锂电池电压检测装置设计.doc

毕业设计（论文）锂电池电压检测装置设计院 别控制工程学院专业名称测控技术与仪器班级学号 学生姓名 指导教师 2012年6月15日 毕业设计（论文） 第 67 页锂电池电压检测装置设计摘 要本文设计了一套备用锂电池组自动检测控制装置，自动监测16节锂电池的单体电压及串联总电压。当单节电池电压高于3.8V时，控制逆变一体机关断充电；当单节电池电压低于2.6V时，控制逆变一体机关断放电。通过触摸屏显示电池参数与监控信息，触摸屏显示各个电池电压及总电压,可以设定电池的充电开始时间与结束时间,显示逆变一体机的工作参数与工作状态。最后实现锂电池在充电与放电过程中，控制系统对各个电池电压进行监测。锂电池在电动汽车与储能产品中有着广泛的应用。该装置由触摸屏、控制器、逆变一体机及电压采集装置组成，运用检测与转换技术、显示技术、电器控制技术、单片机原理与接口技术等相关知识，具有精度高、对锂电池组影响小、体积小等优点。可保证电池电压在充电时不过充、放电时不过放，以延长锂电池的使用寿命，应用于电动车及锂电池储能系统等领域。关键词：锂电池组，电池电压检测，C8051F021单片机Lithium battery voltage detection device designAbstractThis paper has designed a spare lithium batteries automatic detection control device , automatic monitoring 16 series lithium battery cell voltage and total voltage .When the cell voltage is higher than 3.8V , the control Inverter authorities off charge ; when single battery voltage is lower than 2.6V , the control Inverter turned off discharge . Battery parameters and monitoring information through the touch screen , touch screen display voltage and total voltage of each battery , you can set the battery charging start time and end time, showing the operating parameters of the inverter one machine working condition . Finally realize the lithium battery in the charging and discharging process , the control system to carry out monitoring of each battery voltage .Lithium battery has a wide application in electric vehicles and energy storage products .The device consists of a touch screen controller , inverter one machine and voltage acquisition device , the use of detection and conversion technology, display technology, knowledge of electrical control technology, SCM principles and interface technology , with high accuracy , the lithium battery pack advantages of small size .To ensure that the battery voltage while charging sufficient, however , put in the discharge , however , to extend the life of lithium batteries used in electric vehicles and lithium battery energy storage systems and other fields .Key Words: lithium battery pack, battery voltage detection, C8051F021 microcontroller目 录1 绪 论11.1 课题研究的意义背景，国内外研究现状及研究方法11.1.1 研究的背景与意义11.1.2 国内外发展现状21.1.3 课题的研究内容32 锂电池特性研究与总体方案设计52.1 锂电池充放电特性研究52.1.1 锂电池特性52.1.2 锂电池充放电特性52.1.3 锂电池充放电特性曲线72.2 电池组电压检测方法82.2.1 几种高压锂离子电池组的充放电方法比较82.2.2 多路电池电压检测控制装置112.3 监控系统组成框图112.3.1 主从式电池组电压监控系统组成112.3.2 组成说明123 硬件电路选型与电路设计143.1 多路电压信号的检测、转换与采集143.2 单片机的选型143.2.1 C8051F021的结构特点143.2.2 C8051F021引脚功能163.3 单片机与触摸屏接口电路183.3.1 MAX3232简介183.3.2 接口电路203.3.3 电池电压检测触摸屏画面制作说明203.4 单片机与逆变机接口电路253.4.1 控制逆变一体机简介253.4.2 功能特点263.4.3 逆变充电一体化电源技术要求263.5 单片机与程序下载接口274 软件设计与装置调试284.1 单片机控制程序设计284.1.1 软件系统平台284.1.2 软件流程图304.2 触摸屏程序设计314.2.1 主页部分功能实现方法314.2.2 单体电池电压监测功能实现方法334.2.3 本机工作状态部分实现方法354.2.4 电池充放电控制功能实现方法364.2.5 实时趋势图374.3 常见故障及其排除方法37结 论39致 谢40参考文献41附 录43附录A43附录B52附录C531 绪 论1.1 课题研究的意义背景，国内外研究现状及研究方法1.1.1 研究的背景与意义锂电池是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。锂电池通常有两种外型：圆柱型和方型。电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由钴酸锂（或镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等）及铝箔组成的电流收集极。负极由石墨化碳材料和铜箔组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液1。另外还装有安全阀和PTC元件（部分圆柱式使用），以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。单节锂电池的电压为3.7V（磷酸亚铁锂正极的为3.2V），电池容量也不可能无限大，因此，常常将单节锂电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。最早得以应用的是锂亚原电池，用于心脏起搏器中。由于锂亚电池的自放电率极低，放电电压十分平缓。使得起搏器植入人体长期使用成为可能。锂锰电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源，广泛用于计算机、计算器、手表中。现在，锂离子电池大量应用在手机、笔记本电脑、电动工具、电动车、路灯备用电源、航灯、家用小电器上，可以说是最大的应用群体。为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究。从而制造出前所未有的产品。比如，锂二氧化硫电池和锂亚硫酰氯电池就非常有特点。它们的正极活性物质同时也是电解液的溶剂。这种结构只有在非水溶液的电化学体系才会出现2。所以，锂电池的研究，也促进了非水体系电化学理论的发展。除了使用各种非水溶剂外，人们还进行了聚合物薄膜电池的研究。锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，邮电通讯的不间断电源，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力。锂电现在被广泛应用于电动车行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业的发展和应用。随着锂离子电池技术的发展，锂离子电池越来越多地被用于动力、储能等众多新能源领域3。而在这些应用中，需要把几十甚至上百个单体电池串联起来以达到所需的电压，为了保证电池组的正常工作，需要对锂离子电池进行安全管理。锂电池组中单体电池电压、电池温度、总电流的实时监控是安全管理的重要基础。电池温度和总电流的检测相对比较简单，温度检测可以采用热敏电阻或者数字温度传感器检测，总电流检测可以采用霍尔电流传感器或者分流电阻检测4。而电池组单体电池电压的检测，由于电池两端共模电压的存在，不能直接对电池电压进行直接采样，需要采取其他手段来检测。1.1.2 国内外发展现状锂电池是20世纪90年代发展起来的新一代二次电池，相比于同样在当时应用广泛的镍镉，镍氢电池，锂离子电池因其高能量密度，低自放电率，循环使用次数多，无记忆效应，绿色无污染的优良性能而得到了迅速的发展和广泛的应用，现已广泛应用于移动电话，笔记本电脑等便携式电子产品上。随着电子设备日益的精密化，更加准确的电池剩余容量以及使用时间的检测显得更为重要。就当前常用的检测方法来看，测量数据对电池电量结果提供的信息不够准确和全面，忽视温度的影响以及电池老化因素的考量也让电量检测的准确性大大的降低，不能达到预期的设想。传统测量技术主要采用测量电压和库伦计算算法为基础，由于低成本和设计简单，以电压为基础的设计在手持移动设备中得到了普遍应用。但这种方法随时间推移，电池阻抗变化，温度影响，动态负载条件的改变可致使误差高达50，库伦测量方法难以精确的模拟白放电，缺乏周期性满循环校准，也会造成较大误差5。锂离子电池组单体电压检测的难点在于如何消除单体电压两端的共模电压以及减小检测电路对电池的影响。目前锂离子电池组单体电压检测方法有以下几种：1、飞电容法，该方法由一个开关阵列、飞电容、电压跟随电路组成。检测时，首先通过开关阵列让电容与电池连接，使电容充电，然后断开开关，并使电容与电压跟随电路连接，对电压跟随电路输出的电压进行采样，即可得到电池电压。这种方法对电池影响较小，精度也比较高。当电池数量较少时，可以采用普通的模拟开关，如CD405x系列。然而当电池数量较多时，超出了模拟开关的输出范围，可以采用继电器做为开关，但是受继电器的开关速度和寿命影响，造成检测速度慢，而且继电压动作的时候有噪声。另外也可以采用光电MOS继电器，但由于需要的MOS继电器数量较大，所以成本较高6。2、电阻分压法，也称为共模电压法，电阻分压法的基本思想是使用精密电阻网络对每一个电池的正极电压进行分压，通过AD采样之后，把结果逐一相减，即得到每一个电池的电压。受电阻精度影响，这种方法精度比较低，而且容易产生累积误差。AD采样的分辨率因为电阻分压而降低。另外由于电阻网络造成串联电池组中每个电池的静态电流不一样，长期下去对电池组的一致性影响比较大。一般用于对成本低、精度要求低的情况下7。3、差模电压法，一般采用运放消除电池两端的共模电压，这种方法目前用的比较多，该方法只能用于电池数量较少的情况下，且存在漏电流和电阻匹配的问题，对电池有一定的影响。如果在前端加入光电继电器势必会增加成本。如果采用大量的光电继电器，成本较高8。4、分立器件法：文献是一种利用分立器件构建的电压电流转换电路，该方法存在三极管参数匹配和温漂等问题，精度比较差9。本论文的系统设计较好的克服了上述的缺点，通过测量电流作为积分判断，设计的自学习机制也充分考虑了阻抗变化和无负载化学满容量变化的老化效应，并综合考虑了温度的影响，实现了锂离子电池电量的估测误差不超过1。1.1.3 课题的研究内容锂电池在电动汽车与储能产品中有着广泛的应用。锂电池在充电与放电过程中，需要控制系统对各个电池电压进行监测，以保证电池电压在充电时不过充、在放电时不过放。以延长锂电池的使用寿命。本文设计了一套控制装置，自动监测16节锂电池的电压及串联总电压。当单节电池电压高于3.8V时，控制逆变一体机关断充电；当单节电池电压低于2.6V时，控制逆变一体机关断放电。通过触摸屏显示电池参数与监控信息。1、触摸屏显示各个电池电压及总电压2、可以设定电池的充电开始时间与结束时间3、显示逆变一体机的工作参数与工作状态。2 锂电池特性研究与总体方案设计2.1 锂电池充放电特性研究2.1.1 锂电池特性锂电池能量比较高，具有高储存能量密度，已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；高低温适应性强，可以在-20-60的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45环境下使用；绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质；生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利10。但是，锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险；钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差；锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电；生产要求条件高，成本高。锂电池具有高能量密度、高电压、无污染、不含金属锂、循环寿命高、无记忆效应、快速充电等特征。2.1.2 锂电池充放电特性锂离子电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止。锂电池充电器的基本要求是特定的充电电流和充电电压，从而保证电池安全充电。增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命，简化充电器的操作，其中包括给过放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关断充电器、电池部分放电后自动启动充电等。锂电池的充电方式是限压恒流，都是由IC芯片控制的，典型的充电方式是：先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流的1/10，电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为 4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束11。阶段1：涓流充电涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电，涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例，则涓流充电电流为100mA)，阶段2：恒流充电当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V.阶段3：恒压充电 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.01C时，认为充电终止。（C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA。）阶段4：充电终止有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。上述四阶段的充电法完成对完全放电电池的充电约需要2.5至3小时。高级充电器还采用了更多安全措施。例如如果电池温度超出指定窗口(通常为0至45)，那么充电会暂停。充电结束后，如检测到电池电压低于3.89V将重新充电。对电池来说，正常使用就是放电。锂电池放电只需要注意很少的几点：第一，放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害。在手机上，这个倒是没有问题的，可以不考虑。第二，绝对不能过放电！锂电池最怕过放电，一旦放电电压低于2.7V，将可能导致电池报废。好在手机电池内部都已经装了保护电路，电压还没低到损坏电池的程度，保护电路就会起作用，停止放电。电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。所以，一般情况下电池大负荷工作后，减少负荷会出现电压回升现象，就是所说的“回电”现象12。2.1.3 锂电池充放电特性曲线锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1%。目前使用比较普遍的是额定电压3.7V的电池，该电池的充电终止电压为4.2V， 那么允许的误差范围就是0.042V。锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电模式。充电开始为恒流阶段，电池的电压较低，在此过程中，充电电流稳定不变。随着充电的继续进行，电池电压逐渐上升到4.2V，此时充电器应立即转入恒压充电，充电电压波动应控制在1%以内，充电电流逐渐减小。当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段。涓流充电也称维护充电，在维护充电状态下，充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态13。图2.1为锂电池充电曲线图。图2.1 锂电池的充电曲线图锂离子电池的放电特性曲线如图2.2所示。锂电池放电时，一是放电电流不能过大，过大的电流会导致内部发热，有可能会造成永久性的伤害。二是电池电压不能低于放电终止电压后，若仍然继续放电，将产生过放现象，这也会造成电池永久性损坏。不同的放电率下，电池电压的变化有很大的区别。放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低。采用0.2放电速率，单体电池电压下降到2.75V时，可放出额定容量。采用1C放电速率时，能够放出额定容量的98.4%14。图2.2 锂电池的放电曲线图2.2 电池组电压检测方法2.2.1 几种高压锂离子电池组的充放电方法比较锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，是一种理想电源。在实际使用中，为了获得更高的放电电压，一般将至少两只单体锂离子电池串联组成锂离子电池组使用。目前，锂离子电池组已经广泛应用于笔记本电脑、电动自行车和备用电源等多种领域。因此如何在充电时将锂离子电池组使用好显得尤为关键，现将锂离子电池组常用的几种充电方法试述如下：1、普通的串联充电。目前锂离子电池组的充电一般都采用串联充电，这主要是因为串联充电方法结构简单、成本低、较容易实现。但由于单体锂离子电池之间在容量、内阻、衰减特性、自放电等性能方面的差异，在对锂离子电池组串联充电时，电池组中容量最小的那只单体锂离子电池将最先充满电，而此时，其他电池还没有充满电，如果继续串联充电，则已充满电的单体锂离子电池就可能会被过充电。而锂离子电池过充电会严重损害电池的性能，甚至可能会导致爆炸造成人员伤害，因此，为了防止出现单体锂离子电池过充电，锂离子电池组使用时一般配有电池管理系统（Battery Management System，简称BMS），通过电池管理系统对每一只单体锂离子电池进行过充电等保护。串联充电时，如果有一只单体锂离子电池的电压达到过充保护电压，电池管理系统会将整个串联充电电路切断，停止充电，以防止这只单体电池被过充电，而这样会造成其他锂离子电池无法充满电。另外，虽然有些电池管理系统带有均衡功能，但由于从成本、散热、可靠性等多方面考虑，电池管理系统的均衡电流一般远小于串联充电的电流，因此均衡效果不是很明显，也会出现某些单体电池充不满电的情况，这对于需要大电流充电的锂离子电池组，例如电动汽车用的锂离子电池组而言则更为明显。例如，将100只放电容量都为100Ah的锂离子电池串联起来组成电池组，但如果成组前其中99只单体锂离子电池荷电80Ah，另外1只单体锂离子电池荷电100Ah，将此电池组进行串联充电时，其中荷电100Ah的那只单体锂离子电池会先充满电，从而达到过充保护电压，为了防止这只单体锂离子电池被过充电，电池管理系统会将整个串联充电电路切断，也就使得其他99只电池无法充满电，从而整个电池组放电容量也就只有80Ah。一般电池厂家出厂时测试容量时是将单体电池先恒流充电再恒压充电，然后恒流放电从而测出放电容量。一般放电容量约等于恒流充电容量加上恒压充电容量。而实际电池组串联充电过程中对单体电池而言一般没有恒压充电过程，所以恒压充电容量就会没有，电池组容量就会小于单体电池容量。而一般充电电流越小，恒压充电容量比例越小，电池组损失容量越小，因此又发展出了电池管理系统和充电机协调配合串联充电的模式。2、电池管理系统和充电机协调配合串联充电电池管理系统是对电池的性能和状态了解最为全面的设备，所以将电池管理系统和充电机之间建立联系，就能使充电机实时地了解电池的信息，从而更有效地解决电池的充电时产生一些的问题。电池管理系统和充电机协调配合充电模式的原理为：电池管理系统通过对电池的当前状态（如温度、单体电池电压、电池工作电流、一致性以及温升等）进行监控，并利用这些参数对当前电池的最大允许充电电流进行估算；充电过程中，通过通信线将电池管理系统和充电机联系起来，实现数据的共享。电池管理系统将总电压、最高单体电池电压、最高温度、温升、最大允许充电电压、最高允许单体电池电压以及最大允许充电电流等参数实时地传送到充电机，充电机就能根据电池管理系统提供的信息改变自己的充电策略和输出电流。当电池管理系统提供的最大允许充电电流比充电机设计的电流容量高时，充电机按照设计的最大输出电流充电；当电池的电压、温度超限时，电池管理系统能实时检测到并及时通知充电机改变电流输出；当充电电流大于最大允许充电电流时，充电机开始跟随最大允许充电电流，这样就有效地防止了电池过充电，达到延长电池寿命的目的。充电过程中一旦出现故障，电池管理系统可以将最大允许充电电流设为0，迫使充电机停机，避免发生事故，保障充电的安全。在该充电模式下，既完善了电池管理系统的管理和控制功能，又能使充电机根据电池的状态，实时地改变输出电流，达到防止电池组中所有电池发生过充电以及优化充电的目的，电池组的实际放电容量也要大于普通的串联充电方法，但是这种方法还是解决不了电池组中某些电池充不满电的问题，特别是当电池组串数多、电池一致性差、充电电流较大时。3、并联充电为了解决电池组中某些单体电池过充和充不满电的问题，又发展出了并联充电的办法。但是并联充电方法需要采用多个低电压、大电流的充电电源为每一只单体电池充电，存在充电电源成本高、可靠性低、充电效率低、连接线径粗等缺陷，因此目前没有大范围使用这种充电方法。4、串联大电流充电加小电流并联充电由于上述三种充电方法都存在一定的问题，发展出一种最适合高电压电池组，特别是电动汽车电池组的充电方法，即采用电池管理系统和充电机协调配合串联大电流充电加恒压限流的并联小电流充电的模式。此充电方法有如下特点：(1) 由于此系统的BMS具有防止过充电的功能，从而保证电池不会出现过充电的问题。当然如果BMS不能与并联充电电源进行通信和控制，由于并联充电电源的恒压值一般与锂离子电池组中单体锂离子电池充满电时的电压值相同，所以也不会出现过充电的问题。(2) 由于可以进行并联充电所以不需要可靠性低，成本相对较高的均衡电路，并且充电效果要好于只带均衡电路的串联充电方法，并且其维护管理也简便易行。(3) 由于串联充电的最大电流远大于并联充电的电流（一般5倍以上），从而可以保证在较短的时间充进去较高的容量，从而发挥出串联充电的最大效果。(4) 充电时串联充电与并联充电的顺序以及并联充电电源的数量可以灵活掌握，可以同时进行充电；可以串联充电结束后再进行并联充电；也可以用一个并联充电电源根据电池组中电压的情况给电压最低的电池进行轮流充电。(5) 随着技术的发展，并联充电电源可以为非接触性充电电源（无线充电电源）或太阳能电池电源，从而使并联充电变得简单。(6) 当锂离子电池组中单体锂离子电池数目较多时，可以将锂离子电池组分成数个锂离子电池组模块，对每个锂离子电池组模块采用BMS和充电机协调配合串联大电流充电与恒压限流的并联小电流充电相结合的方式进行充电。其主要目的是减少电池组中串联电池数量较多时，单体电池之间一致性相对更差，从而导致BMS和充电机协调配合的充电方法的充电效果差的缺点，以便发挥出BMS和充电机协调配合充电模式的最大效果。这种方法特别适合高电压电池组是由可快速更换的低电压（例如48V）电池模块系统组成的电池系统，这样就可以在电池更换站或充电站进行并联充电或修复（一般的用户平时充电时可以不用并联充电），并由专人根据实际情况进行分选和重新配组。总之，这种采用电池管理系统和充电机协调配合串联大电流充电加恒压限流的并联小电流充电的充电方法可有效解决锂离子电池组串联充电易出现的过充电、充不满电等问题，且可避免并联充电的充电电源成本高、可靠性低、充电效率低、连接线径粗等问题，是目前最适合高电压电池组，特别是电动汽车电池组的充电方法。2.2.2 多路电池电压检测控制装置本文设计了一套控制装置，自动监测16节锂电池的电压及串联总电压。当单节电池电压高于3.8V时，控制逆变一体机关断充电；当单节电池电压低于2.6V时，控制逆变一体机关断放电。通过触摸屏显示电池参数与监控信息。并包括以下功能：1、触摸屏显示各个电池电压及总电压2、可以设定电池的充电开始时间与结束时间3、显示逆变一体机的工作参数与工作状态。2.3 监控系统组成框图2.3.1 主从式电池组电压监控系统组成温度传感器蓄电池组控制器风扇蜂鸣器逆变一体机触摸屏PC机编程器电源开关图2.3 监控系统组成框图2.3.2 组成说明控制器与外围设备通过接线端子及串行通信线连接，做到紧凑接线方便。系统分为5部分，即电源、控制器、输入部分、输出部分、通信部分。1、电源部分控制器电源取自蓄电池组电源总电压，通过控制开关电源电压输入到控制区内DC-DC电源转换模块，由电源模块转换为控制器内所需要的电压。2、控制器部分以DSP单片机为核心，编程实现系统功能。包括CPU、存储器、逆变机通信电路、触摸屏通信电路、PC机通信电路、电压采集处理电路、温度采集处理电路、风扇控制电路、声光报警控制电路、程序烧写电路等。3、输入部分包括蓄电池组与温度传感器。温度传感器为监测电池组实时温度。蓄电池组为控制器提供电源电压及检测电压。4、输出部分包括蜂鸣器及风扇，当温度超限时动作。5、通信部分包括PC机、逆变机、触摸屏通信。与PC机通信，旨在将存储在I2C中充电过程电池组单体电池电压传输到PC中，做为历史数据及曲线保存，作为分析电池组电池性能的依据。与逆变机通信，可扩展逆变机充放电过程及读取逆变机参数及状态。触摸屏做为人机接口设备，控制器与触摸屏通信，实现电池组电压、温度、逆变机参数与状态的监控，逆变机充放电过程的自动控制。3 硬件电路选型与电路设计3.1 多路电压信号的检测、转换与采集当单体电池电压最高为3.8V时，16路电池电压经过分压电阻，转换为输出电压低于2.44V电压。为了保证检测电路不消耗电池能量，分压电阻选用高阻值电阻。16路分压输出经过电压跟随器，将高阻抗输出转换为低阻抗输出。16炉电压跟随器输出电压送到16选1多路转换开关，单片机控制4条译码线，分时将16通道电压值送入单片机内置A/D转换器，进行数据采集、处理。为了保证A/D转换器转换精度，A/D转换器参考电源采用内置参考电源，标准值为2.44V。3.2 单片机的选型3.2.1 C8051F021的结构特点C8051F021是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，芯片上有32位数字I/O端口（引脚），与标准8051的端口（P03）相同。C8051F021在功能上有所增强，每个I/O端口都可被配置为ADC的模拟输入，所以最多有32个模拟输入，这为一些低功耗系统设计提供了节省电源的手段，而其最突出优点就是改进了可以控制片内数字资源与外部I/O引脚相连的交叉开头网络。通过设置交叉开关控制寄存器，将人的数字资源输入输出配置为端口I/O引脚，这就允许用户根据自己的特定应用将通用I/O端口与所需数字资源相结合15。C8051F021具有双串口、多中断源、低功耗、高速度、低电压工作（3.3V）、高容量存储器等特性，这些特性满足本终端核心处理器的要求：低功耗、集成度高、可扩展性好等。C8051中集成了完善的各种中断源，用户可十分方便地控制和使用其功能，使得它的应用范围加大，可以说它可以满足绝大部分的应用场合。C8051F021功能框图如图3.1所示。图3.1 C8051F021功能框图主要特点详细叙述如下：1、模拟外设(1)逐次逼近型ADC 12位 可编程转换速率，最大100ksps； 可多达8个外部输入，可编程为单端输入或差分输入； 内置温度传感器(3)。(2)8位ADC 可编程转换速率,最大500ksps； 8个外部输入；(3)两个12位DAC 可以同步输出，用于产生无抖动波形。(4)两个模拟发生器 16个可编程回差电压值； 可用于产生中断或复位。(5)电压基准 内部基准(2.4V)2、高速8051微控制内核 流水线指令结构； 70指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期； 速度可达25MIPS(时钟频率为25MHZ时)；3、存储器 4352B内部数据RAM(4KB+256KB)； 64KB FLASH存储器,可以在系统编程,每个扇区为512B； 外部64KB数据存储器接口(可编程为复用方式或非复用方式)。4、数字外设 4个8位的端口I/O，所有口线均耐5V电压； 5个通用16位计数器/定时器； 专用的看门狗电路。5、时钟源 内部可编程振荡器：216MHZ；，有双串口、多中断源、低功耗、高速度、低电压工作（3.3V）、高容量存储器等特性，这些特性满足本终端核心处理器的要求：低功耗、集成度高、可扩展性好等。C8051中集成了完善的各种中断源，用户可十分方便地控制和使用其功能，使得它的应用范围加大，可以说它可以满足绝大部分的应用场合。3.2.2 C8051F021引脚功能C8051F021单片机有64条引脚封装。各引脚功能简介如下，1、并行I/O口引脚C8051F共有4个并行I/O口端口，每个端口都有8条引脚线，用于传送数据地址。由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上有很大的差别。P0.7P0.0：P0口共有8条引脚，其中P0.7为最高位，P0.0位最底位。P0口既可作地址/数据复用总线使用，又可作为双向通用的I/O口使用。当CPU访问外存储器时，P0.x口先作底8位地址总线，后作双向数据总线。P1.7P1.0：P1口作为通用I/O口使用，用于传送用户的输入/输出数据。P2.7P2.0：P2口是一个8位准双向I/O接口。P2口既可作为通用I/O口使用，也可与P0口相配合，作为片外存储器的高8位地址总线，输出高8位地址，使P2和P0口一起组成一个16位片外存储单元地址。 P3.7P3.0：P3口是一个多功能接口。P3口除可作为一般准双向I/O接口外，每个引脚还具有第二功能。2、控制引脚ALE/（50脚）：地址锁存允许/编程引脚。当8051上通电正常工作时，自动地在ALE/线上输出频率为fosc/6的脉冲序列；ALE配合P0口，使之成为分时复用的地址/数据总线，当CPU访问片外存储器时，ALE/线输出一个高电位脉冲，把片外存储器的低8位地址锁存到外部专用地址锁存器上；当CPU不访问片外存储器时，该端也可以以1/6的时钟震荡频率固定输出脉冲，因此可作为系统其他芯片的时钟。 RST：复位/备用电源信号引脚。当震荡器工作时，在该引脚输入端保持两个机器周期的高电平将使8051完成复位操作。RST的第二功能是作为备用电源输入端。当主电源输入端。当主电源Vcc发生故障而降低到规定低电平时，RST线上的备用电源自动接入，以保证RAM中信息不丢失。3、时钟引脚（2条） XTALL1（17脚）：接外部晶体的一端。在单片机内部，它是振荡电路反相放大器的输入端。这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，该引脚必须接地。 XTALL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，它是振荡电路反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。3.3 单片机与触摸屏接口电路采用双串行通信接口单片机C8051F021，其中通信接口0与触摸屏通信，通信接口1与逆变机通信。通信方式采用异步通信方式，通过MAX3232通信芯片将单片机TTL电平转换为232电平。通信接口电路传输线只有发送TX、接收RX和地线GND。3.3.1 MAX3232简介采用专有低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能，器件仅需四个0.1uF的外部小尺寸电荷泵电容。MAX3232确保在120kbps数据速率，同时保持RS-232输出电平。MAX3232具有二路接收器和二路驱动器，提供1uA关断模式，有效降低功效并延迟便携式产品的电池使用寿命。关断模式下，接收器保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗1uA电源电流，MAX3232的引脚、封装和功能分别与工业标准MAX242和MAX232兼容。即使工作在高数据速率下，MAX3232仍然能保持RS-232标准要求的正负5.0V最小发送器输出电压。只要输入电压在3.0V至5.5V范围以内，即可提供+5.5V（倍压电荷泵）和5.5V（反相电荷泵）输出电压，电荷泵工作在非连续模式，一旦输出电压低于5.5V，将开启电荷泵；输出电压超过5.5V，即可关闭电荷泵，每个电荷泵需要一个飞容器和一个储能电容，产生V+和V-的电压。MAX3232在最差工作条件下能够保证120kbps的数据速率。通常情况下，能够工作于235kbps数据速率，发送器可并联驱动多个接收器和鼠标16。MAX3222/MAX3232/MAX3237/MAX3241收发器采用专有的低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能。器件仅需四个0.1F的外部小尺寸电荷泵电容。MAX3222、MAX3232和MAX3241确保在120kbps数据速率下维持RS-232输出电平。MAX3237在正常工作模式下可确保250kbps的数据速率，MegaBaudTM工作模式下保证1Mbps的速率，同时保持RS-232输出电平17。MAX3222/MAX3232具有2路接收器和2路驱动器。MAX3222提供1A关断模式，有效降低功耗并延长便携式产品的电池使用寿命。关断模式下，接收器保持有效状态，对外部设备(例如调制解调器)进行监测，仅消耗1A电源电流。MAX3222和MAX3232的引脚、封装和功能分别与工业标准的MAX242和MAX232兼容18。1、详细说明双电荷泵电压转换器：MAX3222/MAX3232/MAX3237/MAX3241的内部电源由两路稳压型电荷泵组成，只要输入电压(VCC)在3.0V至5.5V范围以内，即可提供+5.5V (倍压电荷泵)和-5.5V (反相电荷泵)输出电压。电荷泵工作在非连续模式，一旦输出电压低于5.5V，将开启电荷泵；输出电压超过5.5V时，即刻关闭电荷泵。每个电荷泵需要一个飞电容(C1、C2)和一个储能电容(C3、C4)，产生V+和V-电压。RS-232发送器：发送器为反相电平转换器，将CMOS逻辑电平转换成5.0VEIA/TIA-232电平。MAX3222/MAX3232/MAX3241在最差工作条件(3k电阻与1000pF电容的并联负载)下能够保证120kbps的数据速率，提供PC至PC通信软件(例如LapLinkTM)兼容性。通常情况下，这三款器件能够工作于235kbps数据速率。发送器可并联驱动多个接收器或鼠标。器件处于关断模式时，MAX3222/MAX3237/MAX3241输出级关断(置为高阻)。关闭电源时，MAX3222/MAX3232/MAX3237/MAX3241允许输出端驱动至最高12V。发送器输入没有上拉电阻，将未使用的输入连接至GND或VCC。2、应用信息（1）电容选择：C1至C4所使用的电容类型对于正常工作影响不大，可以使用有极性或无极性电容。3.3V供电时，电荷泵需要0.1F电容。增大电容值(例如增大2倍)有助于降低发送器输出的纹波，并对降低功耗略有帮助。可以不改变C1，只是增大C2、C3和C4。但是，请勿在C2、C3和C4没有增大的情况下增大C1，需维持这些电容之间的适当比值(C1相对于其它电容)。如果使用了所要求的最小电容，请确保电容值不会随着温度的变化而出现明显的下降。如果不能确保这一条件，请使用具有较高标称值的电容。电容等效串联电阻(ESR)通常在低温下增大，它会影响V+和V-的纹波。（2）电源去耦：大多数情况下，使用一个0.1F旁路电容即可满足要求。在对电源噪声敏感的应用中，采用与电荷泵电容C1相同的电容将VCC旁路到地，进行去耦。旁路电容应尽量靠近IC放置。（3）工作在最低2.7V：当电源电压低至2.7V时，发送器输出仍可满足EIA/TIA-562要求的3.7V电平。（4）退出关断模式时发送器的输出：当两路发送器输出有效时，发送器输出与RS-232电平反相的信号(一路发送器输入为高电平，另一路为低电平)。每个发送器负载为3k电阻并联2500pF电容。退出关断模式时，发送器输出显示没有振铃，也不存在所不希望的瞬变电压。注意，只有在V-幅值超过3V左右时，才会使能发送器19。3.3.2 接口电路图3.2 单片机与触摸屏及逆变机接口电路3.3.3 电池电压检测触摸屏画面制作说明1、主页用滚动条反映电池充电与放电的过程用柱状图反映总电池电量变化情况用柱状图反映输出负载率的变化情况图3.3 触摸屏主页2、功能菜单按下功能键，散转到对应功能画面。图3.4 功能选择3、单体电池电压监测用柱状图及数值显示画面显示16只蓄电池电压情况及总电压情况。最低电压2.60V，最高电压3.65V。(电压上下限值可根据需要调整)。图3.5 功单体电池电压监测画面4、本机工作状态显示逆变一体机6个工作参数及7个工作状态。故障时，指示灯变红。图3.6 本机工作状态5、电池充电控制控制逆变一体机进行电池充电。控制方式有手动控制与时间控制。充电时指示灯变红，停止充电，指示灯变绿。图3.7 电池充电控制6、电池放电控制控制逆变一体机进行电池放电。控制方式有手动控制与时间控制。放电时指示灯变红，停止放电，指示灯变绿。图3.8 电池放电控制7、实时趋势图通过实时曲线显示总电压与负载率的实时变化情况。图3.9 实时趋势图8、温度实时监测与设置画面显示电池组当前温度，设置电池组极限温度，风扇开启与关闭温度。加密码设置操作权限。密码（123456）图3.10 温度实时监测及设置画面9、电池电压上下限设置画面设置电池组总电压上下限与单体电压上下限。加密码设置操作权限。密码（123456）清零键将控制器I2C内存单元清零。图3.11 电池电压上下限设置画面10、系统设置触摸屏中自带功能。如声音开关、鼠标显示等。图3.12 系统设置画面3.4 单片机与逆变机接口电路采用通信接口1与逆变机通信。接线与通信方式同与触摸屏通信。需要注意一点的是波特率发生器使用的定时器与触摸屏使用的定时器需不同。3.4.1 控制逆变一体机简介1、采用模块化多CPU控制结构，结构清晰、灵活、可靠2、采用SPWM脉宽调制技术，输出为稳频稳压、失真度低的纯净正弦波3、电池电压过高或过低，逆变电源转旁路，如果电池电压恢复正常，逆变电源自动恢复输出4、负载过载，逆变电源关断