單片機在燃料電池監控系統中的應用

摘 要：本文所述的是一種用于對燃料電池單體電壓及其性能進行監控的系統。本文簡要的介紹了燃料電池的特點、該監控系統軟硬件設計要點及其功能。

關鍵字：燃料電池; 單片機; 單體電池; MPU

1 引言

　　燃料電池發電是繼水力、火力和核能發電之后的第四類發電技術。它是一種不經過燃燒，直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變為電能的高效發電裝置。從理論上講，只要連續供給燃料，燃料電池便能連續發電。由于燃料電池具有發電效率高、環境污染少等優點，所以它一直被認為是未來的發電技術之一，并已經應用于電動汽車等新型環保項目中。

　　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現，對整個電池組就會產生比較大的影響。所以系統應對燃料電池的單體電壓進行實時的監控。本文所述的監控系統采用微機、工業控制板、系統監控板并結合LabView開發平臺，很好地完成了燃料電池單體電壓的采集、模/數轉換、故障電池顯示和報警等功能，為燃料電池系統的正常運行提供了保證。

2 燃料電池的結構和監控系統的作用

　　燃料電池組由若干片5毫米寬的單體電池串聯而成。氫氣從電池的內部循環流過。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，即可認為該片電池損壞。這時，監控系統便檢索出該片電池的位置，由發光管顯示并發出警示。

3 監控系統的軟硬件設計

　　（1）軟件設計

　　監控系統的軟件分為兩部分：單片機部分采用匯編語言編程。微機接收部分采用LabView開發平臺。下面分別說明各部分的功能：

　　c片單體電池后，經負反饋放大電路3倍放大，由A/D轉換成為數字信號通過數據總線存入單片機。將所有單體電池電壓全部采集并轉換成數字信號后，單片機一方面將數據由串行通訊口輸送至微機，另一方面對數據進行處理，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. 單片機與微機串行通訊時必須同步，否則微機接收到的將是錯誤的數據。本系統采用方式3，定時器初值設為E6H。

　　b. 系統外部干擾比較大時，A/D轉換時可多采集幾組數據，去除極端數據后，將剩下的數據做算術或幾何平均運算。

　　c. 每采集完一路電壓值后，應令指針指向下一路，使程序可以循環往復運行。

　　LabView開發平臺功能強大，電壓值采集到微機中后，先被恢復為原始值，然后以隊列排列方式每小時存儲一次電壓值，并保留一個月的數據以便觀測燃料電池的性能變化。當有單體電池不能正常工作時，軟件控制工控機關閉氫氣供氣閥門，人工進行檢修。

　　（2）硬件設計

　　系統的硬件設計原理圖如圖2所示：

　　a. 由于系統的工作環境具有較大的干擾（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，但由于系統中的高頻信號較多，電纜中的電容效應不可忽視。所以結合實際，單體電壓的傳輸線采用多芯屏蔽電纜。

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

　　c. 多路集成模擬開關陣列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，而系統不僅要監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。為了使數據更加準確，就需要將電壓值放大。實現這一環節，本系統采用了集成4運放LM324，以負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，抗干擾性強等優點，而且外圍電路簡單，只需5個鉭電容即可。

　　e. 監控板外接±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應外接散熱器。

　　f. 由于系統的外界干擾較大，為了防止MPU由于干擾進入死機狀態，本系統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，使系統具有較高的穩定性。

4 結束語

　　利用監控板與微機相配合的這套監控系統，反應迅速、抗干擾能力強、性能穩定，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確的掌握燃料電池的情況。

參考文獻

　　[1]李華主編，MCS-51系列單片及應用接口技術，北京航空航天大學出版社，1993.8

　　[2]林維明主編，燃料電池系統，化學工業出版社，1996.6