基于單片機(jī)的蓄電池的自動監(jiān)測系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文

1、基于單片機(jī)的蓄電池的自動監(jiān)測系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)基于單片機(jī)的蓄電池的自動監(jiān)測系統(tǒng) 摘 要 蓄電池作為穩(wěn)定電源和主要的直流電源,它的維護(hù)工作具有重要的意義,作為后備電源,?蓄電池是確保設(shè)備正常運(yùn)行的最后一道生命線,本課題的任務(wù)就是設(shè)計一種蓄電池智能監(jiān)測儀,能實(shí)現(xiàn)對蓄電池在浮充狀態(tài)或者在充放電過程中的狀態(tài)監(jiān)測。 在現(xiàn)如今這個社會中,蓄電池的應(yīng)用越來越廣泛了,在交通工具上大都裝有蓄電池,以及通信行業(yè),金融行業(yè),電子類產(chǎn)品等,這些都是需要蓄電池的支持,并且需要的蓄電池的高質(zhì)量保證。對此就需要生產(chǎn)出高質(zhì)量的蓄電池,即是蓄電池能保證參與的工作能正常開展,并且還需要蓄電池能長時間

2、的維持工作運(yùn)行,當(dāng)然在蓄電池方面的平安問題是必須考慮的,畢竟現(xiàn)在講究平安第一嘛。 該監(jiān)測系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)為核心的單片機(jī)。該系統(tǒng)可以做到測量測量蓄電池的端電壓,以及電池的溫度,并且還能夠測量蓄電池在工作狀態(tài)時的電流,這些根本的電池性能指標(biāo)都能夠通過該系統(tǒng)測量出來。并且該系統(tǒng)的設(shè)計是模塊化,在這些模塊中,其中的任何一個都能夠測量出一種數(shù)據(jù),以到達(dá)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞 蓄電池,單片機(jī),監(jiān)測系統(tǒng) ABSTRACT of great importance, as a backup power supply, battery is a final lifeline, to ensure nor

3、mal operation of equipment to the task of this research is to design an intelligent battery monitor, can realize the battery in a floating state, or in the state monitoring in the process of charging and discharging. In nowadays society, the battery application is becoming more and more widely, in m

4、osStorage battery as a stable power supply and the main dc power supply, its maintenance is t vehicle equipped with batteries, back-up power and communications industry, financial industry backup power supply and so on. These occasions are required is very tall to the requirement of storage battery,

5、 require it to run is absolutely reliable, it is for battery testing and maintenance of high demands are put forward. To normal operation of the storage battery, therefore, improve the service life of the battery, reducing application field accidents has important significance. The monitoring system

6、 based on AT89C51single-chip microcomputer as the core of single chip microcomputer. 10 or 20 road this system can measure the voltage of the voltage of the battery, battery, battery, charge and discharge current, temperature data acquisition circuit USES modular design, can according to the number

7、of battery to determine the number of modules, each module can measure a set, used to measure the value of the inertia filter filtering method and the theory of integral and differential control and calibration. Keyword?Storage?battery;Monitor?system;Single?chip?of AT89C51 目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄11 緒論1

8、1.1 課題背景1 1.1.1 蓄電池研究現(xiàn)狀1 1.1.2 電池的主要性能指標(biāo)11.2 蓄電池技術(shù)的開展與方向21.3 本課題所做的主要工作32 測試方法的研究42.1 蓄電池的內(nèi)阻42.2 蓄電池內(nèi)阻與容量的關(guān)系42.3 蓄電池等效電路52.4 設(shè)計方案論證52.5 交流法7第3章 硬件電路設(shè)計83.1 總體框架83.2 主處理器模塊93.3 探測電路123.4 差分放大電路12 3.4.1 INA321芯片簡化圖13 3.4.2 INA2321電路圖133.5 幅相檢測電路14 3.5.1 AD8302電路圖143.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計14 3.6.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD080914 3.

9、6.2 ADC0809與單片機(jī)的接口電路163.7 液晶顯示16 3.7.1 LCD1602介紹16 3.7.2 LCD1602與單片機(jī)的接口電路184 系統(tǒng)軟件設(shè)計204.1 蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件總體程序設(shè)計204.2 總電路圖204.3 程序流程圖214.4 本章小結(jié)275 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試285.1 系統(tǒng)調(diào)試28 5.1.1 電路集成285.2. 軟件調(diào)試28結(jié) 論30參考文獻(xiàn)31附錄: 源程序32致 謝361 緒論1.1 課題背景 科技的開展、人類生活的提高,如今石油資源面臨危機(jī)、地球的生態(tài)環(huán)境日益惡化,因此形成了新型二次電池及相關(guān)材料領(lǐng)域的科技和產(chǎn)業(yè)快速開展的雙重社會背景。市場的迫

10、切需求,使新型二次電池應(yīng)運(yùn)而生,形成的產(chǎn)業(yè)迅猛開展。近年來,許多知名企業(yè)都建立起了屬于自己的生產(chǎn)基地,以用來生產(chǎn)蓄電池,并且還從原來的高層社會向底層社會開展,即是實(shí)現(xiàn)讓蓄電池全民化。與此同時,我們還發(fā)現(xiàn)其他領(lǐng)域的企業(yè)也開始向蓄電池這方面開展,也因此可以看出蓄電池在將來的開展競爭劇烈。隨著信息時代的快速開展, 、平板等逐步全民化。掌上娛樂的同時對電量要求的趨勢也越來越迫切,并帶動這蓄電池的快速開展,基于這樣的開展前景,我覺得蓄電池的開展前途一片光明。并且蓄電池的有效開展會給掌上娛樂和人們的生活娛樂以及電量供給設(shè)備提供不限量的快感與便利。蓄電池會在單片機(jī)的根底上不斷的開展和完善!1.1.1 蓄電池

11、研究現(xiàn)狀 當(dāng)今社會上測量蓄電池的性能的方法有很多種,一般常見的有: (1)濕度法檢測蓄電池的容量:即在蓄電池工作狀態(tài)中,通過傳感器來測量出蓄電池的所容納的電量。當(dāng)傳感器上顯示阻抗大的時候,表示蓄電池的濕度小,顯示阻抗小的時候,那么表示蓄電池的濕度大。兩者成反比的關(guān)系。 (2)通過檢測電解液密度獲得蓄電池剩余容量,這也是鉛酸蓄電池檢測普遍采用的方法。電解液密度在充電過程中密度會逐漸升高,而在蓄電池放電過程中,密度會逐漸降低。相反,我們可以監(jiān)測蓄電池的電解液密度,然后來確定蓄電池的工作狀態(tài),以及確定蓄電池當(dāng)時的電量。 (3)高電率放電法判斷蓄電池剩余容量:即通過測量大負(fù)荷下的端電壓來判斷蓄電池的剩

12、余容量。它是模擬啟動機(jī)啟動時的負(fù)載,測出蓄電池在大電流放電時的端電壓,通過端電壓變化就可以確定蓄電池的工作狀態(tài)。這方法能檢測出蓄電池是否出現(xiàn)問題,還能智能檢測系統(tǒng)供電的能力,但它的一個缺點(diǎn)是不能測量正在充電和剛充完電的蓄電池。1.1.2 電池的主要性能指標(biāo) (1)平安性能 平安性能指標(biāo)不合格的蓄電池是不能夠使用并且不被人們所介紹,因?yàn)槠桨残阅苤笜?biāo)不合格的蓄電池能引發(fā)許多的事故,其中影響最大的是爆炸和漏液。爆炸和漏液的發(fā)生主要與蓄電池的內(nèi)壓、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計及應(yīng)用禁止的不正確操作有關(guān)。 2 額定容量 因?yàn)樾铍姵氐娜萘?定義了蓄電池的額定容量。額定容量是蓄電池制造的時候,規(guī)定蓄電池在一定的放電條件下

13、應(yīng)該放出的最低限度的電量,其單位為Ah。使用條件不同,蓄電池能夠放出的容量也不同。 3 蓄電池的靜止電動勢 蓄電池靜止相當(dāng)長一段時間后,其內(nèi)部電解液擴(kuò)散過程停止,此時電池的狀態(tài)為開路狀態(tài),在用電壓表在常溫下測量正負(fù)極板間的電位差,此電位差就是我們需要的蓄電池的在該狀態(tài)存在的靜止電動勢。 在我們把電極需要使用的材料確定后,電動勢可用經(jīng)驗(yàn)公式占鈕85+d15決定。d15是在15時極板微孔內(nèi)部電解液的密度。蓄電池靜止時,極板微孔內(nèi)部與容器中的電解液的密度相同。 (4)蓄電池的額定電壓 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的蓄電池電壓值為額定電壓,用V表示。 5 內(nèi)阻 對于鉛酸蓄電池的內(nèi)阻通常我們可分為電化學(xué)性電阻以及金屬性

14、電阻。其中蓄電池的電化學(xué)性電阻包括了涂膠的電阻,隔板的電阻以及電解液的電阻。對于金屬性電阻,它包含蓄電池的終端電阻,還有蓄電池的夾板、柵格以及柵格與涂膠之間的電阻。1.2 蓄電池技術(shù)的開展與方向 鉛酸蓄電池是目前世界上廣泛使用的一種化學(xué)電源,具有電壓平穩(wěn)、平安可靠、價格低廉、適用范圍廣、原材料豐富等優(yōu)點(diǎn),中國鉛酸蓄電池行業(yè)經(jīng)過50年的建設(shè)與開展,已根本形成了大中小企業(yè)相結(jié)合、具有一定規(guī)模的鉛酸蓄電池制造體系。隨著我國改革開放進(jìn)一步向縱深開展,各行業(yè)結(jié)構(gòu)作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,能源、交通和通訊等支柱產(chǎn)業(yè)飛速開展,給鉛酸蓄電池行業(yè)帶來了巨大的開展機(jī)遇。 高能電池、廉價的燃料電池的開展將會帶動愈來愈多的電子

15、產(chǎn)品開展起來。電池的種類將會更多、應(yīng)用范圍更廣,價格更低廉且更加“清潔。和太陽能聯(lián)系在一起的電池以及以大氣為活性物質(zhì)的燃料電池將會在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)中飛速開展。 在循環(huán)壽命、再生率、自放電和平安性方面?鉛酸電池作為應(yīng)用范圍最廣、用量最大的化學(xué)電源,鉛酸蓄電池行業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存,隨著能源、交通、通信等根底產(chǎn)業(yè)的迅速崛起鉛酸蓄電池的市場前景非常廣闊,特別是適應(yīng)環(huán)保與免維護(hù)需求的閾控式密封鉛酸蓄電池已經(jīng)被人們接受,并且在很多領(lǐng)域已逐漸取代傳統(tǒng)的開口式鉛酸蓄電池。 新的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)自動化程度高、人機(jī)界面友好,又易于操作,并且整體結(jié)構(gòu)可靠性好,精度高,具有很高的推廣使用價值。中國已將新能源、節(jié)能環(huán)保等列為重

16、點(diǎn)行業(yè),如果把本課題所設(shè)計的新型蓄電池在線智能監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生活中,將會給新能源、節(jié)能環(huán)保等行業(yè)帶來不一樣的前景。? 由于世界的開放,中國在世界上的市場競爭也是越來越劇烈,如果不開展,中國的電池行業(yè)將會被擠出世界的舞臺,以至于沒有生存空間,由此可以看出中國將受到來自世界有多大的威脅。因此,我們中國的蓄電池企業(yè)應(yīng)該盡快的開展壯大,完善內(nèi)部,提高對產(chǎn)品的技術(shù)要求以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品成果,并且我們還必須考慮的盡量減少生產(chǎn)的本錢,讓我們國家的產(chǎn)品在世界上能過生存,并具有很高的地位。這樣,也只有這樣我們才可能使蓄電池行業(yè)走上健康的良好的開展軌道。 1.3 本課題所做的主要工作 本課題擬采用軟硬件相結(jié)合

17、組成實(shí)際控制系統(tǒng)。利用相關(guān)知識對蓄電池的工作原理和失效機(jī)理進(jìn)行理論分析。完成對控制算法的設(shè)計。在硬件電路設(shè)計上,要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個功能模塊的正確設(shè)計及連接。在軟件編程方面,采用AT89C51單片機(jī)完成主控程序編寫,實(shí)現(xiàn)對蓄電池進(jìn)行快速有效地監(jiān)控。2 測試方法的研究2.1 蓄電池的內(nèi)阻 蓄電池的內(nèi)阻:即是指當(dāng)蓄電池在工作的時候,電流通過蓄電池在內(nèi)部所受到的阻力,一般可分為交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻,由于充電電池內(nèi)阻很小,測直流內(nèi)阻時由于電極容量極化,產(chǎn)生極化內(nèi)阻,所以無法測出其真實(shí)值,而測其交流內(nèi)阻可免除極化內(nèi)阻的影響,得出真實(shí)的內(nèi)值。 蓄電池的內(nèi)阻由導(dǎo)體電阻和電化學(xué)極化電阻及濃差極化電阻三個部份組成,并且

18、在充放電過程中電阻是變化的,其中充電過程內(nèi)阻由大變小,反之放電過程內(nèi)阻由小變大。溫度對蓄電池內(nèi)阻大小的影響也挺大的,在低溫狀態(tài)的情況下,比方在0以下,當(dāng)溫度逐漸下降的時候,蓄電池的內(nèi)阻將會逐漸增大。在較高溫度時,如10以上,當(dāng)溫度逐漸上升的時候,蓄電池的內(nèi)阻將會逐漸減小。對于蓄電池的內(nèi)阻變化,它還與系統(tǒng)電路中的電流的大小還有一定的關(guān)聯(lián),如果電路中瞬間放出較大的電量,蓄電池里面的極板間的硫酸溶液濃度會很快的變低,但是極板孔的外面還存在很多的溶液,由于來不及擴(kuò)散,所以濃度依然會很高,如此,極板孔中硫酸溶液的電阻會增加大,蓄電池兩端的電壓也會變低。但是當(dāng)蓄電池放電結(jié)束后,極板空隙中的溶液密度會越來越

19、來大,也因此電阻會增大,蓄電池兩端的電壓也會逐漸變大。 另外,當(dāng)蓄電池中使用薄極板的時候,蓄電池的內(nèi)阻也會比使用厚極板的蓄電池內(nèi)阻小,因?yàn)橥萘侩姵氐臉O板數(shù)量,薄的要多于厚極板電池的極板數(shù)量,因此相同電流放電時,薄極板電池的電流密度小,其各極極化也要小得多。由此可見,蓄電池內(nèi)阻是由諸多因素構(gòu)成的動態(tài)電阻。我們研究蓄電池的內(nèi)阻是為了了解與蓄電池直接連接的母線及饋線出口短路時,蓄電池將提供多大短路電流,并依此來選擇母線及其它設(shè)備,并根據(jù)短路電流來確定保護(hù)電器的級差配合。顯然,同容量的蓄電池短路電流越大,對設(shè)備和人身平安帶來的危害性也越大。2.2 蓄電池內(nèi)阻與容量的關(guān)系 對于蓄電池的內(nèi)阻與容量的關(guān)系

20、而言,在同樣的情況下,有著這樣的關(guān)系:容量越大,內(nèi)阻越小。反之那么相反。容量越大的電池,相對來說正負(fù)極板的面積會越大,相應(yīng)的內(nèi)阻也就會越小。另外,在蓄電池電量充足時,蓄電池的內(nèi)阻會相對較小,而當(dāng)蓄電池電量放完時,蓄電池的內(nèi)阻會變大許多。 但是還要知道的是,兩者并不是直接影響的,而是通過影響其他方面來影響對方的,也就是說,兩者并沒有直接的關(guān)系,而是通過影響對方的制約因素來影響對方。 2.3 蓄電池等效電路 蓄電池里面是依靠化學(xué)反響來提供電能的,阻抗分析是電化學(xué)研究中的常用方法,一般情況下,電池在充電或放電時,其內(nèi)阻R由3局部組成,如公式(1)所示 RR?+Rc+Re 式中的R為歐姆內(nèi)阻;Rc為濃

21、差內(nèi)阻;Re為活化內(nèi)阻。 在很多研究方法中,使用圖1來等效蓄電池 蓄電池阻抗等效電路 圖中字母所示含義:Rtp和Rtn是電極離子遷移電阻;Lp、Ln為正負(fù)極電感;Cdlp,、Cdln是極板雙電層電容;Zwp,Zwn為阻抗;Rhf是歐姆電阻。 電池阻抗是一個復(fù)阻抗,對于蓄電池的阻抗就包擴(kuò)兩個方面,其中一方面是歐姆阻抗,另外一方面就是蓄電池兩端的正負(fù)極阻抗,在其他條件不變的情況下與測試頻率有關(guān)。 通常情況的內(nèi)阻是指某一固定頻率下的內(nèi)阻值,一般的內(nèi)阻測試有兩種:測蓄電池的內(nèi)阻測量,如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池,使用的頻率一般為1KHz;用于測鉛酸電池的頻率一般為10-60Hz。 2.4 設(shè)計方案論證

22、 蓄電池的內(nèi)阻要精確測量具有一定的難度的,其中存在幾個原因:第一,蓄電池內(nèi)阻非常小,小到毫歐數(shù)量級。第二,精度要求高,重復(fù)性,穩(wěn)定性要好,內(nèi)阻的變化在一個長時間里是很小的,達(dá)不到精度,重復(fù)性和穩(wěn)定性的要求,測量是沒有意義的。第三,在線測量,干擾十分嚴(yán)重,特別是在同心系統(tǒng)中使用中、還有來自通信設(shè)備的干擾。第四,必須是在線測量,離線測量意義不大。 現(xiàn)目前,要測出蓄電池的內(nèi)阻的常見方法有許多種,其中包括:密度法、直流放電法、開路電壓法、交流注入法。 (1)密度法:它是通過測量出蓄電池中的容液的密度,通過測量到的容液的密度來然后算出蓄電池內(nèi)阻大小,而現(xiàn)在的蓄電池根本都是封閉式的,無法取得電解液。該方法

23、的適用范圍窄并且這種方法在精度上有很大的缺陷。 (2)開路電壓法:它主要是通過測出蓄電池的端電壓,理由測出來的端電壓,利用所知的知識運(yùn)算出蓄電池的內(nèi)阻,但是這種方法的精度很差,甚至可能算出不是我們需要的答案,即是算出來的內(nèi)阻數(shù)據(jù)是錯誤的結(jié)果。因?yàn)?即使一個容量已變小的蓄電池,在浮充狀態(tài)下的時候其端電壓仍然可能會表現(xiàn)出正常狀態(tài)。 (3)直流放大法就是通過對電池進(jìn)行瞬間大電流放電,測量電池的瞬間電壓降,通過歐姆定律計算出電池內(nèi)阻。由于瞬間大電流對蓄電池有一定的危害,并且當(dāng)內(nèi)阻值很小時,在一定電流下的電壓變化幅值相對較小,給準(zhǔn)確測量帶來困難。另外,由于放電過程電壓的變化,需要選擇穩(wěn)定區(qū)域計算電壓變化

24、幅值。實(shí)際測量中,直流方法所得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差。 (4) 交流法是通過對蓄電池外加上一個交流電流,當(dāng)然該電流必須是低頻的,然后我們就可以測出蓄電池兩端的電壓和流過的電流,因?yàn)閰⒓拥碾娏魇堑皖l的,所以所測出的電壓和電流都是低頻的,通過測出的數(shù)據(jù)之間的的電壓差,最后通過這些算出蓄電池當(dāng)時的內(nèi)阻。 交流法是通過參加一個額外電流,即在使用交流法的時候,不用讓電池處于放電狀態(tài)或者放完點(diǎn)的狀態(tài),我們就可以實(shí)現(xiàn)對蓄電池的在線監(jiān)測和管理,由此不會對設(shè)備運(yùn)行方面有什么影響。同時,我們對蓄電池施加的低頻信號的頻率非常低,電流值相對也非常小,這樣就不會對電池的性能造成什么影響。首先產(chǎn)生一個1KHz的恒定交流鼓勵信號

25、,交流法通過對蓄電池注入一個交流信號Is,測量出蓄電池兩端的電壓響應(yīng)信號Vo,以及兩者的相位差,由阻抗公式(2)和(3) (2)(3)即可計算出蓄電池的阻抗,進(jìn)而反映出蓄電池的性能。 有以上比擬,我們選用交流法,來進(jìn)行對蓄電池的一些性能的測量。 2.5 交流法 當(dāng)使用受控電流時電流如公式(4)所示 (4) 產(chǎn)生的電壓響應(yīng)如公式?(5)所示 (5) 假設(shè)使用受控電壓鼓勵如公式(6)所示 (6) 產(chǎn)生的電流響應(yīng)如公式(7)所示 (7)兩種情況的阻抗均為: 即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗,其模如公式(8)所示 (8) 相角為。 一般情況下鼓勵引起的電壓幅值變化小于10mV,這樣能保證阻抗測量的線性。 從

26、理論上講,向電池饋入一個交流電流信號,測量由此信號產(chǎn)生的電壓變化即可測得電池的內(nèi)阻,如公式(9)所示 (9) 式中 Vav-為檢測到交流信號的平均值;Iav - 為饋入交流信號的平均值 用交流法測量內(nèi)阻的時候,我們是在電池上面加上一會交流信號,然后測量出通過電池的電流(I)和該電流在電池兩端的所產(chǎn)生的交流電壓(V),通過測量到的電流和電壓,我們就可以算出蓄電池的阻抗。一般情況下,我們所選擇的交流信號都是低頻的,并且該交流信號在使用的時候,對于電容的所產(chǎn)生的影響很小,所以一般我們都忽略不計,所以對于我們測得的數(shù)據(jù)而言,實(shí)際上就是我們需要的蓄電池的電阻。對于交流法,它存在的缺點(diǎn)是很容易受到外界的影

27、響。但是我們?nèi)绻x擇適當(dāng)?shù)臏y試頻率,并采用有效的濾波器,還可以防止電源紋波和其他噪聲的影響的。交流法對正在使用的蓄電池來說,它對系統(tǒng)額外的影響很小,而且測量的準(zhǔn)確性很高,并且在測量的時候不會對蓄電池造成什么影響,是測量蓄電池的不二之選。 第3章 硬件電路設(shè)計3.1 總體框架 在實(shí)際使用中,由于饋入信號的幅值有限,電池的內(nèi)阻在微歐或毫歐級,因此,產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微伏級,信號容易受到干擾。尤其是在線測量時,會受到充電機(jī)或用電負(fù)載的影響。 交流法,首先要有一個交流源,原理框圖如圖2所示,交流原,就是提供交流信號,使之注入到蓄電池后能在蓄電池兩端產(chǎn)生一個交流相應(yīng)信號。同時考慮到交流源與蓄電池串聯(lián)

28、后,蓄電池會產(chǎn)生一個直流信號。為了防止與恒流源影響。故在串聯(lián)電路中串聯(lián)一個電容,電容可以起到隔直流,通交流的作用。其阻值的大小選取,選擇較大電容阻值的,因?yàn)檫x擇較大的電容c,交流信號在其分的電壓降,就少,其阻抗為 1/jc。 蓄電池的內(nèi)阻不是純電阻,里面存在有容性成分,故交流信號經(jīng)過蓄電池后相位差會發(fā)生變化。所以要測出蓄電池的阻抗,還要測出相位差。為了測出相位差我們需要一個參考電壓,電阻Ro,就是提供一個參考電壓,R取值1K,流過一個恒定的交流信號,如公式(10)所示 (10) R上產(chǎn)生一個的電壓信號,如公式(11)所示 (11)設(shè)計總體框圖如圖2所示 圖2 設(shè)計總體框圖 因?yàn)榻涣餍盘柦?jīng)過蓄電

29、池后,在蓄電池兩端的相應(yīng)信號十分微弱,直接取值不方便,并且如果直接取值還攜帶有直流信號,故我們選擇一個差分放大器,其輸入信號就是蓄電池兩端的的信號,經(jīng)過差分放大。得到蓄電池兩端的交流相應(yīng)電壓信號,并且此時已經(jīng)將直流信號去掉。同樣我們對的參考信號R兩端的信號作為輸入信號也經(jīng)過差分放大器。所以,我們就需要兩個完全一樣的差分放大器,放大器我們選用INA2321芯片,INA2321放大器一塊芯片里面有兩個完全一樣的放大器。故經(jīng)過INA2321后,信號放大同樣的倍數(shù)。 放大后的信號經(jīng)過AD8302幅相檢測芯片可以得到兩個輸入信號的幅度之比和兩輸入信號的相位差。假設(shè)幅度之比為q,那么蓄電池兩端的相應(yīng)電壓信

30、號如公式(12)所示 (12) 帶入阻抗公式(2)和(3),其中VoU qARo,IsIA 得公式(13) RqRocos(13) 在單片機(jī)里數(shù)據(jù)處理后,送入LCD顯示。直觀現(xiàn)實(shí)出來蓄電池性能的好壞。 3.2 主處理器模塊 AT89C51它是由一個8位中央處理器,一個256B片內(nèi)RAM以及4KB Flash ROM,還要21個特殊功能存放器,4個8位并行I/O口,兩個16位定時/計數(shù)器,一個串行I/O口以及中斷系統(tǒng)等局部組成,各個功能部件通過片內(nèi)單一總線連為一體,集成在一塊芯片上。 (1)主要特性 ?與MCS-51 兼容 ?4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ?壽命:1000寫/擦循環(huán) ?數(shù)據(jù)保存時間:

31、10年 ?全靜態(tài)工作:0Hz-24Hz ?三級程序存儲器鎖定 ?128*8位內(nèi)部RAM ?32可編程I/O線 ?兩個16位定時器/計數(shù)器 ?5個中斷源 ?可編程串行通道 ?低功耗的閑置和掉電模式 ?片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 AT89C51引腳如圖3所示 圖3 AT89C51引腳 (2)管腳說明: VCC:供電電壓。 GND:接地。 P0口:P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時,被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時,P0 口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時,P0輸出原碼,此時

32、P0外部必須被拉高。 P1口:P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時,將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時,P1口作為第八位地址接收。 P2口:P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個TTL門電流,當(dāng)P2口被寫“1時,其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時,P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時,P2口輸出地址的高八位。

33、在給出地址“1時,它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢,當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時,P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口:P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下所示: P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 /INT0(外部中斷0) P3.3 /INT1(外部中斷1) P3.4 T0(

34、記時器0外部輸入) P3.5 T1(記時器1外部輸入) P3.6 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時,要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG:當(dāng)訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是:每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時,將越過一個脈沖不作用與它。還有,只有當(dāng)

35、ALE在進(jìn)行MOVX的任務(wù)的時候,MOVC的指令是在ALE的作用下才起作用的,另外,該被作用的引腳被提高。還有要在意的是:如果設(shè)計的微處理器正處在外部執(zhí)行命令的狀態(tài)的時候,ALE會禁止不會作用與誰,所以此時的置位動作會無效化。 /PSEN:即外部程序存儲器的選通信號。每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效的時候是這命令在由外部程序存儲器取指期間。但是當(dāng)命令在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時間,這兩次有效的/PSEN信號將不會出現(xiàn)。 /EA/VPP:即外部訪問允許,當(dāng)欲使CPU只訪問外部存儲器的時候,必須要使EA端保持在低電平的狀態(tài),并且接地。另外,我們需要注意的是:如果加密為LB1被編程,復(fù)位的時候內(nèi)部會自動鎖

36、存EA端當(dāng)時的狀態(tài)。如EA端為高電平,CPU就好執(zhí)行內(nèi)部存儲器設(shè)定好的指令。當(dāng)Flash存儲器編程時,該引腳會加上+12V的編程允許電源Vpp,當(dāng)然該器件的額定電壓必須是12V的。 XTAL1:振蕩器反向放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2:振蕩器反向放大器的輸出端。 本設(shè)計采用的處理器模塊如圖4所示 圖4 主處理器模塊3.3 探測電路 此電路就是連接蓄電池的直接電路,伸出的兩根線,分別如蓄電池的正負(fù)極相接,即可完成。該局部電路如圖4所示圖5 探測電路3.4 差分放大電路 放大器芯片INA2321是INA321系列輸入輸出電壓范圍可以到達(dá)電源電壓的提供的微功耗 CMOS 儀表放大器,可

37、以單電源以及雙電源。INA321 系列提供低本錢、低噪聲、微功耗的差分信號的放大器 40A 的電流消耗。 當(dāng)芯片關(guān)閉,該INA321 有靜態(tài)電流小于 1A。在幾納秒返回到正常工作,關(guān)機(jī)功能,可以在使INA321 得到最正確應(yīng)用,低功耗電池或多路復(fù)用。在內(nèi)部增益配置為 5V/V,INA321 提供了靈活的外接電阻可以得到靈活的增益。3.4.1 INA321芯片簡化圖 該芯片引腳如圖5所示 圖6 INA321芯片引腳 引腳5、6分別與1接上電阻R1和R2,電阻阻值的不同可以得到不同的增益,如公式(14)所示 (14)3.4.2 INA2321電路圖 INA2321芯片有兩個這樣的,接法與之類似,其

38、INA2321芯片的外圍連接電路如圖6,引腳3和2接蓄電池兩端的信號,引腳5和6接電阻Ro兩端的信號。作為差分放大器的輸入信號。輸出端為引腳13和9。此放大電路濾出了直流成分的影響,而且解決了,相應(yīng)信號微弱,難易采集的問題,其中根據(jù)實(shí)際情況,圖中電阻R7、R8、R9、R10的阻值選取適宜的阻值。但是R7與R10、R9與R8必須分別取值相同,才能得到相同的增益。另外,INA2321中兩個放大器存在相同的環(huán)境中(溫度等),即它們產(chǎn)生相同的放大倍數(shù)。圖7 差分放大電路3.5 幅相檢測電路 本次設(shè)計使用的芯片可以得到兩個輸入信號的幅度之比和兩個輸入信號的相位差。3.5.1 AD8302電路圖 AD83

39、02芯片的外圍連接電路如圖8 圖9 幅相檢測電路 R1,R2為輸入端電阻。R3為UREF輸出端的負(fù)載。C1、C4為交流輸入的耦合電容,C2和C3為濾波電容,C5,C6為電源退耦電容。 3.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計3.6.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD0809 AD0809芯片引腳如圖9所示圖10 AD0809芯片引腳 (1)A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓:+5V;由于片內(nèi)無時鐘,所以一般都需要外加640KHz以下且不低于100KHz的時鐘信號;模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)一般采用8路模擬開關(guān)和3位地址鎖存與譯碼器組成的轉(zhuǎn)換開關(guān),地址鎖存即是將ADDC、ADDB和ADDA進(jìn)行鎖存

40、,然后就通過譯碼電路選擇其中一個電路的信號加到A/D轉(zhuǎn)換局部,然后對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 (2)ADC芯片的控制信號 啟動轉(zhuǎn)換信號(START):是由CPU提供給ADC芯片的,在正脈沖的下降沿轉(zhuǎn)換開始; 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(EOC):一旦啟動轉(zhuǎn)換,EOC立即變低,直至轉(zhuǎn)換結(jié)束,EOC輸出高電平,通知CPU轉(zhuǎn)換已結(jié)束; 允許輸出信號(OE):ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后,轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在輸出鎖存器中,并沒有送入數(shù)據(jù)總線上。CPU取數(shù)時,發(fā)出OE信號選通芯片內(nèi)部的三態(tài)輸出緩沖器將數(shù)據(jù)輸出。 (3)引腳功能 D7D0:8位數(shù)據(jù)輸出線 IN7IN0:8路模擬量輸入端 ADDC、ADDB、ADDA:三位地址輸入線,他們的作用是選擇

41、8路模擬輸入中的一路處于通行狀態(tài)。 ALE:地址鎖存允許信號,輸入,高電平有效。 START:A/D轉(zhuǎn)換啟動信號,輸入,高電平有效。 EOC:A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,輸出,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時,此端輸出一個高電平,在轉(zhuǎn)換期間都是低電平。 OE:數(shù)據(jù)允許輸出信號,輸入,只有在高電平的時候才有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的時候,在此端口輸入一個高電平之后,才能使輸出三態(tài)門翻開,到達(dá)輸出我們需要的數(shù)字量。 CLOCK:時鐘脈沖輸入端。該時鐘頻率要求不能超過最高頻率。 REF(+)、REF(-):基準(zhǔn)電壓。 Vcc:電源,單一+5V 另外,對于模擬的輸入和數(shù)字量的輸出的關(guān)系為:N=(VIN-VREF(-)×

42、;256/(VREF(+)-VREF(-),當(dāng)VREF(+)=+5V,VREF(-)=0V,假設(shè)輸入模擬電壓為2.5V,那么轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量N=128,即二進(jìn)制數(shù):10000000B3.6.2 ADC0809與單片機(jī)的接口電路 AD0809芯片與單片機(jī)的連接如圖10所示圖11 AD0809與單片機(jī)的連接圖 引腳ADD A 、ADD B、ADD C分別接單片機(jī)P2.3、P2.4、P2.5,用來選擇需轉(zhuǎn)換的模擬通道,轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與單片機(jī)的P1口相連,當(dāng)OUTPUT ENABLE引腳有效時,單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換過的數(shù)據(jù)。 3.7 液晶顯示3.7.1 LCD1602介紹 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字

43、母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式LCD,目前常用16*1,16*2,20*2和40*2行等的模塊。本設(shè)計用的是16*2(16列2行) 模塊。1602可以顯示內(nèi)部常用字符包括阿拉伯?dāng)?shù)字,英文字母大小寫,常用符號和日文假名等,也可以顯示自定義字符單或多個字符組成的簡單漢字,符號,圖案等,最多可以產(chǎn)生8個自定義字符。 (1)1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳(無背光)或16腳(帶背光)接口,各引腳接口說明: 第1腳:VSS為電源地。 第2腳:VDD(+5V) 第3腳:Vee,比照調(diào)整電壓。 第4腳:RS,輸入,0輸入指令,1輸入數(shù)據(jù)。 第5腳:R/W,輸入,0向LCD寫入指令或數(shù)據(jù),1從LED讀取信息。 第6腳:

44、E,輸入,使能信號,1時讀取信號,10為下降沿,執(zhí)行指令。 第714腳:DB0DB7,輸入/輸出,數(shù)據(jù)總線。 第15腳:A,+VCC,LCD背光電源正級。 第16腳:K,接地,LCD背光電源負(fù)極。 (2)1602LCD的指令說明 1602LCD的指令共有11條指令: 指令1:清屏指令。 指令2:光標(biāo)歸為指令。 指令3:進(jìn)入模式設(shè)置指令。 指令4:顯示開關(guān)控制指令。 指令5:設(shè)定顯示屏或光標(biāo)移動方向指令 指令6:功能設(shè)定指令。 指令7:設(shè)定CGRAM地址指令。 指令8:設(shè)定DDRAM地址指令。 指令9:讀取忙信號或AC地址指令。 指令10:數(shù)據(jù)寫入DDRAM或CGRAM指令一覽。 指令11:從C

45、GRAM或DDRAM讀取數(shù)據(jù)的指令一覽。 (3)讀寫操作時序如下圖:讀操作時序?qū)懖僮鲿r序 (4)1602LCD的RAM地址映射 液晶顯示模塊這種器件在顯示的時候非常慢的,所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平,表示不忙,否那么此指令失效。1602的內(nèi)部顯示地址如圖13所示。圖14 1602LCD內(nèi)部顯示地址3.7.2 LCD1602與單片機(jī)的接口電路 LCD1602與單片機(jī)的連接如圖14所示圖15 LCD1602與單片機(jī)的連接 控制信號由單片機(jī) P2.0P2.2控制,數(shù)據(jù)從P0.0P0.7引入。通過P2.0來選擇是用數(shù)據(jù)存放器還是指令存放器,P2.2作為芯片使能端子,P2.1控制

46、芯片是進(jìn)行讀操作還是寫操作。液晶顯示模塊是一個慢顯示器件,所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平,表示不忙,否那么此指令失效。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件總體程序設(shè)計 在設(shè)計軟件的時候,我們應(yīng)該要明確我們所設(shè)計的系統(tǒng)要做到哪些功能。通過設(shè)計需要,我們知道設(shè)計的系統(tǒng)在使用之前必須要進(jìn)行嚴(yán)密的校準(zhǔn)過程,不然就好導(dǎo)致我們測量的結(jié)果誤差甚至是錯誤,以至于無法做到對蓄電池有效監(jiān)控,在校準(zhǔn)的過程中,應(yīng)該包括基準(zhǔn)電壓的輸入,和電流量程的輸入;還要對蜂鳴器報警上限和下限進(jìn)行提前設(shè)置,其中需要設(shè)置的有溫度上限、電壓上下限、內(nèi)阻上限;另外要保證測量的準(zhǔn)確性,我們還需要設(shè)置的有本機(jī)

47、地址、讀取溫度序列號、通訊波特率、等這些根本的參數(shù)。在我們所設(shè)計的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)要使用的時候,我們還要對蓄電池的當(dāng)時的狀態(tài)進(jìn)行一些必要的測量,然后還要對測量的結(jié)果進(jìn)行一系列的校準(zhǔn),然后通過測量,校準(zhǔn)得到的數(shù)據(jù)來計算出蓄電池的電動勢的值以及蓄電池的內(nèi)阻,并通過液晶顯示屏顯示出來。由于我們所設(shè)計的系統(tǒng)能夠測量多路,所以選擇顯示屏要顯示哪一路的數(shù)據(jù)就需要我們使用鍵盤來完成顯示屏的顯示。與此同時,我們所設(shè)計的系統(tǒng)還應(yīng)該能夠判斷出所測量的各個參數(shù)值是否已經(jīng)超限,如果超限了,就需要控制蜂鳴器自動報警,以到達(dá)讓我們對工作的機(jī)械的調(diào)整以及維修。系統(tǒng)還要具有與上位機(jī)通訊的功能。4.2 總電路圖 通過一系列的

48、要求,我們所設(shè)計的系統(tǒng)電路如下列圖所示,該系統(tǒng)電路圖的核心局部我們使用的是單片機(jī)AT89C51,在該系統(tǒng)運(yùn)行的時候,所測量到的的電壓和電流的值會直接送到A/D轉(zhuǎn)換器中,測量到的溫度的數(shù)據(jù)會被直接送到單片機(jī)中,經(jīng)過單片機(jī)的一些處理后,然后就會被送到LCD。對于該系統(tǒng)所檢測出的數(shù)據(jù):其中包括電壓值和電流值以及溫度大小,全部都可以在LCD上面做出反響,另外,我們還可以可以提前設(shè)定一個蜂鳴器的報警范圍,當(dāng)測量的數(shù)據(jù)超出我們所設(shè)定的報警范圍的時候,蜂鳴器就會自動啟動,以到達(dá)報警的效果。 總電路圖 4.3 程序流程圖 系統(tǒng)的正常工作是硬件與軟件共同完成的。本系統(tǒng)下位機(jī)軟件采用C 語言編寫,采用模塊化的程序

49、設(shè)計方法,主要包括初始化模塊、主程序模塊、電壓/ 電流采/溫度集模塊、放電控制模塊、通訊模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊。這里蓄電池監(jiān)測主要是對蓄電池組進(jìn)行監(jiān)測,下面為主程序流程圖如下列圖所示: 系統(tǒng)程序流程圖 上述的參數(shù)判斷主要是針對溫度,因?yàn)樾铍姵氐淖罡叱惺軠囟仁?5攝氏度。所以當(dāng)溫度超過蜂鳴器會響 數(shù)字式溫度傳感器DSl8B20可將測量到的溫度以兩個字節(jié)的形式存放在內(nèi)部的芯片存儲器中。由于它采用了的通訊的方式,當(dāng)在總線上面存在了多于一個DSl8B20的時候,就需要我們先指定出一個主DSl8B20了,讓它擁有特殊的權(quán)利,即是該主DS18B20占用總線的特殊權(quán)力。由于存在這個原因,在存在多個DS

50、l8B20的系統(tǒng)的時候,在系統(tǒng)能正常工作前,我們就需要對系統(tǒng)中所有存在的DSl8B20的序列號進(jìn)行讀取,然后將它們都保存在系統(tǒng)的存儲器中。 DSl8B20的內(nèi)部命令我們分成了兩種;暫存器命令、ROM命令。其中暫存器命令指的是對DSl8B20中存儲器的一些操作,它包括對溫度的讀取、轉(zhuǎn)換、以及上限和下限值的操作。但是DSl8B20假設(shè)想要實(shí)現(xiàn)某一個命令,還必需要ROM命令和暫存器命令這兩個命令同時使用的配合使用,才能實(shí)現(xiàn)該命令的完成。另外ROM命令的任務(wù)是負(fù)責(zé)對DS18B20內(nèi)部ROM的操作,其中包括對序列號的尋址、讀取、搜索等操作。我們所設(shè)計的測溫程序的流程如下圖。 測溫程序流程圖2.電流電壓讀入程序 由于電流由敏感元件測量得到,電壓通過精密電阻的分壓得到,所以只涉到數(shù)據(jù)處理。 電流電壓讀入流程圖 我們所設(shè)計的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng),其中要求該系統(tǒng)能夠和上位機(jī)之間到達(dá)通訊。對于通訊方式,我們所設(shè)計的單片機(jī)有總共存在4種串行通訊方式。在蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)中我們選擇了其中一種通訊方式。對于該方式我們選擇的是方式3,該通訊方式是11位異步收發(fā),波特率由定時器l控制,在使用前要設(shè)置波特率,并且通訊方式3適用于多機(jī)通訊。在方式3前提下,通訊時