单片机在燃料电池监控系统中的应用

2012-03-08 来源：测控自动化

１引言
燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。它是一种不经过燃烧，直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。从理论上讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电。由于燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点，所以它一直被认为是未来的发电技术之一，并已经应用于电动汽车等新型环保项目中。
由于燃料电池的特性所决定，若一组燃料电池中有一片损坏而未及时发现，对整个电池组就会产生比较大的影响。所以系统应对燃料电池的单体电压进行实时的监控。本文所述的监控系统采用微机、工业控制板、系统监控板并结合ＬａｂＶｉｅｗ开发平台，很好地完成了燃料电池单体电压的采集、模／数转换、故障电池显示和报警等功能，为燃料电池系统的正常运行提供了保证。

２燃料电池的结构和监控系统的作用
燃料电池组由若干片５毫米宽的单体电池串联而成。氢气从电池的内部循环流过。每片单体电池的电压在未通氢气时近似为０Ｖ，通过一定流量的氢气后迅速升高至０．９Ｖ左右。当有某片单体电池电压与其它单体电池电压相差０．２Ｖ以上时，即可认为该片电池损坏。这时，监控系统便检索出该片电池的位置，由发光管显示并发出警示。

３监控系统的软硬件设计
    （１）软件设计
    监控系统的软件分为两部分：单片机部分采用汇编语言编程。微机接收部分采用ＬａｂＶｉｅｗ开发平台。下面分别说明各部分的功能：

    c片单体电池后，经负反馈放大电路３倍放大，由Ａ／Ｄ转换成为数字信号通过数据总线存入单片机。将所有单体电池电压全部采集并转换成数字信号后，单片机一方面将数据由串行通讯口输送至微机，另一方面对数据进行处理，搜索是否有已损坏的单体电池。如果有，就可以将损坏电池的位置显示出来并报警。
    单片机汇编语言编程部分的流程图如图１所示：
    编程要点：
    ａ．单片机与微机串行通讯时必须同步，否则微机接收到的将是错误的数据。本系统采用方式３，定时器初值设为Ｅ６Ｈ。
    ｂ．系统外部干扰比较大时，Ａ／Ｄ转换时可多采集几组数据，去除极端数据后，将剩下的数据做算术或几何平均运算。
    ｃ．每采集完一路电压值后，应令指针指向下一路，使程序可以循环往复运行。
    ?觹微机部分
    ＬａｂＶｉｅｗ开发平台功能强大，电压值采集到微机中后，先被恢复为原始值，然后以队列排列方式每小时存储一次电压值，并保留一个月的数据以便观测燃料电池的性能变化。当有单体电池不能正常工作时，软件控制工控机关闭氢气供气阀门，人工进行检修。
    （２）硬件设计
    系统的硬件设计原理图如图２所示：

    ａ．由于系统的工作环境具有较大的干扰（交直流电路同在一个控制柜中），若采用扁平４０芯总线电缆，虽然接线时简单方便，但由于系统中的高频信号较多，电缆中的电容效应不可忽视。所以结合实际，单体电压的传输线采用多芯屏蔽电缆。
    ｂ．单片机ＭＰＵ选用８９Ｃ５１，它本身带有４Ｋ的ＲＡＭ，不用另外扩展，配６ＭＨｚ晶振，以保证Ａ／Ｄ转换器ＡＤＣ０８０９可以正常运行。
    ｃ．多路集成模拟开关阵列ＡＤ７５０６，具有多选一的传输功能，双片ＡＤ７５０６配合使用即可在某一时刻采集到一片单体电池的电压差。燃料电池单体电压比较小，而系统不仅要监控每一片单体电池电压，还要知道它从０Ｖ升高至正常工作电压的时间。为了使数据更加准确，就需要将电压值放大。实现这一环节，本系统采用了集成４运放ＬＭ３２４，以负反馈的形式将采集到的电压差３倍放大。
    ｄ．串行通信采用ＭＡＸ２３２Ｃ，它具有传输距离远，抗干扰性强等优点，而且外围电路简单，只需５个钽电容即可。
    ｅ．监控板外接±１５Ｖ电源，＋５Ｖ电源由７８０５获得。因为双七段码显示需要较大电流，所以７８０５应外接散热器。
    ｆ．由于系统的外界干扰较大，为了防止ＭＰＵ由于干扰进入死机状态，本系统不仅在每片芯片的电源部分加入了抗干扰电容，还在程序中添加了抗干扰部分，使系统具有较高的稳定性。