本科毕业论文-全自动蓄电池容量检测仪的设计

本科毕业设计说明书全自动蓄电池容量检测仪的设计DESIGNOFTHEAUTOMATICDETECTCAPACITYOFSTORAGEBATTERYINSTRUMENTATION学院（部）电气与信息工程学院专业班级学生姓名指导教师年月日全自动蓄电池容量检测仪的设计摘要本设计是以AT89C51单片机为核心的蓄电池容量检测系统，通过对AT89C51单片机软件编程可以实现以下基本要求1、通过蓄电池放电测量电池容量；2、测量电压动态值；3、可切换显示电池容量/电压；4、测量结束后有报警提示。为了检测蓄电池的端电压，以便显示电压，要进行电压采样，并且采样电路为小电流放电，使所测试的电压值比较准确；为了检测蓄电池的容量，要进行电流采样，并且为大电流放电，放电电流为3A45A，还要求放电电流尽可能恒定。系统的恒流放电电路由集成运算放大器构成，结构简单，调整方便。该恒流放电电路，保证了放电电流的基本恒定，从而保证了容量检测的准确。实时测量并显示电压，放电到105V则放电结束。实时显示当前所放出的容量，积分计算出容量，不须人工计算。采用了ATMEL公司的AT89C51单片机，该单片机片内有4K的ROM，不需外接ROM，由它设计制成的数字显示的蓄电池容量检测系统，其整个系统呈现单片化结构，硬件电路构成简单，主要功能均由软件编程实现，因此体积小、可靠性高、测量显示方便、直观、价格低廉。关键词铅酸蓄电池，容量检测，恒流放电DESIGNOFTHEAUTOMATICDETECTCAPACITYOFSTORAGEBATTERYINSTRUMENTATIONABSTRACTTHEDESIGNISBATTERYMEASUREMENTSYSTEM,OFWHICHAT89C51MICROCONTROLLERASTHECORE,THROUGHTHESOFTWAREPROGRAMMINGOFAT89C51SCMCANACHIEVETHEFOLLOWINGBASICREQUIREMENTS1,BATTERYCAPACITYMEASUREMENTBYBATTERYDISCHARGE2,MEASURINGDYNAMICVALUEOFVOLTAGE,3,MAYSWITCHDISPLAYTHEBATTERYCAPACITY/VOLTAGE4,ALARMAFTERTHEENDOFAMEASUREINORDERTODETECTTHEBATTERYVOLTAGE,SHOWTHATVOLTAGE,WEMUSTSAMPLEVOLTAGE,ANDSAMPLINGCIRCUITISSMALLCURRENTDISCHARGESOTHATTESTTHEVOLTAGEMOREACCURATETOTESTTHEBATTERYCAPACITY,WEMUSTSAMPLECURRENT,ANDDISCHARGECURRENTISLARGEDISCHARGECURRENTIS3A45A,ALSOREQUIRESDISCHARGECURRENTCONSTANTASPOSSIBLETHECONSTANTCURRENTDISCHARGECIRCUITISCOMPOSEDOFINTEGRATEDOPERATIONALAMPLIFIERSTRUCTUREISSIMPLE,ANDADJUSTMENTISEASYTHECONSTANTDISCHARGECIRCUITENSURETHATTHEDISCHARGECURRENTFUNDAMENTALCONSTANT,SOASTOENSURETHEACCURATEOFCAPACITYDETECTIONMEASUREANDDISPLAYVOLTAGEBYREALTIME,105VTOTHEDISCHARGE,ANDTHEDISCHARGEISOVERDISPLAYCAPACITYBYREALTIME,ANDCALCULATETHECAPACITYBYINTEGRATION,DONOTNEEDMANUALCALCULATIONSUSINGAT89C51SCMOFATMEL,4KROMWITHINTHESCM,WITHOUTEXTERNALROM,THEBATTERYCAPACITYDETECTIONSYSTEM,DESIGNMADEOFIT,SHOWEDITSMONOLITHICSTRUCTURE,HARDWARECIRCUITISSIMPLE,THEMAINFUNCTIONWORKBYTHESOFTWAREPROGRAMMINGSOSIZEISSMALL,ITISHIGHLYRELIABLEANDMEASUREMENTANDSHOWINGISCONVENIENT,INTUITIVE,PRICEISLOWKEYWORDSLEADACIDBATTERIES,CAPACITYDETECTION,CONSTANTCURRENTDISCHARGE目录摘要（中文）I摘要（外文）II1绪论111课题研究的目的与意义112国内外研究状况113本设计要完成的工作32全自动蓄电池容量检测仪的原理简述521电池容量检测模块原理简述5211蓄电池容量检测方法5212蓄电池容量试验条件及要求7213恒流放电电路的介绍722水浴温度检测模块原理简述8221蓄电池容量与环境温度的关系8222水浴温度控制PID算法介绍83硬件设计1131AT89C51简介11311主要特性11312时钟振荡电路和复位电路1232温度检测硬件设计1333温度控制部分硬件设计1434电源稳压电路的设计1635恒流放电电路的设计1836数字显示及键盘电路的设计1937报警电路及通信模块23371报警电路的设计23372通信模块的设计2338A/D和D/A接口电路的设计244软件的设计2741主要度量转换2742主程序的流程图3143A/D转换程序的设计3244键盘扫描程序的设计3345数字显示程序的设计3746温度控制程序设计385结论与展望40参考文献41致谢431绪论11课题研究的目的与意义铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善已成为世界上广泛使用的一种化学电源，具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富且可再生使用及造价低廉等优点。主要应用在交通运输、通讯、电力、铁路、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济各个领域，是社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品。随着铅酸蓄电池的广泛应用，如何精确检测蓄电池容量成为广大用户极为关注的问题。GB50081标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度252的水浴中”，由此可见，标准对于试验温度的要求252范围较为精确，且规定电池、水浴之间的距离，使之在反应过程中不会相互影响。因为蓄电池放电容量与温度的关系密切，标准才规定2的要求，第一，只有在相同的环境条件下的试验结果才具有可比性，可重复性；第二，在放电过程中，蓄电池将化学能转换成电能，是放出能量，蓄电池要从环境中吸热，蓄电池温度下降，为避免影响化学反应的进行，需要有恒温水浴向蓄电池补充热能使其温度恒定。质检部门的监督检验及仲裁检验，工商部门市场监测，教学研究等工作，务求对蓄电池容量检测数据准确无误。务必使试验温度保持在标准要求范围内，才能减少系统误差，得出精确数据，真实反映产品的质量水平。研制蓄电池容量检测系统很有必要。12国内外研究状况电池工业是新能源领域的重要组成部分，是全球经济发展的一个新热点，是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的产品。铅酸蓄电池产业是二十一世纪最有发展前途和应用前景的新型绿色能源体系,同时关系到国家可持续发展战略的实现。近年来，致力于研究蓄电池容量检测仪的研制，铅酸蓄电池技术不断发展，一些产品日臻成熟。2008中国仪器仪表与测控技术报告大会论文集中由杨明欣佘勇孟芳高国富等人提出的全自动蓄电池容量检测仪的设计以陶瓷加热器PTC作为蓄电池放电负载，对蓄电池进行恒流放电测试，通过计算得到待测蓄电池的实际电容量。本设计以单片机作为核心，采用PID算法，实现对负载陶瓷加热器PTC阻抗的精确控制，以保证放电电流的恒定。此外，系统还具备欠压、过压报警、20条放电信息的存储查询以及实时时钟等功能，自动化程度高，有广泛的应用价值。学术期刊通信电源技术2008年2期收录的由高玉峰、刘亚龙、李春平所著的基于改进型BOOST电路的铅酸蓄电池容量检测装置设计，针对铅酸蓄电池容量检测的特点,提出了一种以BOOST电路为主电路,应用PI调节和PWM控制技术实现恒流放电的方案对传统BOOST电路进行改进,解决了启动浪涌电流大和蓄电池误接自保护的问题阐述了放电电阻的优化设计方法,给出了设计准则仿真和实验均验证了设计的正确性。另外，在学术期刊工业仪表与自动化装置2011年4期中收录的由贾承谧所著的全自动蓄电池容量检测仪的研制。文章介绍研制的全自动蓄电池容量检测仪,该机配有光电隔离型模入、I/O信号数据采集模块,提供了USB接口,方便与PC机相联,操作系统用目前流行的WINDOWS,对4路蓄电池容量并行检测,每路可检测单个6/12/24V蓄电池,放电电流从00180A实现程序可控,能精确检测每个蓄电池的容量在2012年3期的电源技术学术期刊中由储开斌、陈树越、何宝祥所著的基于DSP的蓄电池容量性能测试仪的设计中提出了一种基于DSP的蓄电池容量性能测试仪的设计方案以DSP为核心,多种控制模块为主要结构,用于测试蓄电池的容量、寿命及配组等相关指标其中,充放电模块采用线性方案,高精度数据采集采用DSP内置A/D芯片,实现高精度测量,符合国标对蓄电池的测试要求可为研究分析和改善使用的蓄电池性能和寿命提供科学依据该仪器可单机,也可通过RS485进行组网测试,具有较好的市场应用前景虽然上述的研究已经逐步实现对蓄电池容量检测的合理化，也有部分已经成为产品，但是由于这种技术的限制以及电池内部能量的不可量化性，其产品仍不能满足要求。针对目前的实际情况，就蓄电池制造厂家、蓄电池测试技术研究机构，以及广大蓄电池维护人员而言，都在积极探索一种快速、准确、可靠、安全的蓄电池测试技术。特别对于广大现场维护工程师而言，这种需求更显迫切。遗憾的是，蓄电池是实现化学与电能之间转换的一种非常复杂的装置。蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程，蓄电池的充电过程是电能转化变为化学能的的过程。从电化学的角度，不能对于使用者提供更多的内部的信息。对它进行快速准确的容量测试是非常困难的。由于目前多是密封蓄电池，型号和规格千变万化，性能也不尽相同，外部只有两个电极接头。对于使用者来说，从外部来看，密封蓄电池是一个“黑箱”，至少是一个“灰箱”。对于蓄电池的设计和制造者同样如此。蓄电池容量测试技术的难点1蓄电池的化学能不能直接测量。2蓄电池化学能本身是一个变量。由于化学反应不完全可逆。化学能随着使用次数和使用时间、储存时间而衰减。3使用容量又与工作温度和充、放电率，充、放电的方法有关，并随着SOC状态等条件在变化。4容量相同的密封蓄电池的负载电压和内阻本身具有离散性。即使对于同一个厂、同期生产的、同型号的蓄电池也是如此，无法避免。而且，对于蓄电池组，使用时间越长，蓄电池个体之间的差异性和离散性越大，会出现两极分化。5难以等效。一般来说，不能使用线性元器件或者其任意的组合来等效蓄电池的内部结构。退一步说，使用非线性元器件的组合，可以等效蓄电池的内部结构，也仅适用于特定的电池和特定的条件。不能适用于各种规格的电池以及同一个电池在不同的使用条件。13本设计要完成的工作蓄电池具有良好的可逆性，电压特性平稳等诸多的优点，已经成为社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品，为了真实反其产品的质量水平，精确检测蓄电池容量，GB50081标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度252的水浴中”。所以全自动容量检测仪工作时必须包括二部分，即蓄电池容量检测部分和水浴恒温控制部分。整个全自动蓄电池检测包括多路电压电流检测模块、水温检测模块、多路模拟开关选通模块、高速A/D转换电路模块、计数/定时模块、AT89C51单片机控制模块、键盘输入模块、LED显示模块、恒流负载控制模块、恒温调节模块等组成。如图11所示。水浴恒温控制部分，由于整个试验期间要求蓄电池均放置在温度252的水浴中，所以控制过程中必须及时对温度进行精确控制。首先通过键盘设定恒温经行时的温度值，并且用数码管显示，然后在运行过程中将采样的温度模拟量输入A/D转换器中经行模拟数字装换，再将转换后的数字用数码管显示，最后用单片机输出控制量，D/A转换后通过光电隔离和驱动电路送到可控硅SCR控制端，从而控制加热器的通电加热功率。电池容量检测部分，在容量检测时必须按20H率容量、10H率容量、7MIN率27MIN率、储备容量的放电要求，即使同一的型号蓄电池的按不同的要求也有不同的放电电流，所以必须选择可控的恒流负载器。首先根据蓄电池的型号和容量检测的要求计算出放电电流，然后选择合适恒流负载器中继电器的开关，在测量期间对多路电压、电流的检测，经过高速多路模拟转换开关和A/D转换器，将转换的数字用数码管显示，单片机根据键盘的输入值来控制横流负载器的继电器开关。如此可实现4路蓄电池容量的高精度检测。电池组多路电压电流检测A/D转换电路键盘浴池水温检测模块时钟电路显示电路恒流电路控制模块光耦驱动加热器双向可控硅AT89C51单片机主控模块图11全自动蓄电池容量检测的系统框图2全自动蓄电池容量检测仪的原理简述21电池容量检测模块原理简述211蓄电池容量检测方法1恒流放电法恒流放电法即100C的深度放电，它具有容量测试准确可靠的优点，因此，仍然是目前世界上检测电池性能的最可靠方法。核对放电法即全放电的容量试验，是检测电池容量最直接、最可靠的方法，无论是在线还是离线进行检测，都必须设置备用电源作为防范措施，以保证系统的安全。传统的核对放电设备普遍采用电阻丝进行核对放电，并且是人工操作，程序繁琐，存在一定的人身危险，这种传统的核对放电试验方式正在逐步被淘汰。目前，国内外普遍采用了新型的等效的电子负载，以保证电池组恒流放电。经过数小时后，可以找出最落后的一到几节电池，以落后电池到达终止电压时的放电时间与放电电流来估算其容量，并以此容量作为整组电池的容量。不过它的缺点也很突出，主要表现为1放电时间长，风险大，电池组须脱离系统，蓄电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉，既浪费了电能又费时费力，效率低；少数放电系统采用逆变技术可以将化学能予以回收利用。2进行核对性放电试验，必须具备一定条件，首先，尽可能在市电基本保障的条件下进行；其次，必须有备用电池组。3目前，核对放电只能测试整组电池容量，不能测试每一节单体电池容量，以容量最低的一节作为整组容量，而其他部分电池由于放电深度不够，其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来。4有损蓄电池的容量。由于蓄电池的内部化学反应不是完全可逆的。全深度循环放电的次数是有限的，所以，不宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。但是间隔时间过长，两次核对之间的蓄电池的状态是不确定的。我们会面临两难的选择。密封蓄电池的使用寿命是否终结的主要判据为，电池的剩余容量是否满足机房工作要求，或者满足有关维护规程的要求。国家有关电源维护规程中的恒流放电试验目前仍是唯一被公认的测试剩余容量的最有效方法，它是衡量蓄电池在关键时刻能否发挥作用，确保通信畅通与生产正常的重要手段。2不完全放电测试法对于电池组采用15C的浅度放电；机房可以没有备用电池组。在放电状态下，对蓄电池组的各单体电池的端电压进行巡检，找出端电压下降最快的一只，将其确认为落后电池，再利用核对放电仪器，对该节电池进行核对放电，检测其容量，即代表该组电池的容量。目前，此法可以较快地判定电池组中部分或者个别落后或劣化电池，但还不足以准确测定电池的好坏程度，包括电池的容量等指标，仅适宜作为一个定性测试的参考。以前有厂家根据客户的需求特点，推出一系列在线测试电池容量的设备与仪器，即在线检测仪或在线巡检仪，但是除了少数情况外，一般都达不到一个很理想的效果。原因是多方面的，其中有蓄电池的生产制造工艺的原因，有蓄电池电化学特性的原因，即容量相同的蓄电池的负载电压本身具有离散性。大量研究实践证明，即便是浅度放电状态，单纯通过电压高低完全不足以判别电池性能的好坏。这种方法的优点是操作简单，风险系数小，并可以快速查找落后电池。不过最大的缺点还是测试精度低，只能作为电池落后状态判定依据，不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。同时测试要求较高，测试情况还不是很理想，尤其是容量测试准确度较低。3电导内阻测量法电导测试线是目前主要的日常维护仪器。从测试技术分为交流法和直流法，使用95以上的电导内阻测量仪属于交流法。交流法电导测量是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号，测量出与电压同相位的交流电流值，其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。电导是频率的函数，不同的测试频率下有不同的电导值，电池的容量越小，电池电阻越大，电导值越小。电导法能准确查出完全失效的电池，根据大量的实验分析及研究结果证明，电池的容量只有降低到50时，内阻或者电导会有所变化，降低到40以后，会有明显变化，所以，根据电池电导值或者内阻值，可以在一定程度上确定电池的性能。采用电导法测试电池的内阻或电导是判定蓄电池好坏的一种有价值的参考思路，但是问题如下1对于电池的好坏程度，还不能提供准确的数据依据；不足以准确地测算出电池的实际性能指标，尤其是容量指标；不能判断SOC容量50以上的蓄电池的好坏；不能到达国标的要求。根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求，电池组荷电容量达不到80便应整组淘汰。2不同型号的仪表测量结果的差异性较大，由于各种交流法测量仪的测量频率15HZ1000HZ、测量方法相位差法、有效值法、调制解调法、比较法等等和测量电流1A10A相差较大，让使用不同的测量仪对于同一块电池的测量结果相差较大，有时相差一倍。造成用户选择仪表困难，以及对于仪表测量结果的可信度怀疑。目前基于直流法的电导内阻测量仪检测水平也未能超出交流法测量仪。电导测量技术虽然测试工作比较简单，但是，由于内阻与容量是非线性的，所以，测试结果不能很好地反映蓄电池的真实健康状况。4安时AH容量法对于动力蓄电池，蓄电池需要频繁的充电、放电。往往采用AH容量法。使用AH容量法记录的电能量，需要知道蓄电池的初始状态和终点SOC；但是初始状态和终点SOC受到下述多种因素的影响，在一般情况下，并不是一个常数。所以安时AH容量法仅能纪录已经使用或通过电量计的电量，而不能较为准确地预测终点SOC。而本设计采用恒流放电，该电路由集成运算放大器构成，结构简单，调整方便。该恒流放电电路，保证了放电电流的基本恒定，从而保证了容量检测的准确。212蓄电池容量试验条件及要求容量（以启动用铅酸蓄电池为例）储备容量和20H率容量。（1）储备容量试验1）整个试验期间，蓄电池均放置在温度为252的水浴中，电池上缘露出水面不得超过25MM，蓄电池之间和蓄电池与水浴壁之间的距离，均不得少于25MM。2）蓄电池在完全充电结束后L5H内。当电解液温度达到252时，以25A电流放电到蓄电池电压达（1050005）V时终止，记录放电持续时间T（MIN）。（2）20H率容量试验1）整个试验期间，蓄电池均放置在温度为255的水浴中，蓄电池上缘露出水面不得超过25MM，蓄电池之间和蓄电池与水浴壁之间的距离，均不得少于25MM。2）蓄电池在完全充电结束后15H内，当电解液温度达到255时，以I20电流放电到蓄电池端电压达（1050005）V时终止，记录放电持续时间T2（MIN）。3）20H率实际容量按下式计算CEI20T21001（T25）式中T为放电终止时中间单体蓄电池电解液温度（单位为）；001为温度系数。213恒流放电电路的介绍为了检测蓄电池的容量，需要对电池进行大电流放电，并且要保持电流的基本恒定。随着放电的进行，蓄电池的电压必然要降低，如不加入恒流放电装置而是进行定电阻放电，则放电电流也会随着电压的降低而降低。因此要在放电回路中加入恒流放电装置，补偿降低的电压，使电流基本恒定。电路由集成运算放大器构成，其结构简单，调整方便，其方框图为图21恒流放电原理框图22水浴温度检测模块原理简述221蓄电池容量与环境温度的关系蓄电池的容量是在环境温度为25摄氏度时测定的，当使用环境温度不同时，蓄电池的放电容量（蓄电池内部活性物质的化学反应效率）会有所不同。一般而言，在40摄氏度以下温度范围内，温度越低，蓄电池的容量也越小欧；在大于40摄氏度的温度范围内，蓄电池的放电容量会有一个峰值，温度高于该峰值时蓄电池的放电容量同样趋于降低。因此，为准备描述一只蓄电池的标准容量，通常在有关标准规定也就是说，我国电动自行车蓄电池国家规定若蓄电池在25摄氏度时的相对放电容量为100，则10摄氏度时的放电容量不得低于70。也就是说，以25摄氏度为基础，温度每下降1摄氏度，蓄电池的放电的容量平均下降量不得低于086，但温度与容量下降并不是严格的线性关系，同时也与各个厂蓄电池的产品质量标准有关，所以在实际工作中可按下面两种方法估算1温度每下降1摄氏度，相对容量下降098。2蓄电池以2小时率放电的标准放电时间为74MIN，35摄氏度时放电140MIN。222水浴温度控制PID算法介绍电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点。例如其升温单向性是由于电加热的升温、保温主要是通过电阻加热；降温则通常是依靠自然冷却，当温度一旦超调，就无法用控制手段使其降温，因而很难负载电阻RL比较放大调整环节取样电阻RS基准环节EEI用数字方法建立精确的模型，并确定参数。应用传统的模拟电路控制方法，由于电路复杂，器件太多，往往很难达到理想的控制效果。由于无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数，本设计采用PID控制。如图22为原理框图。PID控制技术在现在最为成熟，控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就可以调节，所以在恒温控制系统中通常采用PID算法。PID是比例（PROPORTIONAL）、积分（INTERGAL）和微分DERIVATIVE三者的缩写。PID调节器的三个基本参数KP比例系数、KI（积分系数）、KD微分系数是选择非常重要，它将直接影响一个控制系统的准确性。而三个环节在实际控制中的作用1、比例调节作用比例反映系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用，用于减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大的比例使系统的稳定性下降，甚至造成系统不稳定；2、积分调节作用是使系统消除静态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节就停止。积分调节输出为一常值，积分作用的强弱取决于积分时间常数TITI越小，积分时间就越强；反之TI越大，积分时间就越弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢，积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节或PID调节；3、微分调节作用微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用。在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此微分调节可以改善系统的动态性能。在为时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪音干扰有放大作用，因此过强的加微分环节，对系统抗干扰不利。此外微分反映的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用的输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PI调节器或PID调节器。大多数温度控制系统均建立在模型上，难以满足加工工艺要求，运用AT89C51单片机对电阻炉温度实现智能控制，可以解决上述种种不足，从而实现高精度的控制。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定图22PID温度控制原理框图键盘设定温度值PID控制器（AT89C51）双向可控硅加热器（水温）水温检测（DS18B20）性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，因此本次设计应用PID控制技术最为有效。3硬件设计全自动蓄电池容量检测仪的设计需要用到许多的硬件设施，首先控制器选取单片机AT89C51。硬件电路包括温度采集模块、时钟电路、双向可控硅控制电路、过零检测电路、5V稳压电源电路、12V稳压电源电路、恒流控制电路、AD转换电路、DA转换电路、显示电路、键盘电路、报警电路、复位电路、通信模块以及IO口的扩展电路等31AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。311主要特性（1）与MCS51兼容（2）4K字节可编程闪烁存储器（3）寿命1000写/擦循环（4）数据保留时间10年（5）全静态工作0HZ24HZ（6）三级程序存储器锁定（7）1288位内部RAM（8）32位可编程I/O线（9）两个16位定时器/计数器（10）5个中断源（11）可编程串行通道（12）低功耗的闲置和掉电模式（13）片内振荡器和时钟电路如图31所示P10P11P12P13P14P15P16P17RST/VPDP30RXDP31TXDP32INT0P33INT1P34T0P35T1P36WRP37RDXTAL2XTAL1VSSVCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPPALE/PROGPSENP27P26P25P24P23P22P21P20AT89C51图31单片机管脚图312时钟振荡电路和复位电路AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图32。外接石英晶体或陶瓷振荡器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF10PF，而如使用陶瓷振荡器建议选择40PF10PF。Y6MHC233PFC333PFGNDCRYXTAL2XTAL1图32时钟振荡电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期24个振荡周期以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位。如图33所示。RZ1KRSTCA22UFVCCGNDREST图33复位电路32温度检测硬件设计温度测量转换部分是整个系统的数据来源，直接影响系统的可靠性。传统的温度测量方法是温度传感器例如AD590，将测量的温度转换成模拟电信号，再经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，单片机再对采集的数字信号进行处理。这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂，滤波消噪难度大系统稳定性不高，鉴于这些考虑，本设计采用数字式温度传感器DS18B20。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度的范围为55C125C，现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。DS18B20为3引脚，DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。温度采集电路模块如图34所示。DSB8B20的3脚接系统中单片机的P14口线，用于将采集到的温度送入单片机中处理，2脚和3脚之间接一个47K上拉电阻，即可完成温度采集部分硬件电路。DS18B20内部结构主要由四部分组成64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。123DS1820GNDVCCDSR147KVCCP14图34温度采样电路DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以00625/LSB形式表达，其中S为符号位。数据转换如下表31。表31DS18B20温度数据转换表BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0LSBYTE2322212021222324BIT15BIT14BIT13BIT12BIT11BIT10BIT9BIT8MSBYTESSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于00625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于00625即可得到实际温度。33温度控制部分硬件设计随着铅酸蓄电池的广泛应用，人们对蓄电池容量检测的精度越来越高。由此可见，标准对于试验温度的要求252范围较为精确，且规定电池、水浴之间的距离，使之在反应过程中不会相互影响。因为蓄电池放电容量与温度的关系密切，标准才规定2的要求。只有在相同的环境条件下的试验结果才具有可比性，可重复性；另外，在放电过程中，蓄电池将化学能转换成电能，是放出能量，蓄电池要从环境中吸热，蓄电池温度下降，为避免影响化学反应的进行，需要有恒温水浴向蓄电池补充热能使其温度恒定。所以对水浴温度必须经行精确的控制，本设计通过单片机控制双向可控硅的导通角来控制加热器的电压，从而实现对水浴为温度的精确控制。该模块用到了单片机和双向可控硅，可控硅可以直接接在220V交流电路上，但是单片机采用低电压供电，因此需要采用以一定的隔离措施，将220V和5V弱点隔离，系统使用MOC3051作为弱电和强电的隔离。MOC3051系列光电可控硅驱动器是美国摩托罗拉公司推出的器件，该器件的显著特点是大大加强了静态DV/DT能力。输入与输出采用光电隔离，绝缘电压可达7500V，触发电流为15MA。该系列可以用来驱动工作电压为220V的交流双向可控硅。该调压电路通过单片机控制双向可控硅的导通角来实现的，为了达到精确控制，整个电路包括可控硅控制电路和过零检测电路。ECININQ3MOC3051C1加加加R210KQ4TRIACVCCV2P12R351KR547KR451K图35温度输出控制电路ECININQ2TIL117ECININQ1TIL117R1200KGNDV1TATC4584INT1图36过零检测电路图中MOC3051是用以可靠驱动可控硅并实现强弱电的隔离，单片机的P12负责驱动光耦。控制可控硅的导通和关断。如图35所示，在加热回路中，可控硅的导通角变化会改变加热器端的电压，V2是外供交流220V电源的接入口。为了精确控制可控硅的导通角，电路加入了过零检测电路，如图36所示，交流电源从V1引入并送入二片光耦，注意光耦的输入端是反相的。这样使得交流电压过零时，无论是从正电压变为负电压还是从负电压变为正电压，都能够在光耦的输出端C上得到一个正向的阶跃信号。经过斯密特触发器TC4584整形并反相输出到单片机外部中断INT1引脚上，作为中断触发信号。单片机由此信号获得每个正弦周期内的二个过零点。该系统的核心是通过单片机控制双向可控硅的导通角来实现调压。在每个交流电压的过零点，通过过零检测电路给单片机外部中断引脚发出中断信号，单片机获得控制周期的起点信号，控制可控硅关断，并启动定时器。在定时器定时结束后才改变双向可控硅的控制端的驱动信号，开启可控硅。假设定时器的定时时间为T，则在交流电压的一个正弦周期20MS内。可控硅导通的时间即为20MS2T。而定时时间T却是由水浴温度和标准温度的差值决定的。34电源稳压电路的设计为了达到设计要求的精确度和避免测试过程中的电源之间的影响，所各个芯片或者模块必须要用稳压电源经行供电。设计用的AT89C51和DS18B20的供电电压均为5V，另外反相放大器的供电电压为12V，所以本设计基于LM7805和LM7812实现5V和12V的电源模块。二个稳压电源模块的组成比较类似。电源电路可分为三大块变压部分、整流滤波部分、稳压部分。变压部分其实就是一个变压器，变压器作用是将220V的交流电压变换成我们所需的电压9V。然后再送去整流和滤波。整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及变压整流。稳压电路中我使用的是“三端固定输出集成稳压器”，稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。集成稳压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉，因而适合在此设计中应用。图37是用三端式稳压器LM7812构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品也叫整流堆,型号为2W06,当然也可以自已用四个速流二极管如,IN4001组成。滤波电容C1、C2一般选取几百几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为033F），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C401F用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。1234D1BRIDGE1C92200C3100T1TRANS1C201C401AC220V5VGNDGND5VVINL1LM7805图37基于LM7812的稳压电源电路5V的稳压电源电路于此类似，采用了集成稳压器LM7805，电容的选取上有些不同，但原理是相同的。1234D2BRIDGE1C5100C7100T2TRANS1C6033C801GNDVIN12VL2LM781212VAC220VGND图38基于LM7805的稳压电源电路35恒流放电电路的设计为了检测蓄电池的容量，需要对电池进行大电流放电，并且要保持电流的基本恒定。随着放电的进行，蓄电池的电压必然要降低，如不加入恒流放电装置而是进行定电阻放电，则放电电流也会随着电压的降低而降低。因此要在放电回路中加入恒流放电装置，补偿降低的电压，使电流基本恒定。电路原理图如图39，比较放大环节由两个运算放大器构成1片324，采用12V，单电源供电，RA为负载电阻，RS为取样电阻。Q5与Q6三极管构成调整环节。可调电源提供基准电源，输入信号EI为蓄电池的电压。电压随着放电时间的延长而减小。它经过负载电阻、调整环节后在取样电阻上形成取样电压。该电压与基准电压比较并经放大环节放大后，经控制调整环节使电路电流恒定。AR1OPAMPAR2OPAMPQ5PNPQ6PNPAR3OPAMPAR4OPAMPRB1KRC1KRA2RE1KRI62KRF100KRG1KRH1KRJ16KRS033RD1KRM1KRN2KIN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0VREFD2IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLOCKVCCVREFGNDD1ADC0809CSWR1AGNDD3D2D1D0VREFRFBDGNDVCCILEWR2XFERD4D5D6D7IOUT1IOUT2DAC083212VGND5V5VGNDUSUBEIE图39恒流放电电路原理图若由于输入电压的减小而使负载电流减小，则取样电压必然减小，从而使取样电压US与基准电压E的差值USE减小。由于AR3为反相放大器，因此，输出电压UB必然升高，从而使US升高，保证了放电电流的恒定。恒流过程表示为EIILUSUSEUBKUSEUS。由于检查不同种类的蓄电池时，要求放电电流的大小不同，因此电路的放电电流值必须是可调的，该电路节基准电压E是由单片机P13输出控制信号通过8位的DA转换器DAC0832，在经过同相放大器放大作为基准电压，所以通过单片机调节基准电压E，则改变了US与E的比较值，从而就改变了恒流放电的电流值。电路元器件的参数RAEMIN3/IA，其中EMIN为蓄电池的放电终止电压，IA为放电电流。蓄电池的终止电压为105V，IA为345A，取RA2。RS033；RI62K；RG1K；RJ16K；RE1K；RF100K；RH1K。RM1K，RN2K。36数字显示及键盘电路的设计在单片机家族的众多成员中，MCS51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术、高可靠性和高性价比,占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，并成为国内单片机应用领域中的主流机型。MCS51单片机的并行口有P0、P1、P2和P3，由于P0口是地址/数据总线口，P2口是高8位地址线，P3口具有第二功能，这样，真正可以作为双向I/O口应用的就只有P1口了。这在大多数应用中是不够的，因此，大部分MCS51单片机应用系统设计都不可避免的需要对P0口进行扩展。由于MCS51单片机的外部RAM和I/O口是统一编址的，因此，可以把单片机外部64K字节RAM空间的一部分作为扩展外围I/O口的地址空间。这样，单片机就可以像访问外部RAM存储器单元那样访问外部的P0口接口芯片，以对P0口进行读/写操作。用于P0口扩展的专用芯片很多。如8255可编程并行P0口扩展芯片、8155可编程并行P0口扩展芯片等。本设计采用的是8155经行的扩展，如图310所示。PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CERDWRIO/MALETMROUTTMRINRESETVCCVSS8155P10P11P12P13P14P15P16P17RST/VPDP30RXDP31TXDP32INT0P33INT1P34T0P35T1P36WRP37RDXTAL2XTAL1VSSVCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPPALE/PROGPSENP27P26P25P24P23P22P21P20AT89C51NORGND5V5V图310I/O口的扩展接口电路在二种显示的方法中，静态显示亮度高，编程容易，管理也比较简单，但占用的I/O口资源较多，为了简化电路，降低成本，数字显示采用动态显示方式。所谓动态显示，就是单片机定时地对显示器件扫描。在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉暂留现象，所以，仍感觉到所有的器件都在“同时”显示。这种显示方法的优点是使用硬件少，因而价格低；但占用机时多，只要单片机不执行显示程序，就立刻停止显示。动态显示的亮度与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。Q29015Q39015Q49015R201KR191KR211KGNDPA4PA5PA6PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7ABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPGND9DS1DPY_7SEG_DPABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPGND9DS2DPY_7SEG_DPABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPGND9DS3DPY_7SEG_DP图311数字显示电路原理图图311为89C51单片机扩展芯片8155和三位共阴极显示器的接口电路。8155的PA4、PA5、PA6口作为扫描口，由于单片机I/O口的驱动能力有限，所以要通过三极管9015经行电流放大，然后接显示器公共端，同时起着开关控制的作用；经过IO的扩展8155芯片的B口作为段数据口。键盘实际上是有排练成矩阵形成的一系列按键开关组成的，它是单片机系统中最常见的人机联系的一种输入设备。用户可以通过键盘向CPU输入数据、地址和命令。矩阵式键盘模式以N个端口连接控制NN个按键实时在LED数码管上显示按键信息。显示按键信息省下了很多的I/O端口为他用相反独立式按键虽编程简单但占用I/O口资源较多不适合在按键较多的场合应用。并且在实际应用中经常要用到输入数字、字母、符号等操作功能如电子密码锁、电话机键盘、计算器按键等至少都需要12到16个按键。矩阵式键盘又称行列键盘它是用N条I/O线作为行线N条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为NN个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。最常见的键盘布局如图315般由16个按键组成在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能这也是在单片机系统中最常用的形式本设计就采用这个键盘模式。硬件电路设计图313示。把单片机的扩展芯片8155的A口连接到“44行列式键盘”其中PA0PA3作为行线，PC0PC3作为列线，把8155的PB端口连接到共阴极“静态数码显示模块”区域中对应的A到G端口上系统首先通过CPU对全部键盘进行扫描，即把第一根行线置为“0”状态其余行线置于“1”状态读入输入缓冲器的状态，若其状态全为“1”表明该行无键按下，再将第二根行线置为“0”状态同样读入输入缓冲器的状态如其状态也全为“1”则置第一根行线置为“0”状态以此类推。如读入输入缓冲器的状态不全为“1”，确定哪一根列线为“0”状态，当某个键的行线和列线都为“0”状态时表明该键按下，最后通过显示程序将该键的序号显示出。图312键盘布局PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CERDWRIO/MALETMROUTTMRINRESETVCCVSS8155S0SWPBS2SWPBS5SWPBS1SWPBS3SWPBS7SWPBS9SWPBS4SWPBS8SWPBSCSWPBSASWPBS6SWPBSBSWPBSDSWPBSESWPBSFSWPBRQ51KRX51KRY51KRZ51K5V图313键盘硬件电路图按键功能说明09数字键；A设置；B确定；C容量显示切换；D温度显示切换；E电压显示切换；F电流显示切换。37报警电路及通信模块371报警电路的设计为了能够准确把握达到放电电压的时间，电路设计了报警电路。当蓄电池的的放电电压达到105V时，如图314所示，单片机的P13会发出一个控制信号，经过三极管9015驱动蜂鸣器经行报警。RY1KQ19015SPEAKGNDVCCP13图314报警电路372通信模块的设计在实际应用中，不但要求计算机与外部的设备之间要经行信息交换，而且计算机之间也需要