（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的铅酸蓄电池参数采集模块的设计.pdf

t h ed e s i g no fp a r a m e t e r sc o l l e c t i o nm o d u l ei nl e a d a c i ds t o r a g e b a t t e r yb a s e di nc a n f i e l d b u s a b s t r a c t d u et ot h et r a d i t i o n a lp o w e rs u p p l ys y s t e ma b o u tl e a d - a c i ds t o r a g eb a t t e r yh a s d i s a d v a n t a g e so fc o m p l e x i t y , i n c o n v e n i e n c ei nd a i l ym a i n t e n a n c e ，l o wa u t o m a t i o nl e v e l ， w h i c hc o u l d n ts a t i s f yw i t ht h en e e do f m o d e mn a v yc a m p a i g n ，an a v yb a s ep u tf o r w a r d t h er e q u e s to fr e c o n s t r u c t i v ea b o u tt h eo l dp o w e rs u p p l ys y s t e mo fl e a d - a c i ds t o r a g e b a t t e r y a c c o r d i n gt ot h i s w eb r o u g i l tf o r w a r dt h ea s s u m p t i o n “p a r a m e t e rc o l l e c t i o n s y s t e mo fl e a d - a c i ds t o r a g eb a t t e r yb a s e do nc a nf i e l d b u s ”t h em a i na i mi st o r e a l i z et h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n ga b o u tt h ep o w e rs u p p l ys y 鲢e mo fl e a d - a c i ds t o r a g e b a t t e r y t h i ss y s t e mw a sd i v i d e di n t os e v e r a lm a i np a r t s ：t h ef i r s ti sp a r a m e t e rc o l l e c t i o n m e d u l e t h es e c o n di sc a nf i e l d - b u s t h et h i 州i sp cw i t ht h ef u n c t i o no fd a t a m o n i t o r i n g p a r a m e t e r sc o l l e c t i o nm o d u l eu s e8 9 c 5 1a si t sc o r ew h i c hh a st h r e ef u n c t i o n s , p a r a m e t e r sc o l l e c t i o n , d i s p o s a la n ds e n d i n g 。t h ep a r a m e t e r sa r et h ed e n s i t yo f e l e c t r o l y t e ，t h eh e i g h to fl i q u i d ，v o l t a g e ，c u r r e n ta n dt e m p e m t m e o f b a t t e r y w eu s ec a nf i e l d - b n s 鹕d a t at r a n s m i s s i o nf i e l d - b u s n o w a d a y 8 i t so n eo ft h e p o p u l a rf i e l d - b u sw h i c hi san e wt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fa u t o m a t i o n i th a st h e a d v a n t a g e so ft e r s e n e s s , h i g hs p e 碰o ft r a n s m i s s i o n , s t r o n gc a p a c i t yo fa n t i - j a m m i n g ， 瓤馥r e l i a b i l i t y , o p e n e dp r o t o c o la n dl o wc o s t t h i st e x ti n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fe a nf i e l d - b u s p ch a st h ef u n c t i o no fa l a r ma n dd y n a m i c d i s p l a yo fp a r a m e t e r s w eu s eu l t r a s o n i ca sm e a s u r i n gm e a n so ft h ed e n s i t yo fe l e c t r o l y t ea n dt h eh e i g h t o fl i q u i d t h i sm e t h o di sm o r es i m p l ea n de f f e c t i v et h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，w h i c h m a k ei tp o s s i b l et h a tt h ed e n s i t yo fe l e c t r o l y t ea n dt h eh e i g h to fl i q u i dc a nb ed e t e c t e d a u t o m a t i c a l l y t h i sp a p e rh a sf i v ec h a p t e r s 。c h a p t e ro n ei ss y s t e ms u m m a r i z i n g , w h i c he x p l a i n s t h ew h o l es y s t e m ；c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h ec o l l e c t i o nm e t h o do ft h er e s i d u a l e l e c t r i c i t yi ns t o r a g eb a t t e r y ；c h a p t e rt h r e ei n t r o d u c e st h ec o l l e c t i o no ft h ee l e c t r o l y t c ， v o l t a g e ，t e m p e r a t u r ea n dc u r r e n t ；c h a p t e rf o u ri n t r o d u c e s t h er e a l i z a t i o no ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea b o u tc a n t r a n s c e i v e r ；c h a p t e rf i v ei st h ec o n c l u s i o n k e yw o r d s ：c a nr e i d - b u s ；l e a d - a c i ds t o r a g e 黼抽孵；8 9 c 5 1 ；u l t r a s o n i c 大连海事大学学位论文原刽性声明和使用授权说明 原刨性声明 零入郑重声臻：零论文憝在导壅萋豹籀导下，独支进行磷究王幸筝掰取褥鹣藏巢， 撰写成博士硕士学位论文：基王堡笪煎巍数笾酸薹虫擅壹熬溪塞撞基照遣 i 土二一。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贞献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标瞬。本论文中不戗禽任何束加明确注明的其他个人 葭集俸爨经公齐发表或寒公开发表麴或暴。 本声骥的法律责任由本人承担。 论文作者签名：械d 忉名年弓月。名日 攀位论文叛投馒溺授权书 举学位论文作者及指导教师完全了解“大遴海事大学研究生学位论文提交、 版权使耀警理办法”，冠惑大遵海事大学保蟹劳两嚣象有关部门或檄桶送交学健论 文酶爱窝转移电子藏，兔诲埝文棱囊弱霸偌阙。本入疆较太连海事大学霹暖将奉 学位论文的全韶或部分内窖缡入有关数据库避行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制币段保存和汇编学t 藏论文。 僳密露，巍年孵密籍邋惩零授毅褰； 黻黯始争棠导师馘专挈嗷 l l 期。谤g 每毒周彩f | 引言 铅酸蓄电池是1 8 5 9 年由法国人普朗特发明的，至今已经有一百四十多年的历 史，是目前使用最广泛、技术最成熟的电池之，它具有以下特征：电池电动势 高，能大电流放电，可在较宽的温度范围内使用，性能稳定可靠。 铅酸蓠电池是一种以放电方式输出电能，以充电方式吸收、恢复电能的电源。 由铅酸蓄电池构成的低压电源，是潜艇主推进供电系统中的关键设备。对铅酸藿 电池的维护管理不当将直接影响蓄电池的使用效益和寿命，甚至直接损坏蓄电池， 从而影响船舶整体性能，严重情况下还会导致船舶的安全事故。通过在线测量锚 酸蓄电池组的参数，可以及时了解蓄电池的工作状态、工作特性及蓄电池需要维 护情况，因而蓄电池的在线监测系统的研制势在必行。 中国人民解放军9 2 5 3 8 部队装备部根据目前潜艇铅酸蓄电池监测系统的应用 现状，提出了采用可靠性高、线路连接简单的c a n 总线技术构建蓄电池的计算机 在线监测系统。并且提出对传统的利用澳量电解液密度监测蓄电池剩余电薰的方 法进行改进，传统方法由于系统复杂、占用空间大，不可能对每个单电池进行监 测，从而就很难傲到对整个蓄电池组的现状有全面的了解。丽本论文拟采用的技 术则主要是依靠电量计算的方式来估算蓄电池的剩余电量并自动评估单电池的性 能优劣，还可对单电池的电压、温度、液位实时显示并进行相关的报警。 为了实现蓄电池参数的集中监测，首选需要设计参数采集模块，将蓄电池电 解液密度、电解液液位、电池温度、电流、电压等参数采集出来，同时通过c a n 总线控制器、驱动器等设备将采集到的参数传送到c a n 总线上去，最后将c a n 总 线上的信息集中到上位机中，通过监测界面集中监测，从而实现了蓄电池的自动 化集中监测。 论文主要是铅酸蓄电池参数采集及发送模块的设计，包括铅酸蓄电池电解液 密度、电解液液位、电池温度、单电池电压及电池组电流等参数采集模块的硬件 及其软件实现、c a n 总线收发器的设计与实现等内容。 在设计过程中做了大量的实验，通过实验得到了许多宝贵的数据，同耐采集 了一些图形图像信息，希望对广大读者在本领域的研究有所帮助。 第一耄基于c a n 总线懿铅酸蓄电池参数采集及监测系统概述 1 1圈内外蓄电池监测系统的现状及发麟趋势 蓄电池作为直流电源，对系统的安全可靠运行膏着非常重要的作魇。为了避 免蓄戆滚农长麓毽霸孛嚣囊豢弱题窭褒藏簿蠢雩l 发搴薮豢寒经洚镄失，嚣瓣蓥邀 池进行实时在线簸溯。 1 1 1 阑内蓄电池监测系统观状 随辫科学技术的发展，特别是单片枫和计算机在智能化控制方蕊的应用，以 及在交邀懿练台鑫动证系缝簿方嚣硬变懿深入，荚予蓄毫远熬蠡动纯簸测麓逶也 提到嗣稳上来。近几年班米，徽多入开始研究鬻电浊的囊动亿簸测。 鬻电池监测系统中，主瓣内容是对单电池电愿及电解液密度的撇测。其中， 关于温度和电流的测爨都属常规测量，而且在运此方面的测量技术都融成熟。在 电压黪溪| | 爨方法上，对零个激殛蠢羲测量方法嚣黎筵单。其中，簸为关键静是鲡 簿溅鬟嘏溅缀中串联在一起酌单电涎电压。套辩决翔谤嚣量擎电涟瞧舔闯题主， 人们进行了大量的工作。有人提出用继电器在米切换电池组中的镣只电池。用触 点式继电器切换，它的缺点怒：体积大、成本离、淹命短、速度慢，魅篡电压值计 算比较赚煨；褒人提出另外糙方法；在多路输入健罨的转换上采蹦可编程定蛙 器懿v f 转羧器。冀孛，谨瓣决赣天售号奄鬟藤予葱片豹最大王臻懿褒艟睡蘧上 存在拽术难点，且采用v f 转换作为a d 转换辩。其缺点是螭应迷壤慢、在小信 号范围内线性度差、精度低。关于在线测量单只电池电压的方法- 邂商人提出用 光电隔离嚣件和大电解电容器构成采样，保持电路米测量蓄电池缀中单只电池电 压。龟辩熬缺点是：在a 内转换遘程中，电容上瓣怒垂戆发生交纯，菠其精度楚 低，蔼氛魄容兖藏电酵阉及晶体管和隔离蕊片簿嚣传动箨延迟等嚣素，决定采撵 时间长等缺点。国内研制并投产的z x j 2 4 2 一l 魏薷电池组智能监测仪，采用浮动 地技术测辍蓊电池组中各个单电池电压，测爨的参数还包括电池组电流、温度。 电解液搽凄的测量方法也锻多，传统的方法是跫期提取电瓣滚薅纯亿带方法进行 嚣量，褥疆1 ； 惩褥较多懿程线溺璧方法套露予法、静篷浚、瓣线法、藏动法秘越 声波法等。其中以超声波测魏法最为可取，不避围内在这方面所傲躺研究还根少。 。 2 谶终磷究竣浼 荚阑b m s ( b a t t e r ym o n i t o r i n gs y s t e m ) 蓠电池簸测系统技术发展于电力应 用工业。】8 9 8 年美国电力研究所与国家电能研究公司合作，共同研究了无人值守 场站p b w c 镪酸蓄电池综合程线状态监测系统。缝过4 年的研究与歼发，耗资2 0 0 万美元，予1 9 9 4 年完成梯瓠麴瑷溪试验。测定瓣参数毽菇：逛速缀逮逐、畦逡缀 环境滋魔、电解渡眈重、嘏解液液面离度以及电极利用情况等。冀方法是采爝安 装在缚一只电池上的多传感嚣电池监测模块( 嗽池监测器) 。这种横块通过光缆将 状态数据传输到蓄电池组般测器，每一电池组簸测器可监测2 5 6 个麟电池。远程 控制孛妇逐过m o d e m s 巍公建瞧话线对电漶缀蕊测嚣避孬盗测，霹簸测的电遗缱靛 溅器蠡鼋数爨不受疆潮。控裁中心p c 瓠麓定鬻豢途灏畜运霉亍缀熬逡测嚣，下鼗荠处 理储存豹数据，存储和显泳墩池状态及其趋势的信息，能获得每一节电浊的参数。 其主要特征是运用特定传感器对电池缎的每个电池进行独立监测。单电池电压的 测囊怒使用传统的一个直接带育稳压的a d 转羧器。电漉组电鹾酶测量是用一个 与耄滚缎连接豹溪魂交爨嚣秘繁鸯稳嚣参考豹a d 转换嚣。电涎缀旗滚戆测量麓 霍尔元件矗流簧感器灏羹。瞻浊内部温度熬灏爨通常是瘸赢接与魄泡壁接触豹圈 态集成魄路温度传感器米测爨，并且同外部环境如气流和阳光这样的热效应隔离。 电池缀漱度的测囊是用同样的装置来溅量。为了描述电池缀周围空气的平均温度， 传感嚣一般整予电滚缀支架上。l 篼矮磷究戒祭缀惩予邀厂、变惫臻、运莹、亳动 车鹱获鼷疗等领域。 拄韩国，有人研究光伏系统中的蓄电池状态的监溯。铅酸鬻嘏泡作为独立光 伏系统的能量的储存设备，可防止过度放电和过度充电，对延长熬个系统的服务 寿命非常藿要。藿电池缎的骏测内容有：蕈魄漶屯歪、电池组电愿、通过电池的 毫浚及泡麓滚懿跑重等。每一令被选择豹擎滚漶奄匿傻瘸一令爱携式数撬采集系 统监测。这个系统中有一个2 0 个通道的扫搔器、一个数字多路选耩器及一个笔记 本电脑。电解液的比重是邋过数字比重计测爨。研究的监测系统不仅藤监测以上 这此内容，而且采用了一种“电流中断的技术”，以测量电池组充电时电池的内电 酲。壤援攀毫莲葶蠢电溅豹荧系。透过连续测慧内部瞧隧鞋电遮豹纛键趋势。 毽终存人研究v m s ( v r l ab a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 阀控密封镫酸藿电 池管琏系统。这个管理系统不是简单的测爨繁魄池，而是设计成疑裔管理和控制 3 蓄龟懑豹谚辘。魏系统熬强鹃楚改变蓄邀疆“挺攫楚逛”静方法。戮为瞧趣充电 的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流。系统监测的内容靓括：单电池 电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中测激电池组总电压。v m s 中包含了 b m s 。它憝在线监测的基础上对蓊电池进行分析，弗进行管理和控制。这样更霄利 予对饕滚滚的维护，延长蘩旗淹爱爰寿会； 法潮怒声波信号处理技术研究所提出丽越声波对嚣电池进行测鬣。以便测定 电池的辫墩变化情况。他们融经在蓄电池中进行窳用性试验，试验时与硫酸比重 计测量法进行对比，取得了比较好的效果。 藿墩潦监溅系统蛇是动纯程度越来越亵，豢中整控逮是蓄电滚熬溅系统发展 豹主要方向，翔之现场总绫肖诸多优点，萄辩它瞧是自动犯领域一个主要秘发矮 方向，缩含两种发展趋势，我们提出了利用c a n 总线技术，以超声波测量为特色 的基于c a n 总线的铅酸誊电池参数采集模块的设计这一课题，以下对整个系 统傲总体介绍。 1 。2 黧测系统综述 监测系统如图1 1 所泳，其中蓄电池室共蠢四个，四个舱室完众相同，这里 我们仅以一个舱室为例。本系统有三个主要部分：监测室、c a n 总线、参数采集模 块。下鼷对各主要部分分潮嬲以分绥。 救涮毫 翠 c n 总线i 一一 一 一一i ：i 蘩囊| ；j 模块 蓄电池室 _ n 1 “ ”。； i i 薰曩j ； 赞墼 ； 嚣l 。l 监溅系统蜒戮 f i g t 1t h ef r a m e w o r ko f m o n i t o r i n gs y s t e m 1 21 监测室 监测室内需要一台p c 机，p c 机内需要安装c a n 接口卡及相应驱动( 这罩我们 选用的是周立功的p c i - - 5 1 2 1 ) ，同时p c 机内还需要安装监测软件。本系统的c a n 接口卡安装在电脑的p c i 插槽中，装入驱动后就可以正常工作。下面对本系统中 p c 功能及c a n 接口卡加以介绍。 p c 机功能： p c 机上需要制作锚酸蓄电池的监测界面，用来监测各个蓄电池电解液密度、 电解液液位、温度、电流、电眶等参数的变化情况。通过c a n 总线接口卡可以将 p c 机连接到c a n 总线上去，实现与各个蓄电池组的通信。 c a n 接口卡：p c i 一5 1 2 1 如图1 2 所示，就是我们选用的c a n 接口卡，型号为p c i - - 5 1 2 1 ，它是款2 路智能c a n 接口卡。 p c i - 5 1 2 1 智能c a n 接口卡的功能特点： ( 1 ) 它是一款采用p c i 接口、集成微处理嚣的2 路c a n 接口卡，即插即用，符 合p c i 2 1 规范。采用s m d 表面安装技术工艺、四层电路板工艺，安装有光电隔离 模块，实现完全电气隔离的c a n 接 2 p c i 控制电路，抗干扰能力强，非常适合在 长期工作环境下的p c 上使用。 图1 2p c i 一5 1 2 1 实物图 f i g 1 2t h ec h a r to f1 p c i - 5 1 2 1 ( 2 ) 它上面集成8 k b 高速双端口存储器，可有效提高数据吞吐率，适合用于需 要进行大量数据传输的c a n 通讯应用场合；硬件采用中断接收方式，可最大限度 地减轻p c 负荷：对p c 的硬件、软件环境要求并不严格。 ( 3 ) 它提供广泛和强大的软件支持。这些软件支持包括通用的驱动接l j ，自动 安装，支持在v c + + 、c + + b u i l d e r 、d e l p h i 等开发环境下设计工程，可适合不 同的开发人员使用。另外，它还支持高层协议的驱动库接口，比如c a n o p e n 、 d e v i c e n e t 等，实现c a n b u s 在高层协议中的应用。 ( 4 ) 它还向用户提供一个附加的小型c a n - - b u s 数据监控、测试分析软件供 用户分析、控制c a n - - b u s 总线上的传输数据。 1 2 2c a n 总线 c a n 总线是现场总线的一种，它具有成本低、传输速度快、协议开放、误码率 低等优点，已在世界范围内得到广泛应用，所以论文选用c a n 总线作为数据传输 总线。有关c a n 总线的具体内容将在第四章中加以介绍。 1 2 3 参数采集模块 参数采集模块以8 9 c 5 1 为c p u ，由密度采集模块、液位采集横块、温度采集模 块、电流采集模块、电压采集模块、c a n 总线收发模块等部分组成，如图l _ 3 所示。 一一 电解液密度采集模块 r 一- 1电解液液位采集模块 一一一一 r 一一温度采集模块 j 一一 卜一一电流采集模块 i 二二二二= 二：二二二二= 二二二一二。型 r 一电压采集模块 一c a n 总线收发模块 图1 3 参数采集模块总体框图 f i g 1 3t h ew h o l ef r a n m w o r ko fp a r a m e t e rc o l l e c t i o nm o d u l e 超声波蓄电池电解液密度采集模块部分是本设计的特色，到目前为止，国内 将超声波技术应用到蓄电池电解液密度测量方面的研究还很少，论文在这方面所 作的工作将对该领域的研究起到抛砖引玉的作用，意义重大。电路工作原理基r j 二 超声波在不同密度的电解液中传输速度不同，且呈现规律性变化，声速和电解液 密度之间存在一定的非线性关系；而且，在所测距离固定的情况f ，声速与传输 对瘸楚线性关系，这撵灏爨慕秘条 孛下越声波佟耱霹润，藏i 以求蠢糖疯懿密度， 从丽实糯了电解密度的检测。由于温度的改变念对测量结果造成较大的影响，所 以需要进行温度补偿。该模块又可以细分为超声波发送电路，超声波接收电路， 密封防腐型超声换能器。 憝声波滚霞测量器毽：越声波在空气中倦攘瓣遮凄一定，哭螫我瓤褥裂超声波 传输时阐t ，就可以求出褶暾的距离。公式为：s = c t ( 其中s 为难离、c 为超声波 在空气巾的传输速度、t 为趟声波传输时间) ，为了便测量结果更凇熊需要进行温 度补偿。 电愿聚集：在单电池两端囊攘采集电压信譬，殴过离速a i d 转换糕i c l 7 1 3 5 楚毽爱送给攀片瓿。 电流采集：用霍尔元件将电流信号转化成魄臌信号，经a i d 转换蕨送单片机。 温度采集；选用温度传艨器d s l 8 2 0 采集温艘，采集出来的数搌可以真接送给 单片机。 采集豹各转萤号耄c a n 憋线收发毫黪传辕弱c a n 总线，霉经c a n 蕊线送至l 上 整机，实现集中监测。 也一r 一 如图1 4 所示，超声抉能器安装在探头的一侧，另一侧为反射板，当超声波 到达反射板时会被反射回去，从发射端到反射檄的蹬离为2 0 c m ，激发传感器与换 旋器平行安装，嚣懿是为了缳涯壤溅潼度与怒声波簧疆臻经上的滋澄绦耪一鼗。 探头嗣建在蓄电遗的璜盖上，下端浸入电解液中，这样对探头翻滚壤传感器的翰 腐有一定要求。液位检测探头固定在与蓄电池上盖平行的平面上，向下发射超声 波，超声波到达电解液液面时会被反射回来，由接收换能器检测回波，通过c p u 计算并输出测量的液位高位。 l_ 图1 5 检测探头的安装 f i g 1 5t h ei n s t a l l a t i o ao ft h ed e t e c t i n g h e a d 1 4 软件编程 传统的单片机编程一般都使用汇编语言，但汇编语言存在语句复杂，实现困 难，可移植性差等缺点，而c 语言编程则可以克服这些缺点，使单片机编程简洁、 易懂、可移植性好，而且现在有成熟的单片机c 语亩编程环境供用户使用，所以， 论文的单片机程序采用c 语言编程实现。编程环境采用l av i s i o n 2f o rw i n d o w s 。 对于8 0 5 1 单片机，现有四种语言支持，即汇编、p l m 、c 和b a s i c 。它们有 各自的优缺点，下面通过对比来说明我们选择c 语言的理由。 b a s i c 通常附在p c 机上，是初学编稷的第一种语言。一个新变量名定义后可 在程序中作变量使用，非常易学，根据解释的行就可以找到错误，雨不是当程序 执行完才能显现出来。b a s i c 由于逐行解释自然很慢，第一行必须在执行时转换成 机器代码，需要花费许多时间，不能做到实时性。b a s i c 为简化使用变量，所有变 量都用浮点值。像2 + 2 这样简单的运算完全是浮点算术操作，因而程序复杂且执 行时问长；即使是编译b a s i c ，也不能解决此浮点运算问题。8 0 5 2 单片枫片内固 化有解释b a s i c 语言，b a s i c 适用于编程简单而对编程效率和运行速度要求不离的 场合。 p l 。m 是i n t e l 从8 0 8 0 微处理器开始为其系列产品开发的编程语苦。它有些像 p a s c a l ，是一种结构化语言，但它使用关键字去定义结构。p i m 编译器像好多汇 8 编器一样可产生紧凑代码。p l m 总的来说是“高级汇编语言”，可详细控制代码的 生成。但对于8 0 5 1 系列，p l m 不支持复杂的算术运算、浮点变量，也无丰富的库 函数支持。学习p l m 无异于学习一种新语言。 c 语言是一种源于编写u n i x 操作系统的语言，是种结构化语言，可产生紧 凑代码。c 语言结构是以括号( ) 而不是以字和特殊符号表示的语言。c 语言可以 进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编语言相比，c 语言有如下优点： ( 1 ) 对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对8 0 5 1 的存储器结构有初步了解； ( 2 ) 寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理； ( 3 ) 程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构佬； ( 4 ) 具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性； ( 5 ) 关键字及运算函数可用近似人的恩维过程的方式使用； ( 6 ) 编程及程序调试时间显著缩短，从而提高了效率； ( 7 ) 提供的库中包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力； ( 8 ) 已编好的程序可以容易地植入新程序，因为c 语言具有方便的模块化编程 技术。 c 语言作为一种非常方便的语言而得到了广泛的支持，c 语言程序本身并不依 赖于机器硬件系统，基本上不作修改就可以根据单片机的不同较快地移植过来。 当前用得较多的c 编译器有8 种，而我们选用的是k e i l 公司c 编译器，原因 在于德国的k e i l 公司在代码生成方蕊领先，可产生最少的代码。它支持浮点和长 整数、重入和递归。若使用单片机模式，则它是最好的选择。 k e i lc 5 l 简介 k e i lc 5 lj lv i s i o n 2 集成开发环境是k e i1 s o f t w a r e ，i n c k ej ie l e k t r o n i k g m b h 开发的基于8 0 c 5 1 内核微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准 的开发工具，可以完成从工程建立到管理，编译，连接，目标代码的生成，软件 仿真等完整的开发流程。尤其c 编译工具在生产代码的准确性和效率方面达到了 较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。k e i lc 5 1 集成开发环境的主要功能有以下几点： pv is i o n 2f o rw i n d o w s ：是一个集成歼发环境，它将项目管理、源代码编辑 和程序调试等组合在一个功能强大的环境中； 9 c 5 1 国际标准化c 交叉编译器：从c 源代码产生可重定位的目标模块： a 5 1 宏汇编器：从8 0 c 5 1 汇编源代码产生可熏定位的目标模块； b l 5 1 连接定位器：组合由c 5 1 和a 5 1 产生的可重定位的目标模块，生成绝对 目标模块； l i b 5 1 库管理器：从目标模块生成链接器可以使用的库文件； o h 5 1 目标文件至h e x 格式的转换器：从绝对目标模块生成i n t e h e x 文件； r t x 一5 1 实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。 这个工具软件是为专业软件开发人员设计的，但任 可层次的编程人员都可以 使用，并获得8 0 c 5 1 微控铡器的绝大部分应用。 k e i ls o f t w a r e 提供了一流的8 0 c 5 1 系列开发工具软件，下面描述每个套件及 其内容： p k 5 1 专业开发套件提供了所有工具，适合专业开发人员建立和调试8 0 c 5 1 及 其所派生系列进行配置使用。 d k 5 1 开发套件 d k 5 1 开发套件是p k 5 1 的精简版，它不包括r t x 5 1t i n y 实时操作系统。丌发 套件可针对8 0 c 5 l 及其所派生系列进行配景使用。 c a 5 1 编译器套件 如果开发者只需要一个c 编译器而不需要调试系统，则c a 5 1 编译套件就是最 好的选择。c a 5 1 编译器套件只包含| lv i s i o n 2i d e 集成开发环境，c a 5 1 不提供u v i s i o n 2 调试器的功能。这个套件包括了要建立嵌入式应用的所有工具软件，可针 对8 0 c 5 1 及其所有派生系列进行配置使用。 a 5 1 汇编器套件 a 5 1 汇编器套件包括一个汇编器和创建嵌入式应用所需要的所有工具。它可针 对8 0 c 5 1 及其所有派生系列进行配置使用。 r t x 5 1 实时操作系统( f r 5 i ) 。 r t x 5 1 实时操作系统是8 0 c 5 1 系列控制器的一个实时内核。r t x 5 1f u l l 提供 r t x 5 1t in y 的所有功能和一些扩展功能，并且包括c a n 通讯协议接口子程序。编 程环境i iv i s i o n 2f o rw i n d o w s ：是一个集成开发环境。它将项目管理、源代码编 辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中。 第二章蓄电池剩余电量的计算 以前，铅酸蓄电池剩余电量是由蓄电池电压计算出来的，该方法测量精度不 高，不能满足我们的要求。铅酸蓄电池剩余电量的另一种方法是由电解液密度计 算剩余电量，这种方法精度很高，所以我们采用这种方法。在电解液密度测量方 法中，又以超声波测量法精度最高。接下来介绍电解液密度的超声波采集法。 2 1 液体密度采集的方法 密度是物质的一个重要物理量，指的是单位体积中所含物质的质量。在工业 生产过程中，通过对密度的测量和控制来溯最和控制溶液的成分、浓度、含量及 质量流量。密度计是生产上常用的成分分析和质量控制仪器。 液体密度在线采集比较有效的几种方法： 在线测量是指测量设备憩安装在生产管道上，对液体密度进行连续、自动测 量，一般是通过测量与密度相关的其它参数来达到测量的目的。露前应用较多、 较成熟的可用于液体测量的在线密度检测方法有；浮子法、静压法、射线法、振 动法和超声波法。 2 1 1 浮子法 浮子法的基本原理是基于阿基米德定律，通过将没在液体中的浮子位移和浮 力变化，变换成各种电的或机械检测信号来测定液体密度。依据浮予浸在液体中 的情况大致可分为漂浮浮子和全浸浮子式。其中漂浮浮子式受环境温度影响较大， 精度、灵敏度较低。全浸浮予式的浮子全部浸入被测液体，当液体密度改变对， 浮子受到的浮力随之改变。与全浸浮子式相比漂浮浮子式受液体表面张力的影响 小，浮子又位于温度比较稳定的待测液体中，测量精度较高。 目前，现有全浸式密度计在应用中存在的主要问题是：( 1 ) 实时性羞；( 2 ) 测量 精度对液体流速敏感。流速快时，没有一定的防护措施，浮子将处于极不稳定的 抖动状态，难以准确读数和采集信号。必须加防护措旄并加装调节阀，限制流速； ( 3 ) 会出现漏液现象。 2 1 2 静压法 静压法的基本工作原理是基于一定高度待测液位的静压力与其密度成证比。 尸一触 ( 2 1 ) 箕哮l ：p 为静压力；p 为液体密度；g 为溺爨点的重力热逶震；h 为液俸静蠢 度。通过对液体的静压力p 的捌鬣，就可以求出液体的密度p 。 常用的利用静噩法原理的密度计有固定液位的膜片式密度计和谶续吹气的液 体式密度计。采用静压法测鬃液体密度的优点在予：( 1 ) 仪器的可动部分不浸入液 薅，瑟叛溪惩宅溺鬟牯凌较大瓣帮梭空气锪帮豹液傣，蠢基这种溅爨秃论对予努 开的储槽藏封闭的储稽都是裔粥的；( 2 ) 仪器的承德岛液体豹流速和袭颟张力无关。 这类密魔计在加液、收发液中庶用的主要问题魁：( 1 ) 如果满足计量精腱鼹求，其 液体要求缀高，使体积庞大鼠筇鬟：( 2 ) 密度测量爨螭构影响较大，测擞误差较大； 3 ) 采鼹掇铮记录，蠢度标定戮滚。 2 3 射缎法 射线法是一种非接触的密縻测量方法，它的敏感元件不放在被测介质中，利 用介质对射线辐射的吸收作用米测量密度。因y 射线有很强的穿透髓力，所以工 韭上用予寮度涮塞的射线法密度诗大多采髑￥射线，主要适用予侵蚀链帮离粘度 滚俸鹣密发测量或检验。帮： ，- z o e x p 枷 ( 2 2 ) 其中：l 为通过被测介威的辐射强度；i 。为v 射线的辐射强度；d 为介质的厚 度；p 舞会震的密度；弘为褒减系数。 瓣线法溅筮密凄熬优点筵爱敏发嵩、鞲发嵩、撬予撬薤力强。冀姣煮是使奔l 射线性物膜，使用场合受到黻制，一般不能安装猩人员经常出现的现场系统中。 2 1 4 掇动法 振韵法密度计是一种较为掰型的密度计。它的敏感元件是某种形状的弹性体 ( 振予) ，耧麓电磁方式使箕髹动。姿滚薅漾经羧予嚣孪，振予莛叛凝搴裁要发生改 变。因而液体的密度不弼，所对应的振予豹共撵频率也不同。这棒邋过测量振予 的共振频率就能得到待测液体的密度。其谐振频灏的公式为： ，t 【e ( m + p 矿) 】1 ” ( 2 3 ) 其孛：醛梵空管懿蒺蠢；嚣凳营熬嚣住模茧；p 为特蕤滚薅戆密艘：v 为管戆 体积。攘渤法优点是：( 1 ) 测爨瓣是频率信号，矮予信号处理，方便铬弩远传；( 2 ) 密度与频率的关系是己知函数，便于标定；( 3 ) 对流体的其它参数均不敏感，标定 函数基本上是常数，故其测量精度非常商，运用范围广；( 4 ) 结构简单，信号输出 数字化：( 5 ) 精度高。检测精度可达0 0 0 1 9 c m 3 。利用振动法进行密度计量存在的 主要问题：( 1 ) 价格昂贵；( 2 ) 安装、使用成本高，维护困难；( 3 ) 密度计的管内壁结 垢，将影晌到密度计测量的准确性。 2 1 5 超声波法 随着科学技术的发展，超声波技术应用已经远远超出其声学范围，深入到许 多领域和部门。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简便、易于做到实嗣 控制，并且在精度方面能达到工业实用的要求。纵观超声测量技术的实现方法， 从测量的角度可以分两大类：一类是利用超声波在介质中传播特性而发展起来的 超声传播测量法；另一类是利用超声波在不同介质中有不同的传播速度这一原理， 通过超声波换能器在测董室内发射及接收超声波，然后检测超声波脉冲通过规定 的声程时所耗费的时间，最终通过预先确定的相关方程计算出液体相应密度值。 2 2 超声波技术简介 2 2 1 超声波定义 超声波是一种频率在2x1 0 4 h z 以上的声波。 2 2 2 超声学发展史 早在1 8 3 0 年，f s a v a r t 使用齿轮，第一次产生2 x1 0 4 h z 的超声。1 8 7 6 年 f g a l t o n 用气哨产生3 1 0 4 h z 的超声。1 9 1 6 年p l a n g e v i n 首次致力于研究水 下超声作为侦察手段。1 9 2 7 年r w w o o d 和a e l o o m i s 首次发表关予超声能 量作用的实验报告，为今天称为功率超声学奠定了基础。几乎与此同时另批工 作者测量气体里的声速和声衰减，稍后又有人从理论上解释了这两个量的频率依 赖关系，由此开辟了研究超声与物质微观结构问相互作用的崭新领域。 我国解放前超声学研究是个空白。超声学研究始予1 9 5 6 年的1 2 年科学规划。 1 9 5 9 年超声应用取得了进展。在基础研究方西也有相当深度，如棒的声振动、超 声乳化和水中气泡的超声吸收问题；建立了分子声学实验设备，对驰豫吸收、悬 浮体的声吸收进行了系列研究；建立了固体中超声衰减的测量设备；对粘弹性和 可压缩流体的声速和衰减进行了深入研究。1 9 6 5 年开始研究了表面波的换能器。 进入8 0 年代，我国超声学面向实际应用。b 超医疗开始投入生产；超声加一超 声研磨、超声焊接、超声清洗、超声催化等逐步开始形成一定规模。九十年代以 来，在中国科学院声学研究所与南京大学声学研究所相继批准建立了国家级重点 实验室。总之，我国的超声波研究获得巨大的发展，有些方面己达到或接近国际 先进水平。 目前，超声技术研究和应用的范围，已从船舶、冶金、机械等扩大到二十多 个工业部门，并取得了很好的社会效益和经济效益。 2 2 3 超声波的特点 ( 1 ) 超声波具有较好的指向性，频率越高指向性越强。这在诸如探伤和水下声 通讯等应用场合是主要的考虑因素。 ( 2 ) 频率高时，相应地波长将交短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺 寸相比拟甚至波长可远小于试样材料的尺寸。这在厚度尺寸很小的测量应用中 以及在高分辨率的探伤应用中是非常重要的。 ( 3 ) 超声波用起来很安静，人们昕不到它。这一点在高强度工作场合尤为霞要。 然而遗憾的是，可闻声波工作时所产生的噪声令人难以忍受，有时甚至是对人体 有害的。 2 2 4 超声波分类 超声波的应用被严格地区分为低强度应用和高强度应用两类。在低强度应用 类中，超声波或是用来研究试样材料的特性，或是用来作为控制手段。绝大多数 情况是被测材料本身经受不起结构上的持久变形或经受不起化学特性上的变化， 而采用低强度超声波作为测试手段的。许多低强度应用场合中所用的超声波，其 频率的范围则较宽，一般可从数微瓦到数+ 毫瓦。在高强度应用类中，超声波通 常是用来改变它所通过的物质的性质。高强度应用几乎总是在低频的情况下进行 的，通常就把工作频率选在刚好高出可闻声频的上限处，而其声功率则可以从几 毫瓦至上千瓦。 22 5 超声换能器 发射或接收超声的器件叫超声换能器。换能的含义是把一种形式的能量，如 声、光、电、热等形式之一，转换成另种形式。超声换能器所转换的对象显然 足超声，并不是所有发射或接收超声的设备都形成专用的器件，从而形式超声换 能器。另一方面，有些种类的换能器既可产生超声，又可不加改变而接收超声； 我们称这类换能器为可逆换能器。严格讲，可逆性要求任方向的能量转换是等 效率的，但有些叫做可逆的超声换能器只是近似地满足这个条件。 压电换能器是目前最常用的可逆超声换能器，它在发射和接收中都占有独特 的地位，有些种类的单晶体具有压电性，就是说，当这些晶体沿一定的方向受压 强作用，或作长度变化时，会在表面产生数量上成比例的束缚电荷。这此单晶体 有一个共同的特征，便是结构上没有对称中心。压电超声换能器是利用压电材料 的压电效应制成的，极化后的电材料在外加电场作用下会发生机械形变，这称为 逆压效应，反之，压电材料的机械形变也会产生电压，这称为正压电效应。利用 逆压电效应，可以把高频电压转换为离频机械振动，从而产生超声；同样利用正 压电效应可以把接收到的超声波振动转换成为电信号。这就是超声换能器的工作 原理。 磁致伸缩换能器，这种换能器所依据的是磁致伸缩效应，严格讲，是纵向磁 致伸缩效应，因为在强磁场中还有一种体积磁致伸缩效应。磁致伸维的逆效应也 是成立的，就是说，当铁磁体发生形变时，它的自发磁化强度会发生变化。实用 中，较少用磁致伸缩换能器来接收超声。 表面看来，磁致伸缩换能器和压电换能器很相似，虽然后者是受交变电场的 作用，而前者则受交变磁场的影响。但二者的一个根本差异在于，压电体的伸缩 和电气方向相关，而磁致伸缩体的伸缩与磁场的方向无关。和电场的方向相关， 而磁致伸缩体的伸缩与磁场的方向无关 通过以上几种液体密度测量方法的比较不难看出，使用超声波测量液体密度 有相当的优势，所以我们使用这种方法测量电解液密度，我们选用的换能器是压 电式的超声换能器。 2 3 超声波密度采集的实现 如图2 i 所示，为国外的一些专家研究的超声波在电解液中传播速度随温度 变化的关系曲线，这种关系是一种非线性关系。这样一束，对我们提出了两方面 要求：其一，漫度耱嫠：蒸二，赣缓瞧关系懿软 譬实理。 2 3 1 激度补偿 2 3 1 1 为什么需要补偿? 瘩黼2 1w 知，相同彀解密度下，溢度不丽，超声波传输的速度擞不胡阕， 襞鞋黉豢遴抒潼凌享 嫠。 2 3 1 2 激度补偿的方法 酋选，将测温元件安黻在与超声换能嚣棚问的水平线上，如圈1 ，5 所示，日 的是馒测蹩的温度值接近越声波传输环境的温艘。然后，根据测得的温度找到相 痘熬藏绫，这撵趣声声速逛释滚密蹙之阕簸畿了一对一豹关系，扶露蓑较终实 现更为篇单。 雠t 5 8 0 r 一 瓣l 羹l s f ，o i 鬻 “l 竺l 一一 峨_ _ ”f 。 ，。 堡呈一一。 ，一 l v j 1 2 5 1 3 电解 葭密艘 圈2 1 超声波速度与电解澈姆魔之间的关系 f i g 2 1 t h e r o l a d o n b e t w e e n v e l o c i t y o f u l t r a s o n i c a n dd e n s i t y o f e l e c t r o