～25KV的电压：LEM模块，串行1带8路的A/D接口（控制信号和电源隔离），或多路切换后进模拟量隔离放大器。
(2) 0～1000A的电流：分流器 或 LEM模块，同a。
(3) 0～600Kpa的压力：两线制的半导体式压力传感器，同a。
(4) -20℃～200℃的温度信号：红外温度传感器或热电偶，DS2438（或DS2450），隔离的单总线接口。
(5) OC门开路输出的光电开关型传感器：上拉后经光藕隔离进单片机的IO口。
3. 简述常用的数据记录方法并设计能满足要求的数据存储与转储方法。（20
分）
答：（答案不唯一）
常用的数据记录方法包括非分区非压缩算法、分区非压缩算法、分区压缩算法和定长压缩算法四种。本系统选用非分区非压缩算法对数据进行记录。
数据转储方法包括串行口、转储盒、IC卡、无线智能卡和无线方式，本系统选用IC卡转储方式。。
三、分布式智能仪器设计
为某高校新建的化学实验楼设计智能火灾安全报警系统。该系统在每个实验室设置一个智能监控节点，采用明火与烟度传感器检测火灾，采集有害气体浓度保证实验中无有害气体外泄。在发现火灾后，自动切断该实验室内所有设备电源，鸣响楼道内的火警铃（220V供电），自动打开实验室通知中央控制节点火灾的位置。发现有害气体泄漏后，自动强行通风，同时鸣响楼道内的火警灯。中央控制节点除可以显示火灾或气体泄漏位置外，还可以检测各实验室节点的工作状态。
1. 请设计该系统的总体结构
2. 请设计每个实验室节点的控制电路。
3. 请设计中央节点检测教室节点是否工作正常的方案，包括涉及到的通信硬
件电路和通讯协议。
答：1、每个节点采用基于51单片机的嵌入式系统，整个系统采用485总线或无线Zigbee通信模块将各节点联接在一起。
2、输出控制采用40106＋机械式继电器＋续流保护。
3、如果采用485总线，组成主从式网络，主机定时巡检方式的多机通信协议。如果采用无线Zigbee，组成对等式多主网络，随机式通信。
练习二
一、简答题
1. 简述智能仪器仪表产品研制初期获取信息的渠道及产品功能的确定方法
答：图书馆图书、期刊、专利、报告、上网查询、专家咨询、调研、试验、同行合作交流等等。
2. 简述传感器选用时应该注意的问题，以及“两线制电流型”和“单总线
数字式”传感器的接口方式
答：1）应该注意的问题包括：技术指标是否能够满足。其中包括：测量精度，测量范围，工作温度，静态动态特性；传感器的测量原理是否适合应用现场的环境；传感器的测量接口和输出接口；传感器的尺寸和价格。（2）两线制电流型接口方式：一线直接接地，一线串联一个合适的精密电阻连地。从而将电流信号转变为<=5V的电压信号，在经过AD转换芯片将模拟信号数字化。（3）单总线数字式接口方式：经过隔离或直接连接到处理器的IO口上，因此处理器能够读出单总线上的数据。
3. 简述型式试验和电磁兼容试验的内容
答：型式试验和电磁兼容性试验主要包括：外观检查、绝缘性能、电压波动、低温、高温、湿热、振动、浪涌、脉冲群、静电放电、射频电磁场、电源端骚扰、传导、电磁辐射等。
通过完成下面二~五题，为某工厂车间设计智能安全监控系统。车间的中央控制PC机需要对分布于100米×100米范围内的50个点进行监控。每个检测点需要检测一路直流2000V模拟信号、一路直流10000A模拟信号、一路110V直流开关信号，以及一个光电开关的输出（OC门开路），并根据中央控制PC机指令控制一个交流380V电机的正反转。
二、请为此车间设计3种可行的采集系统结构方案，分析各自的优缺点，选取你认为最优的方案
1. 答：如果数据量不大，而且实时性要求不高的情况下，可以采用485
总线＋单片机组建测控网络，这种组网的优点是布线简单，维护方便。
2. 如果数据量特别大，而且有一定的实时性要求，可以采用以太网组建网
络，这种组网的优点时可以传输大量的数据，而且时时性比较好，技术成熟。
3. 如果数据量不太大，而且实时性要求比较高的情况下，可以采用组建
CAN网络，这种组网的优点是抗干扰能力强，组网简单。缺点是通讯的距离不能太远，否则通讯的速率会大大降低。
选取485总线。
三、根据选取的系统结构方案，设计由被测信号到PC机的数据采集通道。相关电路应尽可能给出具体参数，如电阻值、电容值、芯片型号等。
答：（1）OC门开路输出的光电开关型传感器：上拉后经光藕隔离进单片机的
IO口。
（2）测量直流2000V的传感器和检测电路：选用闭环霍尔电压传感器，通过AD转化芯片转化为数字信号，进入单片机。
（3）测量直流10000A的传感器和检测电路：选用分流器或闭环霍尔电流传感器，通过AD转化芯片转化为数字信号，进入单片机。