磷酸铁锂电池剩余电量计算系统设计.doc

磷酸铁锂电池剩余电量计算系统设计郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 磷酸铁锂电池剩余电量计 算系统设计 学生姓名 杨朝锋 专业班级 自动化07-2班 学 号 200701010248 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 赵志永 完成时间 2011年 06月05日 磷酸铁锂电池剩余电量计算系统设计摘 要磷酸铁锂电池自诞生以来便受到了人们的广泛关注，尤其是在动力电池领域，人们对其在电动汽车上的应用寄予了很大的期望。在电池工作过程中，如何有效精确的预测蓄电池剩余电量，对于检测电池的工作状态，维持系统的正常持续工作具有重要的意义。本设计介绍了一种用单片机计算预测磷酸铁锂电池剩余电量的方法。通过检测电池的输出电流，并使用积分法计算出电池已输出的电量，然后用电池总容量减去已输出电量，并用环境温度对计算结果进行补偿，最终得出电池当前的剩余电量，从而达到预测电池剩余电量的目的。另外，本设计还提供了磷酸铁锂电池的欠电压保护，当检测到电池电压低于某一限制时自动切断电路。本设计方案原理简单易于实现，并且具有较高的预测精度，有很高的使用价值。关键词 磷酸铁锂电池 剩余电量 积分法DESIGN OF CALCULATING REMAINING CAPACITY SYSTEM OF LITHIUM IRON PHOSPHATE BATTERYABSTRACTSince the birth of it, lithium iron phosphate has been widespread concern, especially in the field of power battery, its application in electric vehicles has placed great expectations. In the course of battery, how to accurately predict the battery remaining power is very important to test the working status of ongoing work of the battery and maintain the normal system.This paper introduces a method to predict remaining lithium iron phosphate capacity with single chip machine. By detecting the output current of the battery and use the integral method to calculate the battery power output, and then subtracting the total capacity of the battery output power, with the environment to compensate for temperature calculations, and ultimately come to the remaining battery charge current to achieve the goal of predicting remaining battery power. In addition, the paper also provides a lithium iron phosphate battery under voltage, when the detected battery voltage is below a certain limit it will automatically cut off the circuit. The design is simple in principle and easy to implement, and has higher accuracy and a high use value.KEY WORDS Lithium iron phosphate battery remaining capacity Ah integrationIII目 录摘 要IABSTRACTII 1 绪论12 磷酸铁锂电池22.1 磷酸铁锂电池简介22.2 磷酸铁锂电池的内部结构和工作原理32.3 剩余电量的影响因素42.4 方案论证42.5 本文方法的确定73 硬件电路设计83.1 剩余电量计算系统设计83.2 模拟量信号采集模块设计83.2.1 蓄电池工作电压采样电路设计83.2.2 蓄电池工作电流采样电路设计93.2.3 温度采样电路设计113.3 A/D转换模块设计123.4 中央处理模块设计153.5 输出显示模块设计173.6 磷酸铁锂电池剩余电量计算系统硬件电路图设计184 软件设计194.1 主程序流程图194.2 定时器0中断流程194.3 外部中断1流程205 总结21致谢22参考文献23附录1 硬件电路图24附录2 主程序流程图25附录3 源程序261 绪论磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，它具有容量大、寿命长、无污染等优点，现在应用的主要用途是动力电池。本文主要讨论磷酸铁锂电池在电动汽车中的应用情况。汽车行业是很多国家都在重点发展的支柱产业，目前还是以汽油和柴油为燃料的汽车为主。但是，汽油和柴油的原料石油却日渐短缺。以目前的消耗速度，再过40年，燃油汽车将进入历史博物馆，依赖于燃油汽车的全球交通运输业将完全瘫痪。不仅受能源的限制，燃油汽车还有一个最大的缺点就是排放有害物体，污染人类赖以生存的大气环境。人们的日常生活需要汽车，但不需要有害的汽车尾气，因此很多国家投入大量的人力物力来解决这个矛盾，虽然已经取得不少进展，但只能尽量减少有害的排放。随着经济的快速发展，人们对生活质量越来越重视，于是从环保、能源危机等角度出发，产生了对电动汽车的需求。提到电动汽车，就不得不说到蓄电池。目前，电动汽车所配置的电池主要包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。其中铅酸蓄电池是发展最成熟、最廉价的蓄电池，也是目前应用最广泛的蓄电池。但是它有比能量低、自放电率高、循环寿命低、使用成本高、会污染环境等缺点，将来必然不能满足人们的需求。而最新研制的磷酸铁锂电池正好弥补了这方面的不足，因而大有取代铅酸蓄电池的趋势。在不久的将来，相信磷酸铁锂电池必将成为电动汽车用的主要蓄电池。从20世纪90年代，美国通用汽车公司率先开发出的纯蓄电池电动汽车EVl，到今天，许多西方先进国家都开发过性能优异的电动汽车，而且已经达到了一般可用的标准。那么，时至今日，为何电动汽车依然没有普及呢？公认的阻碍就是蓄电池的问题。其中研究比较多的是蓄电池最关键的性能表征参数“容量”。研究和使用经验表明，只有保证蓄电池不发生过充、过放，才能有效保证蓄电池的性能，保证系统正常稳定工作。要保证不发生过度充电、放电，就必须实时地了解电池的“真实容量”和“荷电状态”，从而采取及时科学的控制策略。然而，蓄电池容量与使用条件密切相关，容量不是一个定值，随着使用条件的改变，蓄电池容量也会跟着改变。人们平时总是使用蓄电池壳上标注的容量，或是对新电池进行容量测试得到的值，作为长期不变的标准，这也是蓄电池应用中许多问题的根源。影响蓄电池容量的诸多因素都是非线性且复杂的，电池状态的确定问题，至今没有得到真正的解决。其中，剩余电量的确定问题是电池状态的确定问题中比较重要的一个方面。准确的计算预测出电池的剩余电量对于科学合理的使用蓄电池，提高系统运行可靠性和寿命等方面具有重要的意义。综上所述，磷酸铁锂电池剩余电量计算系统的研究，对于推动电动汽车产业的发展有着重要的意义。更进一步说，本课题无论是在应对全球能源短缺、气候变化还是在提高人们的生活水平方面都具有很重要的现实意义。2 磷酸铁锂电池2.1 磷酸铁锂电池简介随着科学技术的发展及电化学材料及工艺技术的进步，人们不断地研究、开发出新型电池材料及新型电池。继镍镉、镍氢可充电电池之后，在1991年开发出可充电的锂离子电池，1995年又推出性能更好的锂聚合物电池，到2002年，新型磷酸铁锂电池问世。磷酸铁锂电池的全名应是磷酸铁锂锂离子电池，由于这个名字太长，通常简称为磷酸铁锂电池。由于它的性能特别适于动力方面的应用，于是在名称中加入“动力”两字，即磷酸铁锂动力电池。也有人把它称为“锂铁(LiFe)动力电池”。目前用作锂离子电池的正极材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。这些组成电池正极材料的金属元素中，钴(Co)最贵，并且存储量不多，镍(Ni)、锰(Mn)较便宜，而铁(Fe)最便宜，正极材料的价格也与这些金属的价格一致。因此，采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。作为可充电电池的要求是：容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全(不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸)、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错，特别在大放电率放电(510C放电)、放电电压平稳上、安全上(不燃烧、不爆炸)、寿命上(循环次数)、对环境无污染上，它都是最好的，是目前最好的大电流输出动力电池2。2.2 磷酸铁锂电池的内部结构和工作原理磷酸铁锂电池的内部结构如图2-1所示。左边是橄榄石结构的磷酸铁锂作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳(石墨)组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。+-聚合物薄膜正极（铝箔）负极（铜箔）Li+FeO6PO4（磷化物）石墨电解质图2-1 磷酸铁锂电池内部结构图磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移，工作原理如下。室温下，LiFePO4的脱嵌Li行为实际是形成FePO4和LiFePO4的两相界面的两相反应过程。充电时，Li+从FeO6层面间迁移出来，经过电解液进入负极，发生Fe2+向Fe3+转变的氧化反应，为保持电荷平衡，电子从外电路到达负极；放电时，发生还原反应，与上述过程相反，即充电过程： (2-1)放电过程： (2-2)2.3 剩余电量的影响因素(1)放电电流随着放电电流的加大，电压下降加快，至终止电压的时间变短。(2)电解液温度在正常放电时，温度每上升1，容量增加约1；而大电流放电时，温度每上升1，容量增加约2。一般都是利用经验公式(电池厂家提供)进行温度修正。(3)循环使用次数根据电池的充放电机制，不难理解蓄电池在多次充放电循环后，实际能放出的全额电量肯定是要下降的。因此，在计算磷酸铁锂电池剩余电量必须要对满电电量Ct进行修正。2.4 方案论证针对蓄电池的剩余电量，国内外已经展开了许多研究。一类是从电池内部的电化学反应入手，分析影响蓄电池容量的正负极板、隔板等部件的材料特性，改变蓄电池内部构造，提高蓄电池的性能。另一类研究则从蓄电池外部工作参数入手，把电池作为一个“黑箱子”，通过测量电池的工作电压、电流、温度等参数，总结出一定规律和算法，从而估计蓄电池的剩余电量。由于外部参数比较容易测量到，而且这些参数与电池的剩余电量之间也是有一定规律性的，此类方法有很大优势，被多数研究者所采用。下面分别介绍目前基于电池电参数的容量预测方法。(1)放电实验法放电实验法是目前唯一最可靠的电池剩余电量估计方法。此法对负载电阻进行连续放电试验，放电过程中，调节负载电阻大小，维持放电电流的恒定，直至放电终止电压。根据恒定电流与时间的乘积，可以获得实际使用中全额电量值。国家标准中的“核对放电法”正是建立在放电实验法的基础上。(2)安时积分法此方法是目前应用非常频繁的方法，尤其是与其他方法配合使用中。该方法把蓄电池的容量Q以“Ah”为单位来计量的，通过充放电电流与时间的积分，求得比较精确的测量值。如果充放电的起始状态的电量为SOC0，则当前状态的SOC由式(2-3)求得： (2-3)式中：Ct满电电量(通过放电实验法得出)；i电池工作电流。(3)开路电压法此方法与蓄电池的电动势有关。根据电化学理论，在蓄电池中化学能与电能的转换达到平衡时，正极平衡电极电势与负极平衡电极电势的差值，称为电池电动势，在数值上等于电池达到稳定状态时的开路电压。当电解液密度增大时，电动势随之增大；当电解液密度减小时，电动势随之减小。在正常工作环境温度下，通常通过测量电池的开路电压来估算电池的电动势。此法的主要问题是必须要保证蓄电池静止足够的时间，才能得到真实的开路电压值。改进的OCV法通常是采用“电压曲线外推法”来预测开路电压，即先得到电压恢复特性曲线，在曲线的线性区域内估计直线方程，从而预测电池稳态时的开路电压。研究表明，蓄电池SOC与稳态开路电压的线性关系，通过测量电池的稳态开路电压来得到电池的SOC，两者之间有非常好的线性关系。因此利用OCV来计算剩余容量，可以保证很好的精度。利用开路电压法预测SOC较准确，且可避免进一步误差的产生。但是该方法的缺点是电池必须离线。在充电或放电之后，开路电压需要很长的时间才能稳定，在充放电状态下，其开路电压无法直接测量。随着电池老化、剩余容量下降，开路电压变化不明显，无法准确预测剩余容量，因此该方法在实际中应用不是太多。(4)内阻法研究表明，电池内阻的大小与电池所处的状态有关，且与电池的剩余电量有关。电池处于放电状态时，随着剩余电量的消耗，电池内部活性物质减少，结果使得内阻逐渐增大起来。国内外许多研究资料表明，电池内阻与剩余电量有关，且与剩余电量成反比关系，如图2-2所示。运用内阻预测剩余电量的一般流程是：让电池充电充分，然后进行放电，记录放电过程中的内阻与剩余电量的大小，从而得到一个完整的内阻容量关系曲线，将此曲线数据存入单片机EPROM中，然后单片机根据在线测量的内阻值，直接查表得到对应的剩余电量值。R(m)C(Ah)0图2-2 内阻与剩余容量的反比关系(5)数学模型与参数辨识法数学模型法试图建立蓄电池的剩余电量与其充放电率、电池端电压、工作电流、内阻等参数之间的数学关系，以期望数学模型能够较为准确地反映出物理化学参数的变化对剩余电量影响。数学模型法具有通用性强的优点，非常适合研制蓄电池在线测试仪。文献8综合考虑蓄电池的热力学和动力学特性，建立一个充放电过程的数学公式，只要放电率、初始电解液比重、环境温度等因素确定后，其公式可以直接转换为电池端电压与SOC的数学公式。数学方法虽然通用，但模型结构参数多。蓄电池是一个高度非线性的系统，而模糊理论、神经网络及其他系统参数辨识法都是处理非线性系统的有力工具。近年来，模糊理论、神经网络应用在蓄电池上的研究不断出现。模糊理论是建立在模糊数学基础上的推理机制，反应输入输出关系的映射，接近于人的形象思维方式，擅长于定性分析和推理，具有较强的自然语言处理能力。模糊控制是把几个不同的变量处理成自然语言，进行人脑思维推理。模糊控制受经验知识的影响比较大，往往经验知识丰富，模糊控制器的性能越优越。而神经网络具有并行结构和自学习能力，从原始数据中自学习，确定模型内部参数，从而对外部输入自动给出响应。估计蓄电池SOC，常采用3层神经网络：输入层、中间层和输出层。输入输出层神经元个数由实际需要来定，而中间层神经元个数取决于问题复杂程度和精度。此法通常采取电压、电流、内阻、温度等参数为输入变量。模糊理论与神经网络方法适合于所有蓄电池8。2.5 本设计方法的确定通过前面对现有电池剩余电量测量方法的论证比较，本人综合考虑了外部参数采集电路的复杂程度、方案实施难易程度以及测量结果的精确程度等方面的因素，确定了本设计采用的最终方案：采用安时积分法计算得出电池剩余电量的初值，然后针对磷酸铁锂电池剩余电量的影响因素对计算结果进行补偿并得到电池剩余电量的最终结果，补偿方式如下。(1)放电电流对于同一只蓄电池，用安时法进行剩余电量的计算时，放电电流不同将得到不同的电量值。因此应对不同放电电流时的电量进行修正，并定义剩余电量为一定放电电流I(10A)下的剩余电量，实际上就是取一个计算电量时的电流参考标准。 (2-4)其中Ct为以标准放电电流释放的总电量；Cu为实际使用的电量折合为以放电电流I放电时的电量。 (2-5)式中i为修正系数，可通过实验测得。在相同的初始状态下(如满电量)，以标准电流I放电放出的电量CI与以不同放电电流i放电放出的电量Ci之比即为i。(2)温度的补偿本设计采用的温度补偿方式为，以30时磷酸铁锂电池的满电电量作为标准，采用公式(2-6)对任意温度T下的电池满电电量Ct进行补偿。 (2-6)通过对磷酸铁锂电池满电电量的补偿，间接补偿磷酸铁锂电池剩余电量的最终结果。(3)循环使用次数的补偿本文使用的补偿方法为使用蓄电池上一放电过程放出的总电量作为下一放电过程蓄电池的总电量。此补偿方法简单易行，而且具有较高的准确度，有很高的实用价值。3 硬件电路设计3.1 剩余电量测量系统设计整个系统可以分为四个模块：模拟量采集模块、A/D转换模块、中央处理模块(单片机)和输出显示模块。根据各个模块之间的关系，得到如图3-1所示的磷酸铁锂电池剩余电量计算系统的组成框图。传感器及测量电路模块主要功能是采集磷酸铁锂电池的电压、电流和温度等参数，A/D转换模块主要功能是将测量电路采集的模拟信号转换为数字信号，中央处理模块即单片机主要功能为通过电压、电流和温度计算磷酸铁锂电池的剩余电量并最终通过输出显示模块将结果显示出来。电池组模拟量信号采集模块A/D转换模块中央处理模块(单片机)输出显示模块温度电压电流IUT图3-1 磷酸铁锂电池剩余电量计算系统框图3.2 模拟量信号采集模块设计3.2.1 蓄电池工作电压采样电路设计AD转换芯片初步采用ADC0809，使用参考电压为+10V(内部输出)。而电池正常的工作电压范围为10V12.5V。因此，在接入ADC芯片模拟输入引脚之前，必须先进行电压量程转换，初步采用单运放进行减法运算，如图3-2所示。根据运算放大器的电路原理，当运算放大器工作于线性放大区，根据“虚短，虚断”的假设，得到输入输出关系式(3-1)。 (3-1)图3-2 电池工作电压进入ADC之前的转换为了消除偏置电流引起的误差，要求两个输入端的外电阻平衡，即有式(3-2)： (3-2)为了方便，取R1=R2，Rf=R3，得到式(3-3)： (3-3)再设Rf=2R1，如图3-1所示，最终得到关系式(3-4)： (3-4)例如，当电池工作电压为11.0226V时，经过图3-2转换后，得到电压值为：Uo=2.0452V，从而转换到ADC芯片允许的模拟电压输入范围。3.2.2 蓄电池工作电流采样电路设计LEMM-+图3-3 LEM公司生产的霍尔式电流传感器由于电动汽车用蓄电池工作时的电流一般比较大，其范围在0100A之间。因此，采用精密电阻的方式已经不适合，必须采用电流传感器。本文选用LEM100A霍尔式电流传感器LAl08-P，这种传感器的优点是：精度良好、反映时间快、能承受电流过载，是一种适用于PCB板的电流传感器。其外形如图3-3所示。将电池的负极段导线按照图3-3中的箭头方向，从方形孔中穿过；而副边三个端子(图3-3下部)的接线方式如图3-4所示。LA108-PM - + 电源电压：+12+15V- 电源电压：-12-15V接地Is电压输出Rm图3-4 霍尔式电流传感器接线图(Rm为采样电阻)与电池工作电压采样相同，电流采样也必须先进行电压量程转换，才能进入ADC0809芯片的模拟输入脚。由于该LEM型号的电流传感器电流变比为1/2000，即主边10A电流，副边电流为5mA。工作电流范围为010A，经过传感器后，变为05mA。根据LEM传感器手册，初取Rm为100，则采样电压范围为00.5V。为了与05V的图3-5 工作电流采样预处理电路原理图采样电压范围匹配，仅仅需要进行10倍放大即可。故电流采样的电路图，如图3-5所示。在图3-4中，取Rm=100欧姆为电流传感器的采样电阻，而图3-5中，(1+Rf/R1)=10，电阻Rs等于Rf与R1的并联，起到平衡作用。两个二极管起到限幅保护作用。初取Rf=9K，R1=1K，Rs=0.9K。此时Uo可以直接连到AD芯片的输入引脚上。3.2.3 温度采样电路设计本系统选用数字温度传感器DSl8B20作为温度传感器。DSl8B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感芯片，具有结构简单、体积小、功耗低、抗干扰能力强等优点。它的ROM中有其芯片的唯一识别码，即任意两个DSl8B20芯片的标识码都是不同的，特别适合与微处理器芯片构成多点温度测量系统。DSl8B20分辨率为912位可编程控制，由其寄存器R0、R1两位的状态决定。DSl8B20片内有一个64位激光ROM，存储CRC校验码、48位标识码(序列号)和型号代码。DSl8B20主要由内部寄生电源、64位激光ROM、高速RAM、温度上下限存储器、CRC发生器和配置寄存器等几部分组成。它的测量范围为-55+125，精度为0.5。完成温度转化后，所测量的温度值自动与温度上下限值进行比较，如果高于TH或低于TL，内部警告标志将置位，表示温度超出测量范围。DS18B20的接线方式如图3-6所示。VccGNDDQPI/OVccDS18B204.7k图3-6 DS18B20接线图3.3 A/D转换模块设计A/D转换器是一种用来将连续的模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数的器件，本文采用的AD转换芯片为ADC0809。ADC0809是美国国家半导体公司(National Semiconductor)采用CMOS工艺制成的廉价8路8位逐次逼近型ADC，28脚封装。芯片包含一个8路模拟开关、模拟开关的地址锁存和译码电路、比较器、256R电阻网络、电子开关逐位比较寄存器SAR、三态输出锁存缓冲器以及控制与定时器等。主要性能指标如下：(1)分辨率为8位；(2)总的非调整误差为1LSB；(3)转换时间为100s（时钟频率为640kHz）；(4)具有锁存控制功能的8路模拟开关，能对8路模拟电压信号进行转换；(5)输出电平与TTL电平兼容；(6)单电源+5V供电，基准电压由外部提供，典型值为+5V，此时允许模拟量输入范围为05V，功耗为10mW。表3-1 地址选择信号和通道号的关系ALEA B C通道号111111110000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7均不通ADC0809内部结构图如图3-7所示，ALE为通道地址锁存信号，其上升沿将地址信息送入地址锁存器；IN0IN7为8路模拟量输入通道，由地址码C、B、A选择其一进入图中的A/D转换部分进行转换，地址选择信号和通道号的关系如表3-1所示。START为启动信号，正脉冲有效，上升沿将所有内部寄存器清零，下降沿启动A/D转换。EOC为转换结束标志，EOC=0时表示正在转换，EOC=1时表示一次转换结束。OE为输出允许信号，当OE输入高电平时，选通三态输出数据锁存器，A/D转换结果可以从8位输出数字量D7D0读出。CLOCK为外部时钟输入信号，时钟频率决定了转换速率。图3-8所示为ADC0809与微处理器的一种典型接口电路。设读/写地址由微处理器(8031)的P2口产生，输入通道选择IN0，译码地址为2000H，转换结果存放在单片机内部RAM的20H地址单元中。A/D的转换结果可以采用以下三种方式读取。通道选择开关通道地址锁存和译码比较器定时和控制逐次逼近寄存器（SAR）开关树型D/A8位锁存和三态门CLOCKSTARTEOCOEVR(+)VR(-)A/DABCIN0IN1IN2IN3IN4IN6IN7D0D1D2D3D4D5D6D7数字量输出通道ALEIN5模拟量输入通道图3-7 ADC0809内部结构图(1)定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一种技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可以进行数据传送了。(2)查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。(3)中断方式把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。本文采用的就是中断读取方式14。ADC0809接地+5VD0D1D2D3D4D5D6D7INT1RDWR译码器D0D1D2D3D4D5D6D7EOCOEALESTARTABC1VccR+GNDR-118031CLOCKIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7P2图3-8 ADC0809与微处理器接口电路图3.4 中央处理模块设计中央处理模块是整个系统的核心部分，它负责把信号采集电路采集过来的信息按照预先设计好的算法计算出我们最终想要的信息磷酸铁锂电池的剩余电量，并将它在输出显示模块里显示出来。考虑到系统的复杂程度，本文使用单片机即可满足实际控制的需要。80C51是在MCS-51的基础上于上世纪80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。此外它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此应用十分广泛，成为继MCS-51之后最重要的单片机品种。直到现在，80C51仍不失为单片机中的主流机型，国内尤以80C51系列单片机应用最广。单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特的单片微型计算机。一台典型单片机的基本组成结构如图3-9所示。(1)中央处理器单片机中的CPU和通用微处理器的基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能，例如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测及中断处理等，增强了实时性。(2)存储器单片机的存储器有两种基本结构：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序和数据合用一个存储器空间的普林斯顿(Princeton)结构；另一种是将程序存储器和数据存储器分开，分别寻址的哈佛(Harvard)结构。Intel的MCS-51和80C51系列单片机就是这种结构。这种结构对于单片机“面向控制”的实际应用极为方便有利。在80C51单片机中，不仅在片内驻留了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器，而且还具有极强的外部存储器扩展能力，寻址范围分别可达64KB，寻址和操作简单方便。80C51单片机存储器在物理上设有4个存储器空间。l 程序存储器：片内程序存储器； 片外程序存储器；中断控制80C51CPU振荡器和时序电路程序存储器(4kB)数据存储器(256字节)两个16位定时器/计数器总线扩展控制器并行可编程I/O可编程串行口内部中断外时钟源外部事件计数外部中断控制P0 P2 P1 P3(数据/地址)RXDTXD图3-9 典型单片机的基本组成结构l 数据存储器：片内数据存储器； 片外数据存储器。在逻辑上设有3个寄存器地址空间。l 片内片外统一的64KB程序存储器地址空间(MOVC)；l 片内256(或384)字节数据存储器地址空间(MOV)；l 片外64KB的数据存储器地址空间(MOVX)。在访问这3个不同的逻辑空间时，应选用不同形式的指令(如括号内标注)。(3)定时器/计数器在单片机的实际应用中，往往需要精确的定时或者需要对外部事件进行计数。为了减少软件开销和提高单片机的实时控制能力，在单片机内部均设置定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。(4)定时电路及元件计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下，按照严格的时序一个节拍一个节拍有规律地执行各种操作。单片机内部也有定时电路，只需外接振荡元件即可工作。外接振荡元件一般选用晶体振荡器，或选用价廉的RC振荡器，也可选用外部时钟源作为振荡元件。80C51有40引脚双列直插(DIP)和44引脚(QFP)封装形式。本文选用40引脚双列直插封装形式，封装图如图3-10所示13。图3-10 80C51(40引脚)封装图3.5 输出显示模块设计输出显示模块将中央处理模块计算出的电池剩余电量显示出来，以便人们对当前蓄电池的剩余电量有一个更直观的了解。综合考虑后，本文选择LED作为输出显示模块。八段LED显示器由8个发光二极管组成。其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔画段，另一个小数点为dp发光二极管。LED显示器有两种不同的形式：一种是发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。本设计所采用的是共阳极的四位八段数码管进行磷酸铁锂电池剩余电量显示，并且显示精确到百分位。共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示各种字符。8个笔划段hgfedcba对应于一个字节(8位)的D0D7，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字型代码。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地(为零电平)，而阳极hgfedcba各段为0111011时，显示器显示“P”字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100(8CH)。图3-11 LED数码管共阳极和共阴极示图动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。P2口输出段码信号，P1输出位码信号。并经过74HC373的驱动送至LED显示。数码管的位选信号由单片机的P1口来确定，经过PNP的驱动，来选通位选，如图3-12所示。本设计采用动态扫描显示接口电路，动态显示接口电路是把所有显示器的8个笔划段ah同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM各自独立地受I/O线控制。CPU向字段输出口送出字型码时，所有显示器接收到相同的字型码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于COM端。也就是说我们可以采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的(约1ms)，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感13。图3-12 LED数码管显示电路3.6 磷酸铁锂电池剩余电量计算系统硬件电路图设计通过前面对蓄电池信号采集电路的设计以及剩余电量测量系统的设计，并根据实际情况需要，最终画出磷酸铁锂电池剩余电量计算系统硬件电路图如附录1所示。4 软件设计系统的软件设计采用Keil完成。下面简单介绍系统的工作流程。整个系统的运行都是靠一个状态量(在程序中stat用表示)控制。因为系统要采集三个参数：工作电流、工作电压和温度，而且电流和电压共用一个A/D芯片，虽然可以通过选通不同模拟通路来进行二者的A/D转换，但是由于在软件中它们共用一个中断，数字量的采集都是在同一个中断中完成的。因此，本设计决定采用一个状态量来表明当前各子程序的走向。下面对stat的各状态值做说明：(1)stat=0，这是系统的初始化状态，此时系统通过定时器中断0选通通道0进行电压信号的A/D转换，转换完成后单片机通过外部中断1读取并保存电压信号，完成后系统进入状态1；(2)stat=1，系统已完成电压信号A/D转换，当再一次进入中断时，单片机采集的数据将是电流信号，过程与上一步相同，完成后系统进入状态2；(3)stat=2，此时系统已完成电压和电流的A/D转换，而主程序一直在等待这个状态，当系统到达这一状态后，单片机开始读取温度值。当工作电压、工作电流和温度这三个参数都采集完毕，系统开始根据本设计的方案处理这些数据，并通过LED显示磷酸铁锂电池剩余电量计算结果。然后，置stat等于0，开始下一个循环。4.1 主程序流程图主程序流程图附录2所示。主程序完成初始化后，就一直等待状态2的到来，初始化中，状态为0，状态的转化是在两个中断(定时器0中断和外部中断0)中实现的。当系统状态为2时，表示系统已完成磷酸铁锂电池电压和电流的信号采集，然后采集温度值，根据安时积分法完成磷酸铁锂电池剩余电量的计算，并在LED上显示。4.2 定时器0中断流程定时器0中断流程图如图4-2所示。如果系统进行定时中断0时状态为0，表示之前未完成任何参数的A/D转换，要选通通道0进行工作电压A/D转换。之后系统的状态会在外部中断1子程序中变为1，当下一次系统再次进行定时器0时，系统状态为1，表示之前已完成电压转换。此时，选通通道1进行工作电流A/D转换。选通通道0进行电压A/D转换选通通道1进行电流A/D转换=0=1开始返回当前状态？4-2 定时器0中断流程图4.3 外部中断1流程P3.3引脚接ADC0809的EOC引脚。即A/D转换完成后产生的信号经反向器会激活单片机的外部中断1子程序。而ADC0809承担两个模拟信号的转换，进入外部中断后，完成的是哪一路信号的转换就需要状态量来判断，当在状态0进行中断，表示完成了电压信号的转换，此时单片机接收A/D转换后的数字量。并转入状态1。如果是在状态1时进入外部中断1，表示此时转换的的是电流信号。保存电信号值，并进行状态2，该状态会导致主程序的等待。接收电压信号，完成后保存电压值并进入状态1接收电流信号，完成后保存电流值并进入状态2=0=1开始返回当前状态？图4-3 外部中断1流程5 总结本课题主要针对磷酸铁锂电池剩余电量计算系统的设计进行研究。全设计主要完成了一下几方面的工作：(1)介绍了本课题研究的内容以及意义。(2)分析比较了目前磷酸铁锂电池剩余电量的主要预测方法，考虑到实际应用中的可行性和精确度，本设计选用安时积分法作为本文的预测方法，并初步证实了本设计方案的有效性和可行性。(3)根据本文的预测原理，设计了磷酸铁锂电池的硬件电路图，包括信号采集电路，A/D转换电路，单片机接口电路，LED显示电路等，另外本文还完成了软件系统的设计，进一步证实了本设计的有效性和可行性。在可预见的未来，电动汽车产业必将产生飞跃性的发展。本设计介绍的磷酸铁锂电池剩余电量计算系统设计方案原理简单、易于实施并且能够保证比较高的精度，具有很高的实用价值。因此，本设计的内容很有希望在电动汽车蓄电池管理系统中得到应用。致 谢本文是在导师赵志永老师的悉心指导下完成的。承蒙赵老师的亲切关怀和精心指导，虽然有繁忙的工作，但仍抽出时间给予我们耐心的指导和帮助，在整个毕业设计的过程中，赵老师教会了我很多东西，使我从中获益不浅。赵老师对学生认真负责的态度、严谨的学术态度以及勤勉的工作作风是我永远的学习榜样。在此，谨向赵老师致以深深的敬意和由衷的感谢！感谢母校对我的悉心栽培，感谢老师对我的谆谆教导。在这四年里，我学到了很多专业知识和做人的道理，收获颇多，这些收获必将让我受益终生。我还要感谢我的父母，他们在生活上给与我很大的支持和鼓励，使他们给与我努力学习的信心和力量，没有他们我是不可能顺利完成学业的。最后我要感谢所有关心我、支持我、帮助过我的同学、朋友和亲人们。谢谢你们！参考文献1陈凯，陈丽婷.电动汽车用蓄电池简介J.电源世界，2007，(2):7-82何镇宇，何毅然.电动汽车用蓄电池的路在何方J.电源技术应用，2006，9(10):56-603黄怡然.基于监控系统的蓄电池容量监测的研究J.通信电源技术，2007，24(4):21-234陈凯，陈丽婷.电动汽车用蓄电池简介J.电源世界，2007，(2):7-85龙顺游，李革臣，李中川，张勇.VRLA蓄电池运行监测管理系统的研究J.电源技术，2000，24(6):366-3696欧阳名三，余世杰.VRLA蓄电池容量预测技术的现状与发展J.蓄电池，2004，41(2):59-63，667张红岩，高明裕.AVR单片机在蓄电池剩余容量检测仪中的应用J.电磁技术应用，2001，2:20-228王斯成，陈子平，杨军，于安业.蓄电池剩余容量（SOC）数学模型探讨和在线测试仪的开发J.太阳能学报，2005，26(1):6-139刘倩.镍氢电池管理系统及其SOC预测方法研究D.武汉：武汉理工大学，2004，22-2510黄浩.蓄电池电量技术的研究与实现D.湖南：湖南大学，2007，51-5511胡居琦.电动车蓄电池电量监测技术研究D.北京：北方工业大学，25-3012张青春，李智华.蓄电池剩余电量预测方法研究D.上海：上海大学，2009.213张俊谟.单片机中级教程M.