蓄电池剩余电量测试仪设计.doc

长江大学工程技术学院 毕业论文(设计) 题目名称： 蓄电池剩余电量测试仪设计 题目类型： 毕业设计 学生姓名： 陈洲 院 (系)： 工程技术学院 专业班级： 测控701班 指导教师： 武洪涛 辅导教师： 武洪涛 时 间： 2011.3.15 至 2011.6.1 目录摘 要 3ABSTRACT 4第一章 绪论 51.1 研究的背景以及意义 51.2 国内外研究现状 51.3 蓄电池的放电特性 81.4 影响放电特性的因素 91.5 电池管理系统 111.6本文的主要工作以及结构安排 11第二章 剩余电量预测方法简介 122.1 密度法 122.2 开路电压法 122.3 放电法 122.4 内阻法 122.4.1 蓄电池等效模型 132.4.2内阻测量法 142.4.3 剩余电量的测量原理 142.5 锂电池 142.5.1 锂电池功能原理 142.5.2锂电池分类 152.5.3锂电池结构 152.5.4锂电池充放电特性 16第三章 硬件设计 163.1 MCU模块173.2 检测模块 243.3硬件接口 25第四章 软件开发 254.1电动汽车电池剩余电量检测软件设计与实现 254.1.1软件整体设计思想 254.2 主程序功能 264.3软件开发环境 27总 结 32致 谢 33参考文献 34附 录 1 37附 录 2 41电动汽车剩余电量检测软件设计摘 要估算电池剩余电量不但可为电动汽车的可持续行驶历程提供精确的判断，还是管理电池科学充电和放电的基本条件，对提高电能利用效率和提高电池寿命均具有重要的意义。本课题通过对剩余电量检测系统的功能分析，提出了其基本的硬件结构框图以及软件系统设计方案。方案中针对蓄电池的各种特点，剩余电量估算精度要求高的特点，采用了基于单片机的分组管理的理念和方法。并以内阻法为主体，辅助考虑电压等多种环境参量的影响作用，以目前最常用的锂电池为对象，设计了可实现剩余电量检测计算的软件程序，完成了程序的仿真和调试。关键字 剩余电量；锂电池；检测；ABSTRACTEstimating residual battery electric power not only can provide accurate judgment of scientific management for the electric vehicle which can drive sustainable course, but also can be the the basic conditions of battery scientifically charging and discharging for running battery, which can improve the using efficiency of and battery life . This topic put forward the basic structure of hardware and design scheme of software system through the function analysis of vehicle residual electric power detection system. The scheme adopts idea and method based on single chips group management aiming at high working voltage of electric automobile work,high working electricity and high accuracy demand for estimating residual electric power. At the same time,the scheme designs software program of calculation and detection of remaining residual electric power and completes simulation and test of the software program,which relys on the subject of the basic method of time-ampere , auxiliary considering environmental parameters effect of voltage, temperature and so on, and the object of the usual lithium battery. Keyword dump energy；storage battery；detect；第一章 绪论1.1 研究的背景以及意义 随着生产力和科学技术的发展，蓄电池作为一种性能可靠的化学电源，其应用价值与日俱增，日益广泛地运用在航空航天、交通运输、电力、通信、军事工业等部门的设备中，已经成为这些设备中最重要的关键系统部件之一。蓄电池剩余电量是用户非常关心的一个问题，因为蓄电池电量的多少直接影响整个供电系统的可靠性。而供电系统的可靠性将决定整个系统能否正常运行。因此及时准确的检测蓄电池剩余电量变得非常重要，而检测方法的研究则很有实际意义。蓄电池是一个复杂的电化学系统，它在不同负载条件或不同环境温度下运行时，实际可供释放的剩余电量不同；而且随着蓄电池使用时间增加，其电量也将下降。通常用来检测蓄电池电量的方法有多种，比如根据蓄电池的电解液密度来估算剩余电量的密度法，该方法精度较低而且有很大局限性：不适合密封的蓄电池；随着蓄电池使用时间的增加，电极的损坏，更加难以准确推算出剩余电量。同时，这种方法也难以适应目前广泛应用的VRLA蓄电池的在线检测。近些年常用的几种蓄电池剩余容量检测方法之中，对在线使用的蓄电池来说，基于单片机的电池电量检测方法对系统产生的影响较小，并且测量精度较高，即使蓄电池电极损坏也能较为准确的检测其电量。随着蓄电池使用时间的增加，其实际可释放的电量也将下降。过去，常依据蓄电池的端电压来判断蓄电池的好坏和其剩余电量的多少，但该方法有很大的局限性。随着电池老化，其端电压变化不明显。因此，利用端电压的变化来推算其剩余电量有一定困难，误差较大。前已指出，蓄电池剩余电量跟整个供电系统的可靠性成正比，所以对于一些重要的用电领域，比如通信和电力系统，如果能实时在线监测蓄电池的剩余电量，同时既不消耗蓄电池的能量，又不影响用电设备的正常工作，将有重要的实际意义。1.2 国内外研究现状上世纪50年代中末期橡胶隔板取代木质隔板而引起的铅酸蓄电池隔板和负极添加剂的改革； 上世纪70年代初期塑料槽、内连接而引发的铅酸蓄电池结构的改革；上世纪80年代中末期的“行业大引进”而引发的铅酸蓄电池制造装备、制造技术的改革(自动铸板机,自动和膏机,智能固化室,自动装配线及免维护电池技术,拉网技术等； 上世纪90年代初期阀控密封式铅酸蓄电池的诞生而引发的蓄电池结构的改革(阀控密封式,胶体); 上世纪90年代末由浙江长兴地区电动自行车蓄电池而引发的深循环动力型铅酸蓄电池制造技术的革新等五个重要时期的发展中国的铅酸蓄电池产业经过技术发展的五个重要历程以及持续的技术引进、消化、吸收和受欧美、日韩等先进工业国家在中国的投资建厂的影响。目前中国的铅酸蓄电池产品技术水平已普遍接近国际先进工业国家:美国、日本、德国、意大利、英国、澳大利亚等国的产品水平；其中中国自主创新型产品电动自行车蓄电池为代表的深循环动力电池制造技术在某些方面已超越欧美、日韩等先进工业国家技术，处于国际领先水平。目前中国已成为世界铅酸蓄电池的生产基地铅酸蓄电池是一类安全性高，电性能稳定，制造成本低，应用领域广泛，可低成本再生利用的“资源循环型”能源产品。其生产属深加工、劳动密集型方式。随着人类对太阳能、风能、地热能、潮汐能等自然能的开发利用和电动汽车产业的发展,铅酸蓄电池作为不消耗地球资源的“绿色”产业，将面临着广阔地发展空间。当今世界，人类与地球和谐相处，产品与资源相依并存已是全球之共识，人类之追求。 随着世界经济的复苏及人类对太阳能、风能、地热能、潮夕能等自然能的开发利用和电动汽车产业的发展，铅酸蓄电池作为一种安全性高，电压带宽、价格低廉及高资源再生率的最佳能源产品将迎来广阔地发展空间。届时，所有城镇、乡村太阳路灯；高速公路用灯；场所、家庭用电系统；电动汽车等都是由铅酸蓄电池组或铅酸蓄电池堆提供能量。 在21世纪的世界经济和社会发展的进程中,铅酸蓄电池将充分体现出强大的生命力。1) 采用首次不充电放电的方法可以较早激活电池，使其容量较早地发挥出来；2)配组前电池的充电应用过量（相对于额定容量）法充电，只有这样电池的容量才可以较早地得到提升。因为此时的充电起到电池极板的“续化成”作用。另外，采用恒流分阶段充电的方法也较为合理，可以适当多设置几个阶段，逐渐降低充电电流以使其更趋于合理。每次充入电量为额定容量的1.5倍较为理想。如果采用脉冲充电机充电，效果更理想。此时应注意正确计算充入电量。此法可以节省充电时间一半以上，省电、省时。关于脉冲充电另文议。笔者观点，仅供参考。在这两种情况下，电子固体导体（正极上是半导体二氧化铅；负极板为金属铅）与硫酸反应生成不导电的硫酸铅固态产物。两个放电反应都伴随着固相的体积增加，对PbO2 到PbSO4转化的体积增加92%，而Pb到PbSO4的体积增加是164%。 最大限度地提高电池性能所遇到的关键技术挑战，包括促进反应物供给、接应物及相互作用的连续性。原则上，这要求提供足够的酸、具有高表面积的固相反应物、活性物质颗粒之间保持良好接触（特别是在充放电期间倾向于膨胀的正极板上）、并减少PbSO4绝缘的影响。在每一次放电之后，上述的一系列优化条件都必须通过充电反应得到恢复，充电反应是式（1-1）和式（1-2）反应的逆过程。在理想状态下，在电池循环过程中（或浮充期间），放电容量是恒定的。然而甚至对最先进的商业电池设计，实际活性物质利用率，在放电率5h或低于5h时，通常明显低于50%。随着循环（或寿命）进行，一些过程会退化（“失败机理”），这进一步限制了电池的性能。传统电池寿命通常受到如下原因之一或更多原因的影响。原因一：正极板膨胀。正极的膨胀一是发生在极板的平面上（如果板栅是由于生长的腐蚀层而伸长）;另一种是发生在极板的垂直方向上膨胀（通过活性物质的自身膨胀）。重复的充放电会引起正极活性物质的膨胀。这是因为放电反应的固相产物（PbSO4） 蓄电池中发生的基本过程与活性物质的改变和物质的传输有关。其结果是，老化是蓄电池固有的性质，这是与电子模块的基本差异，电子模块只能置换电荷，而物理结构保持不变。因此，蓄电池的使用寿命必定是有限的，而蓄电池的概率寿命成为重要的问题。但是概率寿命不仅取决于蓄电池的设计，而且主要取决于“活性物质的利用程度”；或者换句话说，概率寿命主要取决于使用条件。图是一个实例，说明了蓄电池的使用条件对使用寿命的巨大影响图是一组小型蓄电池，设计有5年时间的浮充电寿命。曲线表明了蓄电池进行放电时，特别是进行深放电时，其使用寿命缩短了多少。蓄电池的使用范围不同，其使用寿命的判断参数也不同。蓄电池的使用通常是长时间充电和不同程度的深放电的组合。对于大多数固定型和动力电源，可接受的定义是：使用寿命的终止是以蓄电池的实际容量下降到其额定容量的80%为标志。这个定义包括了蓄电池要有过大容量的必要性，当要求蓄电池在整个使用期间保持其全部容量，其初始容量要到达计算容量的125%。铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。1.3 蓄电池的放电特性放电时端电压的变化规律将一只完全充足电的蓄电池以20 h 放电率的电流进行放电, 且不断调节可变电阻, 使放电电流保持恒定, 每隔一定时间测量一次单格的端电压和电解液密度, 绘出如图1 所示的放电特性曲线。图1 放电特性曲线由图1 可见, 电解液密度是随着放电时间的延长按直线规律下降的, 这是因为在恒流放电过程中, 单位时间内消耗的硫酸和生成水的数量是一定的缘故。端电压的变化规律则不是均衡的, 放电开始时端电压下降较快, 而中间较平缓, 接近放电终了时, 又迅速下降, 当端电压降到1.75 V 时(若继续放电, 端电压将急剧下降到0) , 若切断放电电流, 端电压又会上升到一定值。蓄电池的整个放电过程可分为以下4 个阶段。A开始放电阶段开始放电时, 化学反应在极板孔内进行, 首先消耗的是极板孔内的硫酸, 而该范围内硫酸很有限, 此时外围硫酸来不及向内补充, 所以极板孔内电解液密度迅速下降(电动势迅速下降) , 端电压迅速下降。B相对稳定阶段随着极板孔隙内电解液密度的不断下降,孔隙内外电解液的密度差不断增大, 在密度差的作用下, 硫酸向孔隙内的扩散速度也随之加快, 从而使放电电压和放电电流得以维持。当孔隙外补充的硫酸和孔隙内部消耗的硫酸基本相等时, 极板孔隙内外的密度差将基本保持一定。这时孔隙内电解液密度将随着孔隙外电解液密度一起下降, 端电压也按近似直线规律缓慢下降。C迅速下降阶段由于下面3 个方面的原因,导致了端电压迅速下降。它们是: 当放电接近终了时, 孔隙外电解液密度已大大下降, 孔隙外硫酸向孔隙内补充的速度减慢, 离子的扩散速度下降;随着放电时间的延长, 极板表面硫酸铅的数量增多, 使孔隙变小, 将极板活性物质与电解液隔开来; 硫酸铅本身的导电性能差。放电时间越长,硫酸铅越多, 内阻越大。通常把端电压急剧下降的临界点(端电压约为1.7 V) 称为放电终了。如图1 虚线所示, 若此时仍继续放电, 端电压会很快下降到0 , 所以必须停止放电。D电压回升阶段停止放电后, 由于放电电流为0 , 故内阻上的压降为0 ; 且因有足够时间让硫酸渗入到极板孔隙内, 使电解液混合均匀, 所以端电压回升到由此时电解液密度相对应的电动势数值。蓄电池放电终了, 停止放电后, 端电压回升是一种表面现象, 在没有充电前, 若重新接通电路继续放电, 电压急剧下降到0 的现象又会出现。1.4 影响放电特性的因素对蓄电池放电特性影响最大的有2 个因素: 放电电流和放电时的蓄电池温度。A当蓄电池用不同数值的电流放电时, 其端电压下降的情况也不同。图2 给出了同一蓄电池在不同放电电流情况下放电特性曲线。由图2 可见, 放电电流越大, 在放电的全过程中端电压下降得越低, 并且下降的速度越快, 这是因为放电电流很大时, 反应区内硫酸的消耗也很大, 但补充的速度却很小, 因此极板孔隙内电解液密度必定下降得更低和更快。而且放电电流大时, 在内阻上的压降也大, 故端电压下降快, 提前出现放电终了现象, 所以蓄电池放电电流越大, 放电的持续时间越短。图2 不同放电电流情况下的放电特性曲线B 蓄电池以恒定的电流放电时, 如果蓄电池的温度不同, 则端电压下降的情况也不同。温度低时的端电压始终比温度高时的端电压要小些, 这是因为当温度低时, 电解液的粘度大, 离子运动的速度减慢, 内阻增大, 化学反应速度慢, 极板孔隙内的硫酸不能得到及时的补充, 所以端电压下降得快,如图3 所示。图3 放电温度对放电特性的影响通过上述分析可知: 大电流放电对蓄电池是很不利的。因此, 在起动发动机时, 必须严格控制起动时间, 每次使用起动机的时间不得超过5 s ,再次使用应间隔15 s 以上等; 温度对蓄电池的端电压的影响, 实际上就是对蓄电池容量的影响, 所以在我国北方冬季和高寒地区使用汽车时有一定困难, 特别是在汽车起动时, 由于是低温大电流放电, 使蓄电池的端电压下降得很快, 甚至造成起困难, 而且低温大电流放电还会使极板弯曲, 损坏蓄电池。为此, 必须做好蓄电池的保温工作; 当蓄电池达到放电终了时, 必须停止放电。若继续放电, 即为过度放电, 这对蓄电池极为有害。过度放电会使极板表面硫酸铅层变厚, 充电时不易还原,从而造成极板损坏, 蓄电池使用寿命缩短, 所以必须注意不能过度放电。放电终了的特征可以用2 个参数来判断: 单格电压降至放电终止电压。放电电流大小不同, 终止电压也不一样。用20 h 放电率的电流放电时终止电压为1175 V ; 而用10 h 放电率的电流放电时,终止电压则为117 V ; 电解液密度降低到最小许可值。充足电的蓄电池放电终了时, 电解液密度降低约0.16。1.5 电池管理系统电池管理系统(Battery Management System，BMS)是由微电脑技术，检测技术等构成的装置，是对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的剩余电量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最佳状态，达到延长其使用寿命，降低运行成本的目的，进一步提高电池组的可靠性。一般而言电汽车电池管理系统要实现以下几个功能：(1)准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge，即SOC)，即电池剩余电量8，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报蓄电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。(2)动态监测动力电池组的工作状态：在电池充放电过程中，实时采集蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性，使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外，还要建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。1.6本文的主要工作以及结构安排本文主要学习和研究了蓄电池剩余电量测试的方法。并将多种测试方法进行比较，选择其中最好的方法进行研究。通过研究实现蓄电池剩余电量的测试。得出较为精确的结果。本文主要分为五章，章节安排如下：第1章为绪论部分。主要介绍了开题的背景和研究意义，以及蓄电池的国内外研究现状，蓄电池的基本特性。第2章对蓄电池电量测试方法做了简要介绍。本章主要介绍了蓄电池测试方法的分类，特点，现阶段发现的问题，以及在实际应用中会出现的障碍。并从中选择出较为合适的测试方法进行分析。第3章介绍了硬件模块设计。根据内阻法选择适合的元器件，并对各种元器件进行了比较。然后根据各元件在PRO-E上实现仿真。第4章介绍了软件模块的设计。根据测试仪所要实现的功能设计了3个模块，分别是主程序，A/D中断处理，定时中断处理。总结致谢参考文献附录第二章 剩余电量预测方法简介预测蓄电池剩余电量的方案较多，但最有代表性的有如下几种。2.1 密度法蓄电池剩余电量和其内部电解液密度密切相关。其电解液密度由硫酸铅、氧化铅和铅三者决定。通过测量电解液的密度值，可间接推算其剩余电量。但在电池使用后期，随着正负极板的腐蚀、断筋，上述三种物质的比例跟电池制造时的配制比例发生较大差异，从而导致用密度值推算剩余电量不再准确。另外，密度法不适合目前正在大量使用的密封式蓄电池。2.2 开路电压法上面已提到，蓄电池的荷电程度跟蓄电池电解液密度密切相关，而WNernst方程描述了电解液与电池电动势的关系。所以通过测量蓄电池的开路电压，也可以推算确定蓄电池的剩余电量。其缺点在于随着电池老化、剩余电量下降时，开路电压变化不明显，因此也就无法准确预测剩余电量。另外开路电压是电池无载时的稳态电压，因此只能在电池静置时方可测量，不适合实时在线测量。2.3 放电法通过对蓄电池施加一负载，计算单位时问内的电池端电压变化率，根据变化率的大小推算剩余电量。变化量小意味着剩余电量大，否则反之。为了缩短测量时间，需要对蓄电池大电流放电，面大电流放电对蓄电池将会产生严重损伤，影响电池的使用寿命。另外，此方法也不适合在线测量。2.4 内阻法研究表明，电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性(088左右)，通过测量电池内阻可较准确地预测其剩余电量。蓄电池完全充电(充满)和完全放电(放完)时，其内阻相差2 倍左右。随着电池充电过程的进行，内阻逐步减小；随着放电过程的进行，内阻逐步增大。另外，随着电池老化，其内阻也逐渐增大，其剩余电量也随之下降。由于蓄电池完全充电和完全放电时内阻变化率比电池端电压变化率(端电压变化率为30-40)要大得多，故用测量蓄电池内阻R来预测其剩余电量，要比开路电压法精确得多。蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线如图1所示。图1 蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线内阻法的优点在于对在线使用的蓄电池来说，此方法对系统影响最小，并可在电池的整个使用期内精确测量。通过以上几种测量方法的介绍及比较，不难得出内阻法最适合密封蓄电池剩余电量的在线测量。下面将详细介绍其测量原理及实施方案。2.4.1 蓄电池等效模型蓄电池等效模型蓄电池交流等效阻抗z模型如图2所示。图2 蓄电池交流等效阻抗模型图中R1、R2-一正、负电极的极化电阻；C1、C2一正、负电极的极化电容；L- 引线电感；R-电池欧姆电阻。蓄电池欧姆电阻Rn表征了电池的荷电程度。但为了简化测量通常从等效阻抗z中仅分离纯电阻R (R由Rn、R1、R2构成)，R和Rn之间呈线形关系,gt可用R间接地表征电池荷电程度。2.4.2内阻测量法内阻测量电路如图3所示R内VR外图3 内阻测量电路当开关断开时，电压表测量的是蓄电池的实际电压V.当开关断开时，电压表测量的是外接负载的电压V.由于当负载阻值与蓄电池内阻阻值相同时，电池输出功率最大。则根据此情况，选择一适当负载R外，则根据数据可得：R=V-KV/R2.4.3 剩余电量的测量原理首先将蓄电池充满电(以锂电池为例，锂电池每节电池的正常电压为3.6v，最大终止电压为4.2v，最小终止电压为2.5v)，然后以01C放电率对电池放电，记录放电过程中内阻与电量的大小。当蓄电池放电完毕锂电池放电至2.5V就可获得完整的放电曲线，将此曲线存人EEROM中，在以后测试同型号、同规格的蓄电池时，单片机将根据在线测到的电池内阻值，通过查表计算，得出其剩余电量值。2.5 锂电池2.5.1 锂电池功能原理锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应： Li+MnO2=LiMnO2 （2-1）该反应为氧化还原反应，放电9。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。表2-1为各种电池性能比较，为电动汽车选择锂电池做技术依据。表2-1 各种电池性能比较虽然锂电池作为电动车电源，虽尚有许多不足，但由于其价格低廉，工艺成熟，特别是近年来密闭技术已日趋完善，所以锂电池在动力电源中仍占有一席之地。基于以上原因本设计以锂电池为研究对象，指出了影响蓄电池剩余容量的各种因素，预测剩余容量的测试方法以及通过软硬件设计达到测试剩余电量的目的，以便于更好的实现电动汽车的控制。2.5.2锂电池分类锂电池分成两大类：不可充电的和可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能。如锂二氧化锰一次电池、锂亚硫酰氯一次电池。而可充电的电池称为二次性电池(也称为蓄电池)。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的，如市面上常见的锂离子电池。 2.5.3锂电池结构1、具有更高的重量能量比、体积能量比；2、电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压； 3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性；4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电；5、寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次；6、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.51倍容量的电流充电，使充电时间缩短至12小时；7、可以随意并联使用；8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池；9、成本高。与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。2.5.4锂电池充放电特性一般称放电时电池端电压随时间的变化曲线为电池的放电特性曲线，如图2-1的曲线OEFG所示。从图中可以看出，放电曲线基本上由3部分组成：放电开始时，电池端电压沿着OE快速下降；然后端电压变成沿着EF缓慢下降；最后在曲线的G点以后，端电压急剧降低，一般认为，此时电压已经没有能量了，继续使用将会损坏电池。图2-1中OABCD曲线未充电特性曲线，可见，充电过程也可分为充电初期电压急剧上升（OA段）、缓慢上升（ABC段）、快速上升（CD段）和端电压平衡段（D点后），到D点后，可认为电池已经充满了。以上电池的这些特性都与电池剩余电量的检测息息相关，这些参数也为剩余电量的检测提供依据。图2-1 锂电池充放电特性曲线第三章 硬件设计电池剩余电量检测硬件结构模型由前面关于电池管理系统的基本功能和电池剩余电量检测的初步介绍，设计该系统的硬件结构包括MCU模块、检测模块、通信模块。其硬件电路连接图如2-2所示上位机中央处理模块中央处理器MCU数据采集模块电量计算模块电压采集电流采集本地测量模块图2-2 硬件电路连接图3.1 MCU模块MCU是系统控制的核心。本文采用AT89S51型号的单片机。下面是对AT89S51的一些基本功能介绍以及本设计要用到哪些基本功能。AT89S51提供以下标准功能：4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具有64K外部程序和数据的寻址空间。程序存储器：如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。在AT89S51,假如EA接至VCC（电源+），程序首先执行地址从0000H-FFFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址1000H-FFFFH（60KB）的外部程序存储器。数据存储器：AT89S51具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。看门狗定时器（WDT）：WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看门狗复位SFR（WDTRST）构成。外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，用户必须按顺序将01EH和0E1H写到WDTRST寄存器（SFR地址为0A6H），当启动了WDT,它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT,当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。使用看门狗（WDT）：打开WDT需按次序写01EH和0E1H到WDTRST寄存器（SFR的地址为0A6H），当WDT打开后，需在一定得时候写01EH和0E1H到WDTRST寄存器以避免WDT计数溢出。14位WDT计数器计数达到16383（3FFFH），WDT将溢出并使器件复位。WDT打开时，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，这意味着用户必须在小于每个16383机器周期内复位WDT，也即写01EH和0E1H到WDTRST寄存器，WDTRST为只写寄存器。WDT计数器既不可读也不可写，当WDT溢出时，通常将RST引脚输出高电平的复位脉冲。复位脉冲持续时间为98xTOSC，而TOSC=1/FOSC（晶体振荡频率）。为使WDT工作最优化，必须在合适的程序代码时间段周期地复位WDT防止WDT溢出。管脚说明:VCC：电源电压输入端。 GND：电源地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（T0定时器的外部计数输入） P3.5 T1（T1定时器的外部计数输入） P3.6 /WR（外部数据存储器的写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器的读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。 RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：外部程序存储器访问允许。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。 XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。AT89S51引脚图如2-3所示：图2-3 AT89C51引脚图AT89S51中没有内部AD 转化，所以需要外加的AD转化芯片，在此我们根据数据采集的具体要求选用AD1674。AD1674 是美国AD 公司推出的一种完整的12 位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器（SHA）、10 伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列的AD574A/674A 相比，AD1674 的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高低温稳定性）也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。笔者在研制某新型国产机载武器系统中采用了M级AD1674T，它可实时地采集各传感器的模拟参量，以进行快速、精确的数据转换并传给CPU 进行处理，从而有效地控制整个武器系统的打击精度。AD1674为单5V工作电源，拥有12位分辨率；符合本设计数据采集AD转化要求，8个模拟输入通道分配给8个电池组，10s转换时间，100ksps采样速率；可采用内部或外部采集控制模式； 两种电源关断模式； 内部或外部时钟。 AD1674的核心部分是一个采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一个用来切换模拟输入通道的多路复用器以及输入信号调理和过压保护电路。AD1674 的基本特点和参数如下：带有内部采样保持的完全12 位逐次逼近（SAR）型模/数转换器；采样频率为100kHz；转换时间为10s；具有1/2LSB 的积分非线性（INL）以及12 位无漏码的差分非线性（DNL）；满量程校准误差为0.125%；内有+10V 基准电源，也可使用外部基准源；四种单极或双极电压输入范围分别为5V，10V，0V10V 和0V20V；数据可并行输出，采用8/12 位可选微处理器总线接口；内部带有防静电保护装置（ESD），放电耐压值可达4000V；采用双电源供电：模拟部分为12V/15V，数字部分为+5V；使用温度范围：AD1674J/K 为070（C 级）；AD1674A/B 为-4085（I 级）；AD1674T 为-55+125（M级）。采用28 脚密封陶瓷DIP 或SOIC 封装形式。功耗低，仅为385mW。内部结构及引脚说明:AD1674 的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号输入端口和电源端口四种类型。（1）逻辑控制端口12/8：数据输出位选择输入端。当该端输入为低时，数据输出为双8 位字节；当该端输入为高时，数据输出为单12 位字节。CS：片选信号输入端；R/C：读/转换状态输入端。在完全控制模式下，输入为高时为读状态；输入为低时为转换状态；在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。CE：操作使能端；输入为高时，芯片开始进行读/转换操作。A0：位寻址/短周期转换选择输入端。在转换开始时，若A0 为低，则进行12 位数据转换；若A0为高，则进行周期更短的8 位数据转换；当R/C=1 且12/8=0 时，若A0 为低，则在高8 位（DB4DB11）。作数据输出；若A0 为高，则在DB0DB3 和DB8DB11 作数据输出，而DB4DB7 置零。STS：转换状态输出端。输出为高时表明转换正在进行；输出为低时表明转换结束。（2）并行数据输出端口DB11DB8：在12 位输出格式下，输出数据的高4 位；在8 位输出格式下，A0 为低时也可输出数据的高4 位。（3）模拟信号输入端口10VIN：10V 范围输入端，包括0V10V 单极输入或5V 双极输入；20VIN：20V 范围输入端，包括0V20V 单极输入或10V 双极输入；应当注意的是：如果已选择了其中一种作为输入范围，则另一种不得再连接合作。（4）供电电源端口REF IN：基准电压输入端，在10V 基准电源上接50 电阻后连于此端；REF OUT：+10V 基准电压输出端；BIP OFF：双极电压偏移量调整端，该端在双极输入时可通过50 电阻与REFOUT 端相连；在单极输入时接模拟地。VCC：+12V/+15V 模拟供电输入；VEE：-12V/-15V 模拟供电输入；VLOGIC：+5V 逻辑供电输入；AGND/DGND：模拟/数字接地端；AD1674引脚图如图2-4所示：图2-4 AD1674引脚图3.2 检测模块检测模块中将对电压检测、电流检测和温度检测模块分别进行介绍。（1）电压检测模块锂电池每节电池的正常电压为3.6v，最大终止电压为4.2v，最小终止电压为2.5v。那么我们可以根据这算出需要多大精度的AD转换，因为剩余电量精确度为0.01，（33.6-20.0）/0.01=1360， 为了防止显示数据的抖动，最终确定AD转化需要12精度。（2）电流采样电路电流采样时，电池管理系统中的参数是电池过流保护的重要依据。3.3硬件接口硬件连接示意图如图2-5所示：采集的数据模数转换多路选择开关测试电路DB0-DB3DB4-DB11AD1674P0.4-P0.7P0.0-P0.7 AT89S51P1P2.0-2.3P3.0-3.2选通信号显示放大电路图2-5 硬件接口图示意图AT89S51的P0口负责处理AD1674采集的电流，电压，温度信号，P3口的前4个引脚用来作为电池的选通开关P2口的前四位用来做显示的选通开关，P1口作为七段数码管的显示信号第四章 软件开发4.1电动汽车电池剩余电量检测软件设计与实现本文用AT89S51单片机作为主控制器，依靠一个完整的软件程序将系统各硬件电路功能模块联系在一起，完成数据检测、数据处理、数据通信、功能调用、数据显示等功能，所以软件部分在整个系统中占有很大的比重。本章将对软件部分加以阐述。4.1.1软件整体设计思想根据系统采用的分层结构方式，分别对显示程序和AD转换模块编写相关程序。整个应用程序采用模块化和结构化模式：（1）模块化。模块化是大部分程序编制过程经常采用的方法。把一个较长的程序分成较小的程序模块进行设计和调试，程序模块内部可能存在的问题可以及时发现和纠正。然后再把各个模块连接起来实现设计的功能。（2）结构化。结构化程序设计不仅在许多高级语言中应用，而且其基本结构同样适用于汇编语言的程序设计。这种方法可以使程序易读、易查、易调试，并提高编制程序的效率。其中一条基本原则是每个程序模块只能有一个入口、一个出口。这样一来，各个程序模块可分别设计，然后用最小的接口组合起来，控制明确地从一个程序模块转移到下一个模块，使程序的调试、修改、维护都要容易得多。基于以上的编程思想，软件编程的总体分为两大部分：AD转换模块和中央处理程序模块。AD转换模块主要包括数据采集程序、模数转换程序，数据处理程序；中央处理模块主要包括计算程序，显示程序。4.2 主程序功能主程序流程图如图4-1所示。系统上电后，主程序开始运行，首先进行系统的锂电池管理系统的研究与设计初始化，对整个测量模块功能芯片的端口和寄存器等进行初始化操作。系统初始化完成后进入主循环，主循环中首先进行状态判断，根据不同的状态做出不同的处理；然后进行电流的检测；接着进行剩余电量计算，最后送入显示设备显示，自此就完成了电池剩余电量系统整个工作流程；主循环完成上述操作后，再进入下一次循环，周而复始。电压测量是由单片机控制模拟开关，通过单片机的12位AD模块测量分组电池电压值。电流测量是在计算测试端负载，然后用电压除以负载便得到电流，为了减小误差，提高测量精度，在对每一节电池的模拟量测量时，连续测量多次，然后筛去最高值和最低值，再对剩余的测量值取平均值，获得最佳的测量结果。初始化AD转换模块剩余电量计算显