單片機(jī)在燃料電池監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

１ 引言

燃料電池發(fā)電是繼水力、火力和核能發(fā)電之后的第四類發(fā)電技術(shù)。它是一種不經(jīng)過燃燒，直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。從理論上講，只要連續(xù)供給燃料，燃料電池便能連續(xù)發(fā)電。由于燃料電池具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點，所以它一直被認(rèn)為是未來的發(fā)電技術(shù)之一，并已經(jīng)應(yīng)用于電動汽車等新型環(huán)保項目中。

由于燃料電池的特性所決定，若一組燃料電池中有一片損壞而未及時發(fā)現(xiàn)，對整個電池組就會產(chǎn)生比較大的影響。所以系統(tǒng)應(yīng)對燃料電池的單體電壓進(jìn)行實時的監(jiān)控。本文所述的監(jiān)控系統(tǒng)采用微機(jī)、工業(yè)控制板、系統(tǒng)監(jiān)控板并結(jié)合ＬａｂＶｉｅｗ開發(fā)平臺，很好地完成了燃料電池單體電壓的采集、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、故障電池顯示和報警等功能，為燃料電池系統(tǒng)的正常運行提供了保證。

２ 燃料電池的結(jié)構(gòu)和監(jiān)控系統(tǒng)的作用

燃料電池組由若干片５毫米寬的單體電池串聯(lián)而成。氫氣從電池的內(nèi)部循環(huán)流過。每片單體電池的電壓在未通氫氣時近似為０Ｖ，通過一定流量的氫氣后迅速升高至０．９Ｖ左右。當(dāng)有某片單體電池電壓與其它單體電池電壓相差０．２Ｖ以上時，即可認(rèn)為該片電池?fù)p壞。這時，監(jiān)控系統(tǒng)便檢索出該片電池的位置，由發(fā)光管顯示并發(fā)出警示。

３ 監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

（１）軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件分為兩部分：單片機(jī)部分采用匯編語言編程。微機(jī)接收部分采用ＬａｂＶｉｅｗ開發(fā)平臺。下面分別說明各部分的功能：
 
c片單體電池后，經(jīng)負(fù)反饋放大電路３倍放大，由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)總線存入單片機(jī)。將所有單體電池電壓全部采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，單片機(jī)一方面將數(shù)據(jù)由串行通訊口輸送至微機(jī)，另一方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，搜索是否有已損壞的單體電池。如果有，就可以將損壞電池的位置顯示出來并報警。

單片機(jī)匯編語言編程部分的流程圖如圖１所示：

編程要點：

ａ． 單片機(jī)與微機(jī)串行通訊時必須同步，否則微機(jī)接收到的將是錯誤的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用方式３，定時器初值設(shè)為Ｅ６Ｈ。

ｂ． 系統(tǒng)外部干擾比較大時，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換時可多采集幾組數(shù)據(jù)，去除極端數(shù)據(jù)后，將剩下的數(shù)據(jù)做算術(shù)或幾何平均運算。

ｃ． 每采集完一路電壓值后，應(yīng)令指針指向下一路，使程序可以循環(huán)往復(fù)運行。

微機(jī)部分

ＬａｂＶｉｅｗ開發(fā)平臺功能強(qiáng)大，電壓值采集到微機(jī)中后，先被恢復(fù)為原始值，然后以隊列排列方式每小時存儲一次電壓值，并保留一個月的數(shù)據(jù)以便觀測燃料電池的性能變化。當(dāng)有單體電池不能正常工作時，軟件控制工控機(jī)關(guān)閉氫氣供氣閥門，人工進(jìn)行檢修。

（２）硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計原理圖如圖２所示：

ａ． 由于系統(tǒng)的工作環(huán)境具有較大的干擾（交直流電路同在一個控制柜中），若采用扁平４０芯總線電纜，雖然接線時簡單方便，但由于系統(tǒng)中的高頻信號較多，電纜中的電容效應(yīng)不可忽視。所以結(jié)合實際，單體電壓的傳輸線采用多芯屏蔽電纜。

ｂ． 單片機(jī)ＭＰＵ選用８９Ｃ５１，它本身帶有４Ｋ的ＲＡＭ，不用另外擴(kuò)展，配６ＭＨｚ晶振，以保證Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器ＡＤＣ０８０９可以正常運行。

ｃ．多路集成模擬開關(guān)陣列ＡＤ７５０６，具有多選一的傳輸功能，雙片ＡＤ７５０６配合使用即可在某一時刻采集到一片單體電池的電壓差。燃料電池單體電壓比較小，而系統(tǒng)不僅要監(jiān)控每一片單體電池電壓，還要知道它從０Ｖ升高至正常工作電壓的時間。為了使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，就需要將電壓值放大。實現(xiàn)這一環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)采用了集成４運放ＬＭ３２４，以負(fù)反饋的形式將采集到的電壓差３倍放大。

ｄ． 串行通信采用ＭＡＸ２３２Ｃ，它具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點，而且外圍電路簡單，只需５個鉭電容即可。

ｅ． 監(jiān)控板外接±１５Ｖ電源，＋５Ｖ 電源由７８０５獲得。因為雙七段碼顯示需要較大電流，所以７８０５應(yīng)外接散熱器。

ｆ． 由于系統(tǒng)的外界干擾較大，為了防止ＭＰＵ由于干擾進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)，本系統(tǒng)不僅在每片芯片的電源部分加入了抗干擾電容，還在程序中添加了抗干擾部分，使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

４ 結(jié)束語

利用監(jiān)控板與微機(jī)相配合的這套監(jiān)控系統(tǒng)，反應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定，取得了很好的實驗效果。工作人員在操作室中足不出戶即可實時準(zhǔn)確的掌握燃料電池的情況。

參考文獻(xiàn)
[１]李華主編，ＭＣＳ－５１系列單片及應(yīng)用接口技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，１９９３．８
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