（机械电子工程专业论文）基于c8051f020的电池高速验电机控制系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论丈 手两要 电池产品在出厂之前对其质量进行检测是保证出厂产品质量的一 个重要环节。电池高速验电机是一种在线检测电池参数的动态测量分 选系统，能对普通碱性电池和碳性电池的电性能进行检测，具有检测 速度快、灵活性强、性价比高、可靠性高等特点。 论文首先对电池检测系统的应用环境、发展趋势进行了综述，概 括了设计该电池高速验电机的优势所在。随后分析了电池高速验电机 的电性能参数测量方法，并对设备的工作原理进行了阐述，在此基础 上给出了一个电池高速验电机的总体结构和控制部分实现方案。 电池高速验电机控制系统以c 8 0 5 l f 0 2 0 单片机为控制核心，通过 高精度的位置传感器及机械传动装置，对电池的开路电压、负载电压 或短路电流进行检测，检测值与设定值比较后，系统分选出合格产品 进入下段工序。该系统具有检测、分选、显示、查询等功能。 本文着重阐述了控制系统的硬件设计与软件设计。系统的硬件组 成主要包括有电池电性能数据采样电路、传感器电路、键盘操作和液 晶显示电路。文章具体介绍了电压、电流采样电路的设计。数据采样 部分是由信号经过前置级处理放大后送至c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机内部集成 的a d 转换器完成数据的实时采集。微处理器及信号处理电路对分析 采集到的数据进行处理后，通过数据输出通道控制执行机构的行为并 进行显示。论文同时还讨论了系统的抗干扰措施。系统的软件程序采 用c 5 1 语言开发设计，包括软件的总体设计以及各个子模块的开发， 主要有初始化程序、电池参数采集程序、键盘程序、显示程序等。最 后进行了检测系统调试等具体的调试实验并给出了部分检测出来的数 据结果。 关键词：电池，控制系统，c 8 0 5 1 f d 2 0 单片机，数据采集 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sv e r yi i l l p o r t a n ts t e pt ot e s tb a t t e 巧q u a l i t yb e f o r et h ef a c t q 阿 p r e p a r es a l et h e i rp r o d u c tt ot h ed e a l e r t h eb a t t e r yh i g h s p e e dt e s t i n g m a c h i n e 巧i sd y n a m i ct e s t i i 培d e v i c ew h i c hc a nt a l 【ef u n d i o no np r o d u c t l i n e i tc a nu s e dt ot e s te i t h e ra l k a l e s c e n tb a t t e 巧o rc a r b o l i cb a t t e r y t h i s d e v i c ew i t he x c e l l e n tr e l i a b i l i t y ，h i 曲p e r f o 姗a n c ep r i c er a t i oa n d a g i l i t y o nt h eb a s i so fas u m m a r i z a t i o no nt h ea p p l i c a t i o nb a c l ( 罂o u n da n d d e v e l o p m e n tt r e n do ft h eb a t t e 巧a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m ，t h ep a p e r p r o v i d e sa i la n a l y s i so nt h es t m c t u r ea n d c o n t r 0 1p r i n c i p l e so ft h eb a t t e 巧 h i 曲一s p e e dt e s t i i l gm a c h i n e r y t h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h es y s t e mi s a l s oa n a l y z e di nt h e p a p e r 1 1 1 i st e s td e v i c et a k e sc 8 0 51 fs e r i e sl l l i c r o c o m p u t e ra st h ec o r e u s i n g h i 曲一p r e c i s i o np o s i t i o ns e n s o ra n dm e c h a n i c a l l yd r i v e nd e v i c et op e 哟姗 h i g l l - p r e d s i o n ，i m e l l i g e n t i z e d a n dd i g i t 娩e dm e a s u r e m e n to ne l e c t r i c p a r a m e t e ro fb a t t e 够t l l i ss y s t e mi n c l u d e sf u n 嘶o i l s ，s u c ha st e s t ，d i s p l a y ， s t o r a g e ，q u e 巧a n ds oo n t 1 1 i sr e s e a r c hf o rt h et o p i ci st od ot h ed e s i 伊a n dd e v e l o p m e mo ft h e s y s t e ms o f t w a r ea l l dh a r d w a r e t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e mm a i l l l y c o i l s i s t so fd a t aa c q u i s i t i o nc i r c i l i t ，s e n s o rc i r c u i t k e y b o a r da n dd i s p l a y c i r 饥i t d a t aa c q u i s i t i o ni n t e m c ea n da 巾c o n v e r s i o ni nc 8 0 51 f 0 2 0 a c c o m p l i s h e st h es a m p l i n go ft h eb a t t e 巧d a t a ；c e n t r a lc o n t r o l l i l 喀u n i t m a d eb yc 8 0 51 f 0 2 0a n dr e l a t i v ec i r c u i t sd e a l sw i t hd a t a p r o c e s s i i l g ， c o o r d i n a t i n gs y s t e mo p e r a t i o n ，a n do u t p u tc o n 仰1 1 i n g ；t h e 觚t i - j a 皿i l i n g q u e s t i o no fs y s t e mh a sb e e na l s oi 1 1 v e s t 远a t e d t h es o f t w a r ep r o 伊a ma r e d e v e l o p e db yc 51 ，i n c l u d i n gm a i np r o 铲a md e s i g na n di i l i t i a l 娩ep r o 伊a m d a t at e s t i n gp r o 伊a ma n ds oo n f i n a l l y ，w et e s tt h et e s t i n gs y s t e ma n ds h o w t h er e s u l to ft e s t i n gd a t a k e yw o r d s ：b a t t e c o n t r o l l i r 培s y s t e m ，c 8 0 51 f 0 2 0 ，d a t aa c q u i s i t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位敝作者妊莎谚指剥僦飞嘶民 c ) 。6 8 年月矿日汐8 ，年0 月莎日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：盔荇 日期：j 口。扩年石月g 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1原电池工业发展现状 1 8 世纪末，伏打发明了伏打电堆，这标志着第一种真正意义上的电池产生。至 今，电池已经进入了其发展的第三个百年，这二百多年中，电池工业得到了迅猛 的发展，小到扣式电池，大到汽车电池和工业蓄电池，电池无不充斥着我们生活 中的每一个角落。中国目前是全球电池生产量最大的国家，仅2 0 0 4 年，电池总产 量就约为2 8 0 亿只，超过全球电池总产量的一半【1 1 。原电池也称一次电池，由于其 体积小、携带方便、价格低廉等优点在电池产业中占有广泛的市场，被广泛用于 工农业、国防工业和通信、照明、医疗等部门，并成为日常生活中收音机、录音 机、照相机、计算器、电子表、玩具、助听器等常用电器的电源。常见的一次电 池有锌锰电池、锂电池、锌银电池、锌汞电池等。其中锌锰电池是日常生活中最 常用的一次性电池，也是最目前生产量最多的原电池。锌锰电池可分为糊式电池、 纸板电池、碱性锌锰电池( 碱锰电池) 这三大类。糊式电池发明于1 9 1 0 年，因正 负极间的隔离层是含有电解液的浆糊而得名。经过一个世纪的发展，糊式电池也 逐渐的走向了衰减阶段，自进入2 1 世纪以来，糊式电池在锌锰电池生产中的份额 呈现明显的下降趋势。纸板电池是一种改进的锌锰电池。以涂有高分子材料的纸 张，即浆层纸，代替糊式电池中的浆糊层作为电池正、负极间的隔离层。由于浆 层纸很薄，只有0 1 0 2 衄厚，正极粉的填充量可增加2 0 以上，使电池电荷量 提高3 0 以上。同时，浆层纸的内阻小，电池的大电流放电和连续放电性能较好。 因此这种电池又称为高性能锌锰电池。碱锰电池以锌为负极，二氧化锰为正极， 氢氧化钾为电解质。碱锰电池有较高的体积比容量，约是普通锌锰电池的3 。8 倍。 其贮存期可达3 7 年，有较好的放电性能，性价比要比同型号的锌锰电池优越很 多【1 1 。碱锰电池在2 1 世纪正处于飞速发展的阶段，目i i 它是锌锰电池的发展热点。 美国及欧洲在上世纪6 0 年代开始了规模化的生产，同本也于2 0 世纪7 0 年代开始 研发。我国碱锰电池的研发始于2 0 世纪7 0 年代的中期，但是一直没有形成规模 生产的能力。1 9 9 2 年碱锰电池的产量只占干电池产量的0 7 1 f 2 翻此后通过从国 外引进先进技术以及自主开发，电池的结构、工艺、质量得到了改进和提高。到 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 4 年我国碱锰电池的产量达到了近5 0 亿只。早在1 9 9 6 年，美国、加拿大碱锰 电池市场占有率已占锌锰电池市场的8 6 ，欧洲也是碱锰电池普及率较高的地区， 日本碱锰电池发展很快，市场份额在1 0 年内增长了1 倍，到2 0 0 4 年已达到了6 1 近十年来，中国碱锰电池市场占有率也是逐年上升，2 0 0 4 年的占有率为2 4 8 【4 1 但是通过与国外发达国家高达6 0 9 0 的比例相比可知，目前做为一次电池主力军 的碱锰电池在我国的发展空间还很大。 1 2 电池检测技术发展现状及未来发展趋势 原电池( 一次电池) 与现代人的工作、学习、生活密切相关，它为我们的用电 器具提供方便耐用的直流电源，其质量的好坏影响着用电器具的性能和寿命，影响 着使用者的工作、学习和生活，现在全国有3 0 0 多个原电池生产厂，加之进口产品， 有3 0 0 多个牌子的系列产品在国内市场销售，不同厂家产品质量参差不齐，也有假 冒伪劣产品混在其中，就是同厂同批的合格产品由于存放环境、时间不同，电池的 性能变化也很大，有些变为不合格的产品、劣质品。严重影响消费者的利益，这方 面反映越来越大。 国家标准委制定的g b8 8 9 7 2 2 0 0 5 是目i j 市场上原电池产品质量检测的依据。 该标准规定了电池的外形尺寸、电性能要求、电池含汞量的要求、检验方法、抽 样和质量保证、检验规则和标志【5 】。适用于所有电化学体系已标准化的原电池。因 此各企业在电池出厂前应对自己的产品进行检测，验证产品是否符合国标的要求， 以便适时做出必要的调整。由于电池质量的好坏直接关系到电池厂家的信誉和使 用者的切身利益，为此电池生产厂家和相关研究人员一方面通过改进电池原材料、 自行设计或引进先进生产线提高产品的加工工艺等手段来加强电池的使用性能和 安全性能，另一方面则是完善检测手段，保证电池的出厂合格率。市场对电池需 求的增大也逐步加大了对高质量电池检测设备的需求。这从另一角度上来说也是 促进了电池检测技术的进步。 目前，从国内外市场上来看，研究人员对二次电池检测设备的相关研制较多， 技术也比较成熟。这主要是对镍隔电池、镍氢电池、锂离子、锂聚合物电池、太 阳能等二次电池的内阻、容量和放电特性进行检测分析。而相关原电池检测的报 道则比较少。在1 9 9 2 年以前，除了少数电池生产大厂家从国外引进了少量检测设 2 江苏大学硕士学位论文 备以外，国内多数厂家都是采用落后和粗糙的方法对出厂前产品进行检测。此后， 一些科研院所和公司开始了对电池检测设备的研究，如燕山大学、河北工业大学、 北京有色金属研究总院、中银( 宁波) 电池有限公司等【6 】。 一次电池的检测方法与镍氢、锂离子电池的恒流放电方法不同，采取的是恒电 阻放电测试法，简单来说就是把电池和一规定阻值的电阻串联进行放电，再测量 放电电压降到某一电压值时的放电时间来衡量。由于一次电池测试标准出现较早， 受当时测量技术所限很难提供m a h ( 毫安时) 和m 帆( 毫瓦时) 指标，所以仅使 用了一个放电时间来简单衡量。而目前测量技术已经大大进步，同时也为了与前 面的镍氢电池对比，一次电池的测试中均提供仳址和m 、h 指标【5 】。需要说明的 是，一次电池适合于小电流间断放电环境，如果对其进行大电流放电，电压很快 就会下降到截止电压以下，而且越大电流放电一次性放出的容量就越小。所以测 试中不同阻值放电的容量是不一样的，小阻值( 大电流) 放电无法一次放干净， 放完电的电池放置一段时间电压就会恢复f 7 1 。 目前电池生产厂家对出厂前的电池所采取的检测方法主要是检测开路电压、负 载电压和短路电流三参数。传统的检测方法有三种：第一种方法是人工检测法。 这是将模拟电压表和电流表分别连接在测量开路电压、负载电压和短路电流的电 路中，通过人工把两根表棒分别搭接到电池的正、负极，观测并读取三个参量，从而 将不合格电池检测出来。这种方法不仅检测速度慢，而且难以读取较为精确的参数 值。第二种方法是半自动检测法。这是利用一台由参考电压、比较器、放电电阻、 蜂鸣器等组成的检测仪器，通过比较器将测得的电池电压与参考电压相比较，若达 到了所要求的指标则蜂鸣器就会发出声音，从而判别电池的好坏。这种方法虽然比 手工检测法有所改进，减少了人工读取参数的误差，但仍然需要用手工将两根表棒 搭接电池的正、负极，检测速度难以提高：另外，检验工人长时间工作容易产生疲劳， 从而造成误检。第三种方法是基于工控机或p l c 的电池参数自动检测系统。这种 系统的工作原理是：将检测到的电池电压和电流的模拟量通过a d 转换器变换成 数字量，然后通过控制设备将这些数字量与设定值进行比较，以判断电池参数是否 符合要求。此类检测设备能够精确测量电池的开路电压、负载电压和短路电流， 并能通过通信电缆将数据发送到电脑，由电脑软件对测量数据进行汇总、分析， 形成正态分布图，以供分析电池批量性能和结果。此类系统能够实现对电池参数 3 江苏大学硕士学位论文 的自动测试【8 ，吼。例如中银( 宁波) 电池有限公司研制的自动电池校电机就是采用 一台内部配有数据采集卡和开关量信号的输入输出及变换卡的工业控制计算机 作为运行的平台，该设备具备较高的自动化水平，但是其价格昂贵，这无疑增加 了电池厂商的制造成本。 市场上目前存在最多的且常见的检测方法是采用专用仪器进行检测，可分为手 工、在线两种类型。仪器可同时显示被测电池的开路电压、负荷电压和短路电流 实测值或基准值。在线型检测仪是和检测机械配套，机械装置上的同步检测开关 闭合则触发仪器内部电路，开始顺序检测电池的开路电压、负荷电压和短路电流， 若被测电池合格，扬声器不发声。如不合格，则启动剔出装置，将不合格电池剔 出。而常用的控制核心有单片机和p l c 两种，两者各有千秋。使用单片机成本低， 体积小，功能强；而使用p l c 界面人机界面友好，操作简单，控制功能易实现； 两种控制方式都非常的优秀，只是后者成本较高。在验电机( 仪) 研制成品方面 在国内，有江门市中昌电源设备有限公司的三参数验电机、苏州一轩电子有限公 司的d j y 一4 型干电池三参数检验仪，在以上几个验电机的系统中，都采用单片机 作为控制核心，缺点就是每分钟只能检测1 0 0 来只，不能够很好的紧跟电池生产 的节奏，同时检测效果不太好，误差较大。国外有日本h i o k i 、美国m i c r o c e l l t r o n 、 b t e c h 、m a c c o r 等公司产品，这些设备的检测精度很高，检测系统稳定，但是价格 昂甜1 0 1 1 ，1 2 1 。 因此就目前电池检测设备的发展现状来看，市场上普遍售出的还是自动化程度 不高，检测功能还不完善的半自动化检测仪，而少数功能强大、完全自动化的检 测设备价格又太高，让顾客望而却步。由此考虑到生产的成本，迫切需要生产出 一种功能齐全、操作维护方便的电池检测设备。因此我们可以预计电池检测设备 未来几年将朝着检测精度高、检测速度快、可靠性强、易操纵以及性价比高的方 向发展。电池性能的检测是通过检测设备来实现的，因此提高检测设备的技术水 平对电池产品质量的提高以及对电池行业的发展有着举足轻重的作用。 1 3 本课题研究的内容及意义 目前国内的干电池检测设备主要为干电池检测仪，以及某些电池生产厂家自行 设计的基于p l c 技术或基于单片机技术的电池检测设备。干电池检测仪自动化程 4 江苏大学硕士学位论文 l o 一 图2 3 ( a ) 传统直接测量法2 3 ( b ) 小电阻测茸= 法 所以本系统采用一种小电阻测量法来测量电池的短路电压( 图2 2 b ) ，即在电 池测量回路中串联一个0 0 1 q 的小电阻r ，以该电阻作为取样电阻。首先测得电 池静止时的端电压即开路电压为，再测电路电池端电压k ，则由以上参数计算可 得电池内阻： ，o 2 3 ， 再由k 和可计算可得同路电流值l ： ，：鱼： 墨! 垦 ( 2 4 ) 4 r o尺但。一) 而在现实应用中，我们采用电压传感器将小电阻两端k 采集后送进单片机， 在单片机内通过程序实现l = 矗基这样一个过程。另外，在回路中我们采用增强 型n 通道m o s 管作为电子开关，来实现回路的断开，闭合【1 5 】。同时m o s 具有较 宽的线性工作区域，在适当的驱动条件下，有极高的开关速度，可以在几纳秒到 几十纳秒范围之内。它的这种极高的开关速度使得系统采样速度大大提高，在极 短的时间内获得信号后即关闭回路，使得电池的损耗降到了最小。 2 2 2 验电机检测技术要求 ( 1 ) 工作条件 额定电压 a c 2 2 0 v 江苏大学硕士学位论文 相对湿度 2 0 8 0 r h ( 2 ) 技术指标 电压测量范围0 + 2 0 0 0 v 电压分辨率 0 0 0 1 v 电压测量准确度 ( 0 3 r d + 3 d g t ) 电流测量范围0 2 0 o o a 电流分辨率 0 0 1 a 电流测量准确度 ( 0 5 r d + 5 d g t ) 检测速度3 0 0 节分钟 ( 3 ) 其它 适用电池种类l r 6 ( a a ) ( 机械部分经过适当改造，也可适用于l r 0 3 型) 2 3 电池高速验电机总体设计 电池高速检测机由机械和电气两大部分组成，其机械部分包括传送机构、检测 执行机构等，传送机构的主要功用是将待测电池从生产流水线运送至检测工位以 及将检测完毕的电池输送至下段工序位，检测执行机构的主要功用是当电池到位 后进行相应工位的参数检测，并将检测完毕的电池送至下段工序，由传送盘、检 测盘构成。电气部分则由电机、变频器、单片机控制单元等部分组成。其主要结 构如图2 4 所示。 图2 4 验电机整体装置结构图 9 耄 池 i 麓 l 树 l 曩 l 色 奠l 谨送量 蛾 2 佟瑟 3 过疆蕴 控凇 5 欢气耄毯强 囊捧按疆 7 控镌挂 江苏大学硕士学位论文 号检测盘，再由1 号检测盘带动其它盘的转动。转动方向如图2 5 所示。检测执行 机构实物图如图2 6 所示。 2 3 2 电池高速验电机电气系统 ( 1 ) 电机及变频器：电机是整个系统的动力源，而变频器通过对电流的转换 来实现电动机运转频率的自动调节。同时，还使电源电压范围在一定的频压比下 达到1 4 2 v 至2 7 0 v ，解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题。在本课 题中，通过改变变频器的频率可以达到调节电机的转速，从而能根据现场情况调 节验电机的检测速度。 ( 2 ) 单片机控制单元：该单元以单片机作为控制核心，由数据采集单元、存 储器、系统时钟、键盘模块、液晶显示模块以及电机控制模块等组成，体积小， 功能强，具有较高的可靠性。 ( 3 ) 系统供电电源：考虑到现场供电电源的干扰信号比较严重，所以对电机 和单片机控制单元的电源采用不同的隔离措施，防止电源间相互串扰，以提高系 统工作的可靠性。 2 4电池高速验电机执行机构工作过程 本电池高速验电机的检测对象是普通5 号碱性电池和碳性电池，碱性电池测试 的参数为开路电压和负载电压，碳性电池测试的参数为开路电压和短路电流。 电池经上道工序出来后依次由水平传送带和垂直传送带将其送至执行机构的 传送盘，转动的传送盘将电池送入检测盘，电池至检测工位后，电池检测触头与 电池正、负极接触，触发传感器发出一个同步信号，单片机收到信号后开始对电 池奇工位( 即一、三工位) 电池的开路电压、负载电压或短路电流进行检测，并 对所测的参数进行记录和统计。检测完毕后再对偶工位( 即二、四工位) 电池的 相关参数进行检测。同一电池依次在两个拨盘经过检测后，系统对产品是否合格 做出判断，对于被控制系统判断为不合格的产品，由单片机发出控制信号，当电 池经过吹出工位时，接收到信号的吹气电磁阀输出元件工作，将电池吹出。另外 为了调节整个验电机测量系统的运行速度，保证测量过程的一致性，在验电机的 入口处和出口处都装有传感器，电机运动后如果进口满或进口缺，则触发相应的 传感器发出信号，单片机根据此信号发出控制命令停止相应电机的运动，以此避 江苏大学硕士学位论文 免设备的空转或其中某电机不工作所造成的设备故障。检测过程流程图如图所示： 图2 - 7 检测过程流程图 2 5电池高速验电机控制系统的主要特点 胡 除l 该验电机控制系统的设计具有如下几方面特点： ( 1 ) 运行过程全自动，检测速度每分钟可达到3 0 0 4 0 0 节。 ( 2 ) 系统具备多种参数的统计存储功能，能查阅最后5 2 0 只电池分别在1 号 检测盘和2 号检测盘所检测出来的开路电压、负载电压或者短路电流。 ( 3 ) 系统具备相当周全的抗干扰措施，针对工业现场的多种干扰，系统采用 了硬件抗干扰和软件抗干扰两种措施。这在以后的章节中会有详细的介绍。 2 6 本章小结 本章详细介绍了电池高速验电机工作原理及控制系统的总体设计。首先介绍了 验电机的总体要求，随后根据总体要求分析了检测系统所采用的的电性能参数测 量方法以及其技术指标。接下来介绍了验电机的机械结构和电气结构，阐述了机 械部分中上下料所采用的传动方式、检测执行机构的工作方式和控制系统电气部 分所采取的硬件设施，给出了验电机执行机构的工作过程。最后归纳了该验电机 控制系统的一些主要特点。本章节为下一步的控制系统软硬件设计及实验提供了 设计依据。 江苏大学硕士学位论文 l 甩 图3 - 5 仪表放大器电路结构图 根据设计要求，在采样放大电路中使用a d 公司的a d 6 2 0 芯片做为放大器， 完成检测过程中的一级放大。其内部结构示意图见图3 6 。a d 6 2 0 是在传统的三运 放组合方式改进的基础上研制的低功耗、高精度单片仪表放大器【2 3 1 ，它的主要参 数见表3 1 ： v 2 v ， 图3 6a d 6 2 0 内部结构示意图 表3 1a d 6 2 0 主要参数 v o 供电放大倍数共模抑制比输入阻抗频带宽度 g ：1 0 时， 2 3 y 一1 8 y 1 1 0 0 01 0 9q ( b 1 0 8 0 0 k h z c m r r = 9 3 d b a d 6 2 0 中的电阻r 与r ，需在放大器的电阻适用范围内( 1 k q 一1 0 k q ) 。借 由固定的电阻r ，可以通过调整r ，来调整放大的增益值，其关系如式所示。 v “1 + 警) ( v 1 - v 2 ) ( 3 - 2 ) a d 6 2 0 的脚位图如图3 7 所示，其中1 、8 接脚要跨接一电阻来调整放大倍率 1 9 江苏大学硕士学位论文 ( 作用同式( 3 2 ) 中之r 。) ，4 、7 接脚需提供j 下负相等的工作电压，由2 、3 接 脚输入的放大的电压即可从接脚6 输出放大后的电压值。接脚5 则是参考基准， 如果接地则接脚6 的输出即为与地之间的相对电压。a d 6 2 0 产生的增益为 g = 兰竺塑+ 1( 3 3 ) 尺， 图3 - 7a d 6 2 0 的脚位图 该电阻要求十分精确，我们选用精度为0 0 1 的金属膜电阻。为避免造成电路 的饱和，前置级放大器的增益一般都在1 0 0 以下。本设计中，前置级放大电路将信 号放大1 0 倍，因此取外接电阻r = 4 9 k q 。电池检测放大电路图如图3 8 所示。放 大电路板的实物图如图3 9 所示。 +5v开路申压负勘压 图3 8 电池检测放人电路图 江苏大学硕士学位论文 f 8 0 0 或8 0 0 0 。将a d c x c n 的位0 置“0 ”可使结果右对齐；置“l 可使结果左对 齐。当差分输入时，右对齐产生的多余高位是符号扩展位。复位时，a d c 部分的状 态为：内部电压基准缓冲器关闭、内部偏压关闭、内部传感器关闭、a d c 禁止、转 换结果数据寄存器右对齐、1 2 位的端口均为单端输入、端口指向a i n 0 、s a r 转换 时钟为3 3 个系统时钟、内部放大器增益为l 、下限数据寄存器为f f f f h 、上限数 据寄存器为0 0 0 0 h 。 综合c 8 0 5 l f 0 2 0 中与a d c 相关的各要素，要想正确应用a d c 功能，应按下列顺 序编程：设置参考电压 设置允许a d c 设置跟踪( 启动) 方式 设定数据对齐 配置 通道 选择通道 设置转换时钟和增益 设定窗口检测上、下限 启动转换。操作s f r 的顺序为( 以12 位为例) 为：r e f o c n a d c o c n a m x o c f a m u x o s l a d c o c f a d c o g t l a d c o l t h a d c o l t l a d c o c n 或其它启动方式。 本系统使用a d c o 中的8 路通道作为四个检测工位电池电压、电流的模数转换 的输入端，分时进行多参数测量。其中4 路通道为电池开路电压、负载电压的信 号输入端，其余4 路通道为短路电流的信号输入端。通过设置通道选择寄存器 a m x o s l 低3 位依次选取a d c o 的o 7 通道。 a d c o 通道分配情况如下： o 通道( a i n o ) ：工位一开路电压、负载电压检测 1 通道( a i n l ) ：工位一短路电流检测 2 通道( a i n 2 ) ：工位二开路电压、负载电压检测 3 通道( a i n 3 ) ：工位二短路电流检测 4 通道( a i n 4 ) ：工位三开路电压、负载电压检测 5 通道( a i n 5 ) ：工位三短路电流检测 6 通道( a i n 6 ) ：工位四开路电压、负载电压检测 7 通道( a i n 7 ) ：工位四短路电流检测 3 4 时钟基准电路设计 人机交互部分具有存储电池电性能参数测试记录及时间显示的功能，实现这 些功能所需的时钟基准均由时钟基准电路来提供。当系统开机时，单片机通过对 时钟日历芯片的写入为系统设置初始时间，可精确到秒；在以后的电池参数记录 江苏大学硕士学位论文 存储中，再从时钟同历芯片调出当时的时间存储到系统的内存。这就要求时钟 r 历芯片具有极高的可靠性，在本设计中选用p h i l i p s 公司的时钟日历芯片 p c f 8 5 6 3 3 4 1p c f 8 5 6 3 的功能及特点 p c f 8 5 6 3 是p h i l i p 公司推出的一款工业级内含，2 c 总线接口功能的、具有极 低功耗的多功能时钟同历芯片。p c f 8 5 6 3 的定时器功能、时钟输出功能以及中断 输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时 钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路( 1 0 v ) 以及两线制，2 c 总线通讯方 式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时每次读写数据 后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。当然作为时钟芯片p c f 8 5 6 3 亦解决了 2 0 0 0 年问题。因而，p c f 8 5 6 3 是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛应用电 表、水表、气表、电话传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。 p c f 8 5 6 3 具有以下特性、： ( 1 ) 宽电压范围：1 0 5 5 v ，复位电压标准值为o 9 v ； ( 2 ) 超低功耗：典型值为0 2 5 肚( 为3 0 v ，k 为2 5 。c ) ； ( 3 ) 可编程时钟输出频率为：3 2 7 6 8 k h z 、1 0 2 4 h z 、3 2 h z 、l h z ； ( 4 ) 四种报警功能和定时器功能； ( 5 ) 内含复位电路、振荡器电容和掉电检测电路； ( 6 ) 开漏中断输出； ( 7 ) 4 0 0 k h z ，2 c 总线( 为1 8 5 5 v ) ，其从地址：读，o a 3 h ：写，o a 2 h 。 p c f 8 5 6 3 是一种多功能时钟芯片，必须谨慎的使用它的功能，其中最主要的就 是正确设置其功能参数，否则会产生意外的错误。 3 4 2 时钟基准电路设计 按照，2 c 【2 5 1 总线协议规约，p c f 8 5 6 3 有唯一的器件从地址，读0 a 3 h ，写o a 2 h ， 单片机与时钟日历芯片仅通过s d a 、s c l 两条线进行数据传输，如图3 1 0 所示为 应用p c f 8 5 6 3 的电路原理图。 江苏大学硕士学位论文 3 5 存储器电路设计 图3 1 0 时钟基准电路 由于系统具有存储功能，所以存储器的存在是必不可少的，系统工作所使用 的频率以及电池参数及电池参数测试结果等信息均存储在存储器中，当系统需要 这些信息时就从存储器中调用。这里我们选用a t m e l 公司生产的，2 c 系列器件 a t 2 4 c 0 4 闭。 3 5 1a t 2 4 c 0 4 的功能及特点 a t 2 4 c 0 4 是串行、非易失的e 2 用0 伽存储器，它包括4 k b y t e s 的存储容量， 由两个2 5 6 b 的存储器块组成，并具有，2 c 总线接口。a t 2 4 c 0 4 的传输速度可达 4 0 0 l ( h z ，具有1 6 字节的页写入缓冲区，允许擦写1 百万次，数据保存时间大于2 0 0 年。a t 2 4 c 0 4 只能作为从器件，被动接收，2 c 总线上的主器件的命令进行读写操作。 遵循，2 c 总线的协议，使用s d a 、s c l 双线传输数据，可直接和c 8 0 5 1 f 系列单片机 接口。由于时钟日历芯片p c f 8 5 6 3 也是使用，2 c 总线协议来传输数据，所以这两 个芯片可以使用，2 c 总线协议来传输数据，所以这两个芯片可以使用相同的数据传 输线，这样就可以节省单片机的资源，在使用时只需通过不同的器件从地址进行 访问。 3 5 2 存储器电路设计 按照j 2 c 总线协议规约，a t 2 4 c 0 4 也有唯一的器件从地址o a o h ，所以可以和 p c f 8 5 6 3 使用相同的数据传输线进行数据传输，如图3 一1 1 为应用a t 2 4 c 0 4 的电路 江苏大学硕士学位论文 原理图。 v c c 图3 1 1 存储器电路 3 6 显示器的人机接口模块设计 3 6 1显示器的设计及其内部结构2 7 1 本系统选用的是r 本s e i k o e p s o n 公司出品的液晶显示控制器s e d l 3 3 0 ，它在 同类产品中是功能最强的。其特点： ( 1 ) 有较强功能的i 0 缓冲器； ( 2 ) 指令功能丰富； ( 3 ) 四位数据并行发送，最大驱动能力为6 4 0 2 5 6 点阵。 s e d l 3 3 0 硬件部分由m p u 接口单元、内部控制单元和驱动单元等组成。接口部 具有功能较强的i 0 缓冲器。功能较强表现在两个方面： ( 1 ) m p u 访问s e d l 3 3 0 不需判其“忙 ，s e d l 3 3 0 随时准备接收m p u 的访问并 在内部时序下及时地把m p u 发来的指令、数据传输就位。 ( 2 ) s e d l 3 3 0 在接口部设置了适配8 0 8 0 系列和m 6 8 0 0 系列m p u 的两种操作时 序电路，通过引脚的电平设置，可选择二者之一。 s e d l 3 3 0 接口部由指令输入缓冲器、数据输入缓冲器、数据输出缓冲器和标志 寄存器组成。这些缓冲器通道的选择是由引脚a 0 和读、写操作信号联合控制。忙 标志寄存器是一位只读寄存器，它仅有一位“忙 标志位b f 。当b f = 1 时，表示 s e d l 3 3 0 正在向液晶显示模块传送有效显示数据。在传送完一行有效显示数据到下 一行传送开始之间的间歇时间内b f = 0 。当大屏上大量显示数据修改时，在b f = o 传 送不会影响屏的显示效果。 江苏大学硕士学位论文 s e d l 3 3 0 接口部所属的引脚如表3 2 ： 表3 _ 2s e d l 3 3 0 接口部所属引脚 编号符号引脚说明 1v s s逻辑电源地( o v ) 2v d d逻辑电源( 5 y ) 3v 0对比度调节电压( 在v d d o u t 之间调节) 写信号。低电平有效( 8 0 8 0 系列) 4w r 读写信号o 为写1 为诀( 6 8 0 0 系列) 读信号。低电平有效( 8 0 8 0 系列) 5r d 使能信号。高电平写，下降袷读( 6 8 0 0 系列) 6c s 片选端，低电平有效 数字信号选择( 高电平时写命令字，读数据 7a 0。低电平时，写数据，读状态字) 8r e s 复位信号，低电平输入实现硬件复位 9 1 6d b 0 _ b b 7三态数据总线 1 7l e d + l e d 背光灯电源+ 5 v 1 8v o u t l e d 马区动电压( 一2 3 v ) s e d l 3 3 0 控制部是s 即1 3 3 0 的核心。它由振荡器、功能逻辑电路、显示r a m 管 理电路、字符库及其管理电路以及产生驱动时序的时序发生器。振荡器工作频率 可在1 m 1 0 mh z 范围内选择。s e d l 3 3 0 能在很高的工作频率下迅速地解译m p u 发来的指令代码，将参数置入相应的寄存器内，并触发相应的逻辑功能电路运行。 控制部可以管理6 4 k 显示i ，管理内藏的字符发生器及外扩的字符发生器c g i 础 或e x c g r o m 。 s e d l 3 3 0 将6 4 k 显示i 可分成以下几种显示特区。 ( 1 ) 文本显示特性 具有此特性的显示r a m 区专用于文本方式显示，在该显示r a m 区中每个字节 的数据都认为是字符代码。s e d l 3 3 0 将使用该字符代码确定字符库中字符首地址， 然后将相应的字模数据传送到液晶显示模块上。在液晶屏上出现该字符的8 8 点 阵块。也就是文本显示r a m 的一个字节对应显示屏上的8 8 点阵。 ( 2 ) 图形显示特性 具有此特 编号符号引脚说明 江苏大学硕士学位论文 的8 1 点阵。 s e d l 3 3 0 中专有一组寄存器来管理这两种特性的显示区，s e d l 3 3 0 可以单独显 示一个显示特性区，也可把两个特性的显示区通过某种逻辑关系合成显示。这些 显示方式及特征的设置都是通过软件指令设置实现的。 ( 3 ) 字符发生器 s e d l 3 3 0 管理内藏字符发生器c g r o m ，在此字符发生器内固化了1 6 0 种5 7 点阵字符的字模。s e d l 3 3 0 还能外扩字符发生器。这种外扩字符发生器有用i 区 开辟的c g i 础，也可用e p r o m 固化字库来取代s e d l 3 3 0 内部字符发生器。由于 s e d l 3 3 0 仅能处理8 位字符代码，所以一次最多只能显示及建立2 5 6 种字符。在 s e d l 3 3 0 的字符表中给出了内部字符发生器内的全部内容。同时也给出了外扩字符 发生器的字符代码范围：8 0 h 一9 f h 和e o h f f h 共6 4 种。 s e d l 3 3 0 驱动部具有合成显示能力，可对传输数据进行组织以及产生液晶显示 模块所需要的时序。 根据以上所介绍的显示特性，我们可以进行文本、图形单独显示和文本、图 形混合显示，以此，根据我们的需求，实现不同的复杂显示。 s e d l 3 3 0 有1 3 条指令( 见表3 3 ) ，多数指令带有参数，参数值由用户根据所 控制的液晶显示模块的特征和显示的需要来设置。 表3 3s e d l 3 3 0 指令表 功能指令操作码说明参数量 系统控制 s y s t e ms e t4 0 h 初始化。显示窗口设置 8 s l e e p工n 5 3 h 空闲操作 _ _ d 工s po n 0 f f5 9 h 5 8 h显不开关。设首显示方式1 s c r o l l 4 4 h 设置显示区域卷动l o 显 c s 磁r 5 d h 设首光标形状 2 不 c q 弛a d r5 0 h 设置c 勰 畦量始地址 2 操c s r d 工r4 c h 一4 f h设置光标移动方向 - 作 h d o ts c r5 姐 设置点单元卷动位置1 0 a y5 b h 设置合成显示方式 1 绘制操作c s r w4 6 h 设置光标地址 2 c s 腿 4 7 h 读出光标地址 2 存贮操作 耶咿r i t e 4 2 h数据写入显示缓冲区若干 脓e a d4 3 h 从显示缓冲区读数据若干 江苏大学硕士学位论文 m p u 把指令代码写入指令输入缓冲器内( 即a o = 1 ) ，指令的参数则随后通过数 据输入缓冲器( a 0 = 0 ) 写入。带有参数的指令代码的作用之一就是选通相应参数 的寄存器，任一条指令的执行( 除s l e e pi n 、c s r d i r 、c s r r 和m r 队d 外) 都产生 在附属参数的输入完成之后。当写入一条新的指令时，s e d l 3 3 0 将在旧的指令参数 组运行完成后等待新的参数的到来。m p u 可用写入新的指令代码来结束上一条指令 参数的写入。此时已写入的新参数与余下的旧参数有效地组合成新的参数组需 要注意的是虽然参数可以不必全部写入，但所写的参数顺序不能改变，也不能省 略。 3 6 2 显示器硬件电路设计 单片机与s 即1 3 3 0 的接口有两种方式。一是直接访问方式，即将s e d l 3 3 0 作为 i 0 设备或存储器直接挂在c p u 总线上，c p u 可直接访问e d l 3 3 0 控制器：二是 间接控制方式，即把s e d l 3 3 0 与单片机并行口相连接，c p u 通过对该并行口的控 制与操作间接实现对s e d l 3 3 0 的访问【捌。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 与液晶显示模块采用间接方式进行联接。硬件联接电路图如图所 示。其中，c 8 0 5 1 f 0 2 0 的p 4 口为s e d l 3 3 0 信号控制线。p 4 0 = r e s ，p 4 1 = r d ，p 4 2 = w r ， p 4 3 = c s ，p 4 4 = a 0 ，p 5 为数据线。 显示器硬件电