基于单片机的镍镉充电电池智能管理系统设计

镍镉充电电池作为一种碱性电池，对使用、管理和维护有特殊要求，如果管理不善、使用不当、维护不及时，很容易导致电池老化、失效甚至报废。针对部队、厂矿大量使用并集中存放的不同种类镍镉充电电池，运用单片微型计算机控制技术，设计了电池智能管理系统，对镍镉充电电池进行状态自动检测、充放电管理、性能维护等智能化管理。

通过对镍镉充电电池的自动管理，有效消除镍镉充电电池使用管理上的盲目性和随意性，提高镍镉充电电池的使用效能，延长镍镉充电电池的使用寿命。

镍镉充电电池对使用、管理和维护的特殊要求主要表现在：1）要求在适宜的温度条件和非酸性环境下存放；2）电池长期存放时应定期进行维护，新电池启用前要进行初始容量恢复；3）性能差异较大的单体电池不能同组使用或同组充电，报废电池（或故障电池）不能与堪用电池混用；4）电池充电前应该先对其放电至终止电压，以消除镍镉充电电池可能产生的“记忆效应”，并且要避免对电池过充、过放；5）尽量采用脉冲充电方式，以提高电池的充电效率，延长电池的使用寿命。

设计制作的镍镉充电电池智能管理系统，通过对电池的集中存放和自动充放电管理， 可以满足镍镉充电电池对使用、管理和维护的特殊要求。

1 系统作用及功能

镍镉充电电池智能管理系统，用于对大量使用并集中存放的镍镉充电电池进行智能化管理。主要完成电池存放、电池自动检测和自动充放电管理、电池维护和初始容量恢复、电池故障检测及指示报警、电池极性反接指示报警、电池空载指示和温度控制等功能。系统功能框图如图1 所示。

图1 系统功能框图

2 系统组成及原理

系统由控制模块、电池检测模块、充放电模块、电池切换模块、温度控制模块、电池存放模块和电源模块组成。其中，控制模块由单片机及外围电路组成，用于实现充放电控制、电池切换控制、温度控制、电池检测和指示控制；充放电模块由充放电电路组成， 用于实现充电电池的充电和放电；切换模块由继电器及其控制驱动电路组成，用于实现电池单体间的自动切换或手动切换。温度控制模块由温度传感器、轴流风扇及控制电路组成，用于对电池存放环境温度进行监测控制。系统开始工作并通过自检后，先对电池状态进行检测，剔除故障电池并纠正反接电池，然后进入电池管理阶段，按顺序对电池单体进行充电和放电。一个管理周期结束后，系统经过一定时间的延时后，开始下一个管理周期。系统原理框图如图2 所示。

图2 系统原理框图

3 硬件设计

3.1 控制模块设计

选择AT89S52单片机作为控制单元。单片机的P0 口用于数码显示与键盘扫描。其中P0.0～P0.3 用于输出与电池编码对应的4 位二进制数， 并经74LS248 转换后形成7 段码后，送到数码管显示。P0.3、P0.4 受计时器T0 控制，循环输出00、01、10、11 4 个2 位二进制数， 并经译码器74LS139 译码后，作为扫描信号，对数码管和矩阵键盘同时进行扫描。P0.5、P0.6 用于对2×4 矩阵键盘各按键状态进行监测。P1 口用于连续输出8 位二进制数，并经两级译码器74LS154 进行级联译码后，最多可输出256 路控制信号，实现依次对256 个电池单体进行自动切换控制。P2 口用于对充电电池状态（空载、故障、充电满、放电完）进行检测，并对电池充电和放电进行控制。P3 口主要用于电池状态（空载、充满、故障、反接）监测、指示和报警。电池切换模块设计#e#

3.2 电池切换模块设计

电池切换模块由驱动电路和继电器组成的切换电路阵列组成。其中，每个切换电路单元对应一个电池单体。驱动电路主要由反向器74LS04 和三极管S9013 组成， 受P1 口输出的控制信号控制，对继电器的开、闭状态进行控制。采用可同时转换两路信号的双触电继电器4137， 实现对充放电回路和电池状态检测回路同时进行切换。利用外部中断INT1 的中断控制功能，并通过单片机的P3.6 对两个切换按键状态进行检测判断，同时利用“上移”和“下移”按键，实现电池单体间的手工切换。电池单体间的切换单元电路如图3所示。

图3 电池切换单元电路

3.3 充放电模块设计

充放电模块由充电电路、放电电路和充放电控制电路组成。由单片机输出的充电或放电控制信号分别控制充电或放电电路对电池进行充电或放电。电池充放电电路如图4 所示。

图4 电池充放电电路

3.4 电压检测模块设计

电压检测模块由三端稳压电路、分压电路和比较电路组成。三端稳压电路由LM317 及其外围电路组成，其输出的电压经分压电路分压后，作为基准电压，分别送到由LM339组成的比较器的一端，从电池正极采集的电压