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温州大学瓯江学院 WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE 本科毕业设计（论文） 题 目 智能蓄电池传感器的设计 专 业 机械工程及其自 动化 班 级 08 机械自动化 本一 学生姓名 经纬 学 号 08207013121 指导教师 储军 职 称 讲师 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘摘 要要 随着我国通讯、电力、UPS 等行业的迅猛发展，蓄电池的用量也在快速增加。 就目前我们的蓄电池使用条件，经常会发生一些意想不到的状况发生，比如看似正 常的蓄电池放电时却放不出电来。这种状况的发生主要原因在于蓄电池的运行状态 没有得到有效的监测，从而导致蓄电池组中某一块或多块蓄电池发生故障而没有及 时的分拣出来，进而导致整个蓄电池组不能正常放电。 由于上述原因， LEM 公司针对蓄电池的运行机理以及失效模式开发出了世界上 体积最小同时各种功能高度集成的智能蓄电池传感器 Sentinel，能够准确测量单体 蓄电池的内阻、温度以及电压等参数。本文针对该款智能型传感器，对其内部温度 检测系统的内部组成及内部电路、电压检测系统的组成和电路和报警检测系统的内 部组成和电路进行设计，重点介绍内部温度检测系统的系统构造和系统特点，温度 检测系统采用 89S51 单片机为核心，配合其它辅助模块完成温度的检测，最后利用 PRO/E 对该款智能型传感器外部特性进行三维建模。 关键字关键字：蓄电池传感器，检测系统，PRO/E，三维建模 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 ABSTRACT Along with our country communications, electric power, UPS industry swift and violent development, quantity of accumulator is rapidly increasing. At present our battery condition, often occur in some beat all situations, such as seemingly normal battery discharge when they put out to. This state of affairs is the main reason for battery operation state did not get effective monitoring, thereby causing the battery in one or a plurality of battery failure occurs due to not timely sorting out, resulting in the battery can not be normal discharge. Because of the above reasons, LEM company for battery operation mechanism and failure mode developed the worlds smallest and various functions of highly integrated intelligent battery sensor Sentinel, capable of accurately measuring the monomer battery internal resistance, temperature, voltage and other parameters. In this paper the intelligent sensor, the internal temperature detecting system of internal composition and the internal circuit, voltage detection system and the circuit and the alarm detection system for the internal components and circuit design, focusing on the internal temperature detection system structure and system characteristic, temperature detection system using 89S51 single chip as the core, with the other auxiliary module completes the temperature detection, finally using PRO / E on the intelligent sensor external characteristics for three-dimensional modeling. Keywords:Keywords: Battery sensor，Detection system，PRO/E, Three dimensional modeling 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 I 目目 录录 第一章 绪论 - 1 - 1.1 引言 . - 1 - 1.2 目前蓄电池传感器的发展现状 . - 1 - 1.3 课题研究内容及意义 . - 2 - 第二章 温度监测系统的模块的设计 - 3 - 2.1 温度检测系统的基本构成 . - 3 - 2.2 总体结构方案 . - 3 - 2.3 实现方式选择 . - 3 - 第三章 系统模块电路设计 - 5 - 3.1 温度监测系统模块电路设计 - 5 - 3.1.1 温度采集模块 . - 5 - 3.1.2 显示功能模块 . - 10 - 3.1.3 键盘输入控制模块 . - 13 - 3.2 电压测量模块设计 - 14 - 3.2.1 ADC0809 简介 . - 14 - 3.2.2 电压测量模块的电路图。 . - 16 - 3.3 电流测量电路设计 - 16 - 3.4 报警电路设计 - 18 - 第四章 智能蓄电池传感器外形 PRO/E 建模 . - 20 - 4.1 PRO/E 软件简介 - 20 - 4.2 传感器三维建模步骤 - 20 - 4.3 本章小结 . - 22 - 结论 - 23 - 致谢 - 24 - 参考文献 - 25 - 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 蓄电池是通信、信息、金融系统中最重要的后备电源保障。电源系统的好坏将 直接影响通信系统的可靠性和稳定性。 目前,几乎所有的通信系统电源供电都是由不 间断的电池提供的,有的大型通信系统还建立专门的电池室,一般有一主一备两套的 电源系统,通常由多个固体电池串并联组成。 当电池温度过高时势必影响到电池的工 作效率和寿命,因此对电池的工作温度进行实时的温度监控具有实际意义!但是，由 于蓄电池的运行状况或真实保障能力很难通过常规方法来掌握，致使作为最后一道 保险绳的蓄电池在关键时刻出现问题，给一些重要系统造成巨大损失。 1.2 目前目前蓄电池传感器蓄电池传感器的发展现状的发展现状 蓄电池作为安全不间断供电的最后一道保障措施，同时也是不间断供电系统里 面最不安全的因素。从系统理论我们知道，系统的安全程度取决于系统中最不安全 的因素，也就是我们经常引用的“木桶理论”。 针对蓄电池的运行机理和失效模式，国内已经有相关的标准出台，在直流供电 的场合安装对蓄电池监测的必要装置，比如电压巡检仪等。但是根据后备蓄电池的 工作条件， 有可能长期不放电， 在两次定期核对性放电测试期间， 同样有可能失效， 而电池的端电压是完全正常的。 随着科学的发展，集成电路的出现，对蓄电池的检测不单单是对电压的检测， 同时的蓄电池的温度进行测量和报警，这样能够更加有效的对蓄电池的工作状态进 行检测。 随着集成电路的出现，数字技术在测量中获得了成功的应用。20 世纪 60 年代 出现了以集成电路芯片为基础的第二代仪器仪表数字式仪器仪表，如数字电压 表、数字电流表、数字频率计、记忆示波器等。这类仪器仪表的特点是将模拟信号 的测量转变为数字信号的测量，并以数字方式显示和输出测量结果，适用于快速响 应和高精度的要求，还可以将数据通过接口输入计算机处理。 随着单片机的问世， 20世纪70年代出现了内含微处理器的第三代仪器仪表 数据采集。数据采集仪表不仅能完成某些测量任务，还能进行各种复杂的数据运算 处理，且能适应被测参数的变化，进行自动补偿，自动选择量程、自动校准、自寻 故障、自动进行指标判断与分选以及进行逻辑操作、定量控制与程序控制等工作。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 2 - 随着新型单片机和大规模可编程集成器件的出现，新研制生产的数据采集系统不断 产生，并且正在逐渐取代传统的仪器仪表。 1.3 课题课题研究内容及意义研究内容及意义 本课题研究一种智能蓄电池传感器，设计考虑使用单片机作为主控核心。设计 自动监控系统对蓄电池进行安全监测。单片机以其功能强、体积小、使用方便、性 价比高等优点，在实时控制、自动测试、智能仪表、计算机终端、遥测通讯、家用 电器等许多方面得到了广泛的应用。 本课题研究的内容包括 1、蓄电池的温度测量模块的设计。 2、电压测量模块的设计。 4、电流测量模块的设计。 3、报警模块的设计。 4、利用 PRO/E 对智能蓄电池传感器外形进行三维造型 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 3 - 第二章第二章 温度监测系统的模块温度监测系统的模块的设计的设计 2.1 温度检测系统的基本构成温度检测系统的基本构成 温度监测系统的设计包括以下几个主要功能模块 一、温度采集模块：本系统采用 AD7416 数字温度传感器，完成温度数据的采 集和 A/D 转换功能。 二、数据处理模块：该模块采用微处理器来实现，微处理器模块是整个系统的 核心部分，微处理器选用 89S51 系列单片机，该处理器具有运用灵活、高速、低功 耗的优点。 三、显示功能模块：采用常用的 LED 显示器。 四、键盘输入控制模块：独立式键盘输入。 五、温度检测系统报警模块。采用扬声器报警。 2.2 总体结构方案总体结构方案 蓄电池温度监控系统的总体设计方案如图 2.1 所示。 温度采集模 块 AD转换电路小键盘 温度显示模块报警 单片机 滤波放大电路 微机 图 2.1 温度监测系统总体方案框图。 2.3 实现方式选择实现方式选择 实现以上功能的前提条件是建立一个基本的硬件平台,而用于蓄电池温度的传 感一般可采用两种方式： 采用传统的温度传感器+放大+A/D 转换方式或者直接采用 先进的具有和 CPU 接口的数字温度传感器,如 DALLAS 公司的 DS18B20、 ADI 公司 的 AD7416 以及 NS 公司的 LM75。 第一种方式是经典的单片机系统前向通道的设计模式,温度传感器可根据精度 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 4 - 要求和测量范围(有时可达数千摄氏度)选择热电偶或铂电阻。由于传感器一般是微 弱的模拟信号输出并且容易受到现场环境的干扰。因此如何提高信号增益和抗干扰 是前向通道设计的关键。其基本的通道结构如图 2.2 所示。 温度传感器滤波放大A/D转换器单片机 图 2.2 前向通道结构 当然,当精度要求不高时,也可以采用热敏电阻作为温度传感探头。在室温环境 下,热敏电阻的阻值与环境温度基本成线性关系。 这样可以通过电阻分压简单地将温 度值转化为电压值,并直接送往 A/D 转换器。 当测量精度大于 0.5%,测量范围在零下数十摄氏度至一百多摄氏度时,比较简单 的办法是采用数字温度传感器。数字温度传感器与 CPU 接口方便。一般采用串行 总线方式,如 IC 总线的 AD7416、单总线的 DS18B20 等。采用数字温度传感器的好 处是可不必过多考虑前向通道中诸如信号放大、零点漂移、传感器供电和干扰等因 素,可以在满足系统要求的前提下最大限度地减少系统开发成本和技术难度。 本系统采用 6 片 AD7416 温度传感器。当整个系统确定了关键的温度传感器后, 其他功能的实现可以根据实际情况灵活选择。如温度显示可根据用户要求和成本选 择 LCD 或 LED 数码管方式。温度门限值设定和保存可以选用 EEPROM，如 AT24C02。后向通道控制可根据负载功率大小选用继电器或可控硅。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 5 - 第三章第三章 系统模块电路设计系统模块电路设计 3.1 温度监测系统模块电路设计温度监测系统模块电路设计 3.1.1 温度采集模块温度采集模块 温度采集模块采用 AD7416 数字温度传感器,AD7416 数字式温度传感器是美国 模拟器件公司（ADI）出品的单片温度监控系统集成电路，其内部包含有带隙温度 传感器和 10 位模数转换器，可将感应温度转换为间隔为 0。25量化间隔的数字信 号，以便和用户设置的温度点进行比较。AD7416 片内寄存器可以进行高低温度门 限的设置，当温度超过设置门限时，过温漏极开路指示器（OTI）将输出有效信号。 另外，可以 AD7416 内部寄存器可以进行读写操作，最多可允许 8 片 AD7416 挂接 在同一总线上。该温度传感器可广泛应用于数据采集系统中的环境温度监测，工业 过程控制，电池充电以及个人计算机等系统。 1、基本特性与引脚功能基本特性与引脚功能 AD7416 具有如下基本特性： 1. 工作电压范围为+2.7V+5.5V； 2. 测温范围为-55+125； 3. 具有 10 位数字输出温度值，分辨率为 0.25； 4. 精度为 2(-25+100)和 3（-55+125）； 5. 转换时间为 1530s，更新速率为 400s； 6. 带有过温漏级开路指示器（OTI）； 7. 具有 I2C 兼容的串行接口和可选的串行总线地址； 8. 具有低功耗关闭模式（典型值为 0.2A）； AD7416 采用 8 脚表面贴 SO 和 8 脚小型 SOIC 封装形式， 图 3.1 所示为 AD7416 的引脚排列图，各引脚功能如表 3.1 所列。 SDA SCL OTI GND VCC A0 A1 A2 AD7416 1 2 3 4 8 7 6 5 图 3.1 AD7416 管脚图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 6 - 表 3.1 引脚功能 引脚 符号 功能描述 1 SDA 串行数据输入、输出端 2 SCL 时钟信号输入端 3 OTI 过温漏级开路输出端 4 GND 接地端 5 A2 串行总线地址输入端 6 A1 串行总线地址输入端 7 A0 串行总线地址输入端 8 VDD 电源端 2、工作原理工作原理 AD7416 的内部功能框图如图 3.2 所示。它的片内带隙温度传感器可按预先设 置的工作方式对环境温度进行实时测量，并将结果转化为数字量存入到温度值寄存 器中（地址 00H） ，其环境温度与输出数据的关系如表 3.2 所列。 表 3.2 环境温度与输出数据的关系 环 境 温 度 二进制数字输出 -50 11 0011 1000 -25 11 1001 1100 -0.25 11 1111 1111 0 00 0000 0000 +0.25 00 0000 0001 +10 00 0010 1000 +25 00 0110 0100 +50 00 1100 1000 +75 01 0010 1100 +100 01 1001 0000 +125 01 1111 0100 AD7416 预先设置的工作方式分两种： 1. 自动测温方式。在这种方式下，AD7416 每隔 400s 对环境温度测量一次，每次 的量化转换时间为 1530s，其余时间芯片则自动转入休眠状态； 2. 低功耗方式。这种方式通常应用在测温频率较低的场合。当用户需要对环境温 度进行测量时，可通过 I2C 串行接口总线来写入操作命令，此时，芯片将由休 眠状态转入测温状态。当温度量化转换结束后，芯片将重新转入休眠状态。 3、 AD7416 内部寄存器内部寄存器 AD7416 内部的配置寄存器（地址 01H）为 8 位读/写寄存器，如表 3.3 所示， 可用于设置操作方式，其格式为： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 7 - 配置寄存器各部分的功能如下： 1. D7D5 始终设置为 000； 2. D4 和 D3 用于设置故障排队长度， 以防止测温系统在受到干扰时错误地触 发过温指示器（OTI） ，故障排队长度可分别设置为 1、2、4 和 6 次； 3. D2 用于设置 OTI 的输出极性。0 表示低电平输出，1 表示高电平输出； 4. D1 用于设置 OTI 的工作方式。0 表示采用比较方式工作，即当环境温度 超过 TOTI 时触发 OUT 输出，其输出电平一直保持到环境温度降至 THYST；1 表示采用中断方式工作，即当环境温度超过 TOTI 的触发 OTI 输出，其输出电平将一直保持到下一次读操作，而在这期间，即使环境温 度降到 THYST，输出电平也不翻转； 5. D0 用于设置工作方式。0 表示采用自动测温方式，1 表示采用低功耗方式。 6. THYST 温度点寄存器（地址 02H）和 TOTI 温度点寄存器（地址 03H）均 是 16 位读/写寄存器，分别用于设置低端和高端温度点的门限值，所设数 值以二进制补码的形式存入高 9 位，其余位置 0。 7. HYST 温度点寄存器（地址 02H）和 TOTI 温度点寄存器（地址 03H）均是 16 位读/写寄存器，分别用于设置低端和高端温度点的门限值，所设数值以 二进制补码的形式存入高 9 位，其余位置 0。 表 3.3 AD7416 内部配置寄存器格式 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 通道选择 故障排队 OTI 输出极性 比较/中断 工作方式 10位模数转换器 设 置 比 较 器 带隙温度传感 器 配置寄存器 温度下限寄存器 温度值寄存器 地址 指针 寄存 器 温度上先限寄存器 故障 计数 器 串行总线接口 A0 A1 A2 SCL SDA GND OTI 图 3.2 AD7416 内部功能结构 4、 AD7416 工作时序工作时序 AD7416 采用 I2C 串行总线和数据传输协议来实现同外设的数据传输。在数据 传输过程中 AD7416 作为从器件通过数据输入/输出线 SDA 以及时钟信号线 SCL 与 总线相连。其传输时序如图 3。3 所示。当 SCL 保持高电平时，SDA 从高电平到低 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 8 - 电平的跳变为数据传输的开始信号，随后传送 AD7416 的地址信息的读/写控制位。 其地址信息的格式为：100A2A1A0R/W。 根据 A2A1A0 的不同编码，最多可允许 8 片 AD7416 挂接同一个串行总线上。 读/写控制位为 1 时，表示对 AD7416 进行读操作，为 0 时，则表示进行写操作。当 每个字节传送结束时，必须在收到接收数据一方的确认信号（ACK）后方可开始下 一步的操作。 然后在地址信息和读/写控制位之后传送片内寄存器地址和数据。 最后， 在 SCL 保持高电平的情况下，当 SDA 从低电平跳变到高电平时将终止数据的传输 操作。 图 3. 3 AD7416 工作时序图 5、温度采集模块与温度采集模块与 51 单片机的连接单片机的连接 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD RST EA VCC ALE PSEN P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8 X2 X1 GND GND VCC GND 10K SDA SCL OTI GND VCC A0 A1 A2 AD7416 1 2 3 4 8 7 6 5 vcc EN SCL SDL VCC VCC VCC 10K 10K A1 A2 A3 GND AT24C01 图 3.4 AD7416 与 89S51 的引脚连接 如图3.4所示,为AD7416数字温度传感器外围电路的连接图,AT24C01用来存储 温度门限设定值以保证掉电数据不丢失。这是温度采集模块的完整电路。51 单片机 的管脚如图 3.5 所示。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 9 - 在实际电路中，为防止环境干扰，AD7416 的电源同地线之间要并接容值大于 0.1 F 的钽电容；AD7416 的感温器件在芯片内部，因此芯片表面要被测物体紧密 接触；由于芯片自耗电的存在，AD7416 工作时的自身温升约为 0.2，所以在精确测 温时应采取低功耗的工作方式；OTI 输出端的上拉电阻的阻值越大，流入 AD7416 的 电流越小，其温升也越小，但上拉电阻最大不超过 30k ，通常选 10k ；与 I2C 兼容的接口总线在 AD7416 上电后就一直有效，因此在芯片处于休眠状态下仍可进 行片内数据的读出和写入。 在实际电路系统运行中，由于 AT24C01 采用是 I2C 总线结构，而 89S51 芯片不 具备 I2C 总线接口。这时可以采用普通 I/O 口模拟 I2C 总线的工作方式来实现 I2C 总线上主控制器对从器件的读写操作。软件编写只要符合 I2C 总线数据传输的时序 要求即可。对于 I2C 总线器件而言都可以采用通用软件包的形式来实现，只要在应 用中注意芯片的器件地址和引脚地址。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 10 - 3.1.2 显示功能模块显示功能模块 1、基本结构基本结构 发光二极管 LED 显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备，它由若干 个发光二极管组成。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相 应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的 字符数量也有限，但控制简单，使用方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳 极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。 单片机中经常使用7 段LED 来显示数字，也就是用7 个LED 构成字型“8”，并 另外用一个圆点LED 来显示小数点，也就是说一共有8 个LED，构成了“8。”的字 型。如图3.2.1所示。7 段LED 分共阴级和共阳极两种。实际中，各个型号的7 段 LED 的管脚配置可能不会是一样的，在实际应用中要先测试一下各个管脚的配置， 再进行电路原理图的设计。 b s2 s3 f a s4 s1 g c dp d e 6 5 4 3 2 1 7 8 9 10 11 12 图 3.5 7 段 LED 发光二极管 共阳极 7 段 LED 是指发光二极管的阳极连接在一起为公共端的 7 段 LED， 而共阴极 7 段 LED 是指发光二极管的阴极连接在一起为公共端的 7 段 LED。一 个 7 段 LED 由 8 个发光二极管组成，其中 7 个发光二极管构成字型“8”的各个笔 划（ag） ，另一个发光二极管为小数点（dp） 。当在某一段发光二极管上施加一定 的正向电压时，该段 LED 即被点亮；不加电压则为暗。以共阳极 7 段 LED 为例， 若是要显示“5.”，则需要在 VCC 上加上电压，向 dp、g、f、e、a 送出 00010010 的信号，就能显示出来。为了保护各段 LED 不因电流过大而损坏，需在各个段上 外加限流电阻保护。 共阳极 7 段 LED 显示 0F 的编码表如表 3.4 所示 （以 dp 为 最高位，a 为最低位） 。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 11 - 2、显示器工作原理显示器工作原理 显示器有静态和动态两种方式。 1、静态显示器 所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导 通或截止。例如，七段显示器的 a、b、c、d、e、f 段导通，g、dp 段截止，则显示 0。这种显示方法的每一位都需要有一个 8 位输出口控制。作为 MCS51 串行口方 式 0 输出的应用，我们可以在串行口上扩展多片串行输入并行输出的移位寄存器 74LS164 作为静态显示器接口。 静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的 亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU 才执行一次显 示更新子程序，这样大大节省了 CPU 的时间，提高了 CPU 的工作效率；缺点是位 数较多时，所需的 I/O 口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式 动态显示方式。 2、动态显示器 所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描） ，对于显示器的每 一位而言， 每隔一段时间点亮一次。 虽然在同一时刻只有一位显示器在工作 （点亮） ， 但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，看到的却是多个字符 “同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的 比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数 不大于 8 位， 则控制显示器公共极电位只需一个 8 位 I/O 口 （称为扫描口或字位口） ， 控制各位 LED 显示器所显示的字形也需要一个 8 位口（称为数据口或字形口） 。 动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低。但在控制系统运行过程中，要 保证显示器正常显示，CPU 必需每隔一段时间执行一次显示子程序，占用 CPU 大 量时间，降低了 CPU 的工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。 LED 数码管的 ga 七个发光二极管因加正电压而发亮， 因加零电压而不以发亮， 不同亮暗的组合就能形成不同的字形，这种组合称之为字形码，下面给出共阴极的 字形码见表 3.4。 表 3.4 共阴极 LED 数码管字形码 “0” 3FH “8” 7FH “1” 06H “9” 6FH “2” 5BH “A” 77H “3” 4FH “b” 7CH “4” 66H “C” 39H “5” 6DH “d” 5EH “6” 7DH “E” 79H “7” 07H “F” 71H 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 12 - 3 3 、LEDLED 数码管显示电路数码管显示电路 温度值显示电路如图 3.7 所示，具体连接方式如下:把“单片机系统”区域中 的P0.0/AD0P0.7/AD7用8芯排线连接到“动态数码显示”区域中的ah端口上； 把“单片机系统”区域中的 P2.0/A8P2.7/A15 用 8 芯排线连接到“动态数码显 示”区域中的 S1S8 端口上； 把“单片机系统”区域中的 P1.7 端口用导线连接 到“独立式键盘”区域中的 SP1 端口上。 图 3.6 LED 数码管电路图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 13 - 3.1.3 键盘输入控制模块键盘输入控制模块 键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，操作员 可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。若键盘闭合键的识别是由专 用硬件实现的， 则称为编码键盘； 若用软件实现闭合键识别的， 则称为非编码键盘。 非编码键盘又分为行列式和独立式两种。本系统由于对输入数据要求单一，所以采 用独立式键盘。 一个具有 4 个按键的独立式键盘，每一个按键的一端都接地，另一端接单片机 的 I/O 口。独立式键盘每一按键都需要一根 I/O 线，占用单片机的硬件资源较多。 因此独立式键盘只适合按键较少的场合。 一般情况下，键盘采用机械弹性开关来反映一个电压信号的开断。由于机械触 点的弹性作用，在闭合和断开的瞬间会有抖动产生。抖动时间扥长短由按键的机械 特性决定，一般在 510ms 之间。为确保按键不产生误动作，在编写按键处理程序 中必须有防抖动措施。防抖动措施有硬件和软件两种方法。硬件防抖动措施的典型 做法是采用 RS 触发器，构成双稳态消抖电路，一般用在对按键操作过程比较严格 的场合。采用硬件防抖将导致系统硬件电路设计进一步复杂化，故本系统采用软件 防抖，它的工作原理是：当软件检测到第一次按键按下时，执行一个 1020ms 的 软件延时程序，之后再检测该键电平是否仍维持在闭合状态，若仍然保持，则确认 此键是真正按下，从而消除了抖动的影响。 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD RST EA VCC ALE PSEN P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8 X2 X1 GND GND VCC GND 10K 图 3.7 独立式键盘接口电路 如图 3.8 所示， 有四个按键与单片机相连, 按键的一边接地, 另外一边分别与单 片机的 P1.6、P1.7、P3.2、P3.5 口相连。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 14 - 3.2 电压测量电压测量模块设计模块设计 本系统同时还要求完成直流、交流电压的测量任务，本系统计划采用模数转换 器 ADC0809 3.2.1 ADC0809 简介简介 图 3.8 ADC0809 的内部逻辑结构 ADC0809 内部逻辑结构如图 4.1 所示。由上图可知，ADC0809 由一个 8 路模 拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多 路开关可选通 8 个模拟通道， 允许 8 路模拟量分时输入， 共用 A/D 转换器进行转换。 三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态 输出锁存器取走转换完的数据。IN0IN7：8 条模拟量输入通道。 ADC0809 对输 入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 05V，若信号太小，必须进行放大。输 入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加 采样保持电路。 地址输入和控制线：4 条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有 效。当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A，B，C 三条地址线的地址信号 进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和 C 为地址 输入线，用于选通 IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表 4.1 所示。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 15 - 表 3.5 ADC0809 通道选择表 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ST 为转换启动信号。当 ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始 进行 A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当 EOC 为高 电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。OE 为输出允许信号，用于 控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据； OE0， 输出数据线呈高阻状态。 D7D0 为数字量输出线。 CLK 为时钟输入信号线。 因 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 16 - 3.2.2 电压测量模块的电路图。电压测量模块的电路图。 图 3.9 电压测量模块电路图 电路连接方法具体如下：把“模数转换模块”区域中的 VREF 端子用导线连接 到“电源模块”区域中的 VCC 端子上;把“模数转换模块”区域中的 A2A1A0 端子用 导线连接到“单片机系统”区域中的 P3.4 P3.5 P3.6 端子上；把“模数转换模 块”区域中的 ST 端子用导线连接到“单片机系统”区域中的 P3.0 端子上;把“模 数转换模块”区域中的 OE 端子用导线连接到“单片机系统”区域中的 P3.1 端子 上；把“模数转换模块”区域中的 EOC 端子用导线连接到“单片机系统”区域中的 P3.2 端子上。 3.3 电流电流测量测量电路设计电路设计 系统充放电电流的实时检测选用瑞士 LEM 公司 LA28-NP 电流传感器，该传感器 是利用霍尔原理的闭环（补偿）电流传感器，原边回路和副边回路之间绝缘，可用 于测量直交流脉冲和混合型电流，供电电压15V。系统中采用 1000：5 的匝比， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 17 - 原边充放电5A 电流对应副边额定电流 Is 有效值为25mA。在应用中，感应电流 Is 串联精密电阻 Rm，取得电压量 V1，电阻 Rm 的取值取决于 AD 转换器对于 V2 的要 求。 电流传感器输出电流为双向，即25mA 的电流信号,在实际工况中，放电时输 出最大+25mA 电流，而充电时，输出为-25mA 电流，由此而取得的电压信号 V1 相对 于地电平也为相应的正负电压。STM32F103 控制器 ADC 输入范围为：Vref-Vin Vref+， 应用中 Vref-接模拟地， Vref+接 2.5V 电压基准， 故 ADC 输入范围： 02.5V。 目前存在的问题是：STM32F103 控制器采用单 3.3V 工作，模拟量输入无法处理方向 电压。在传统的方式下，如果电阻 Rm 基准电平端接入地，当充电工况下，感应电 流 V1 为负电压，控制器无能为力。针对这个问题，本文设计了如图 3-10 所示的累 加升压、跟随方向信号预处理电路，解决了双向电流的 AD 采样问题。 图 3.10 电流测量模块电路图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 18 - 3.4 报警电路设计报警电路设计 当检测温度超出预先设定的温度限值时，本系统采用扬声器报警。 生活中我们常常到各种各样的报警声，例如“嘀、嘀、”就是常见的一种声 音报警声，但对于这种报警声，嘀 0.2 秒钟，然后断 0.2 秒钟，如此循环下去，假 设嘀声的频率为 1KHz，则报警声时序图如图 5.1 所示。 图 5.1 报警声时序图 上述波形信号如何用单片机来产生呢？ 由于要产生上面的信号，我们把上面的信号分成两部分，一部分为 1KHZ 方波， 占用时间为 0.2 秒；另一部分为电平，也是占用 0.2 秒；因此，我们利用单片机的 定时/计数器 T0 作为定时，可以定时 0.2 秒；同时，也要用单片机产生 1KHZ 的方 波，对于 1KHZ 的方波信号周期为 1ms，高电平占用 0.5ms，低电平占用 0.5ms，因 此也采用定时器 T0 来完成 0.5ms 的定时；最后，可以选定定时/计数器 T0 的定时 时间为 0.5ms，而要定时 0.2 秒则是 0.5ms 的 400 倍，也就是说以 0.5ms 定时 400 次就达到 0.2 秒的定时时间了。 如图 3.11 把“单片机系统”区域中的 P1.0 端口用导线连接到“音频放大模 块”区域中的 SPK IN 端口上， 在“音频放大模块”区域中的 SPK OUT 端口上接上 一个 8 欧或者是 16 欧的喇叭。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 19 - 3.11 报警电路硬件电路图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 20 - 第第四四章章 智能蓄电池传感器外形智能蓄电池传感器外形 PRO/E 建模建模 4 4.1 PRO/E.1 PRO/E 软件简介软件简介 Pro/ENGINEER 是由美国 PTC 公司推出的一套三维 CAD/CAM 参数化软件系统， 它 涵盖了产品从概念设计、工艺造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿 真、工程图纸的输出、生产加工产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布 线、模具设计和分析等实用模块。广泛应用于航空航天、汽车、机械、数控加工、 电子等诸多行业。 Pro/E 是当前三维设计软件中应用比较广泛的软件之一，也是参数化设计的首 选。Pro/E 第一个提出参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相 关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必 安装所有模块，一般可有草图绘制、零件制作、装配设计、加工处理、结构分析与 运动仿真等。 在 CAE 模块中可以对零部件进行有限元分析和优化，在机构运动模块中，可以 对零部件模型进行机构运动仿真，并获得距离、速度等输出曲线。为机构的最优化 设计与零件的失效分析提供更简便的操作。 我们这次使用 Pro/E Wildfire 软件来创建三维实体模型，在软件的使用过程 中需要注意的有： （1）每次打开 Pro/E 软件后，首先要在“文件”中进行工作目录的修改，设 置零件的保存路径； （2）在创建零件时，模板选用 mmns_part_solid； （3）在创建组件时，模板选用 mmns_asm_design。 4 4. .2 2 传感器三维建模步骤传感器三维建模步骤 1、打开 PRO/E 软件，选择新建一个文件的类型。选择文件/新建命令 或 单击工具栏上的新建按钮即可新建一个文件。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 21 - 2、选择视图基准面前视/上视/右视/，要想建立一个草图必须选择一 个基准面。此时我们选择上视图来为第一个基准面来建模。 3、在此基准面上画出草图。 4、建好草图后，要完全定义草图，要有基准，否则草图不完全定义，尺寸会 随时变化。 5、然后我们选取特征，拉伸，旋转等特征，在此我们选择拉伸特征 6、进一步完善特征，例如：倒圆角，倒角，螺纹孔，加强筋等特征。 7、看看文件中的草图是否有不完全定义或过定义等不符合要求的问题，然后 进行更新保存文件即可。 8、按照以上步骤完成所有的零件图，最后装配，得到如图 4-1 所示 4-1 传感器装配图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 - 22 - 4 4. .3 3 本章小结本章小结 本章主要介绍了一下，用 Pro/E 软件来创建智能蓄电池的三维实体建模过程 运用 Pro/E 软件来创建三维实体模型，非常方便，模块化的运用使工作变得更 加方便