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单片机在燃料电池监控系统中的应用

时间:03-19 来源:互联网 点击:

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。

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。

4 结束语

利用监控板与微机相配合的这套监控系统,反应迅速、抗干扰能力强、性能稳定,取得了很好的实验效果。工作人员在操作室中足不出户即可实时准确的掌握燃料电池的情况。

参考文献
[1]李华主编,MCS-51系列单片及应用接口技术,北京航空航天大学出版社,1993.8
[2]林维明主编,燃料电池系统,化学工业出版社,1996.6

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