基于单片机的蓄电池的自动监测系统毕业设计论文

1、基于单片机的蓄电池的自动监测系统毕业设计论文 攀枝花学院本科毕业设计(论文)基于单片机的蓄电池的自动监测系统 摘 要 蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源,它的维护工作具有重要的意义,作为后备电源,?蓄电池是确保设备正常运行的最后一道生命线,本课题的任务就是设计一种蓄电池智能监测仪,能实现对蓄电池在浮充状态或者在充放电过程中的状态监测。 在现如今这个社会中,蓄电池的应用越来越广泛了,在交通工具上大都装有蓄电池,以及通信行业,金融行业,电子类产品等,这些都是需要蓄电池的支持,并且需要的蓄电池的高质量保证。对此就需要生产出高质量的蓄电池,即是蓄电池能保证参与的工作能正常开展,并且还需要蓄电池能长时间

2、的维持工作运行,当然在蓄电池方面的平安问题是必须考虑的,毕竟现在讲究平安第一嘛。 该监测系统是以AT89C51单片机为核心的单片机。该系统可以做到测量测量蓄电池的端电压,以及电池的温度,并且还能够测量蓄电池在工作状态时的电流,这些根本的电池性能指标都能够通过该系统测量出来。并且该系统的设计是模块化,在这些模块中,其中的任何一个都能够测量出一种数据,以到达数据的准确性。关键词 蓄电池,单片机,监测系统 ABSTRACT of great importance, as a backup power supply, battery is a final lifeline, to ensure nor

3、mal operation of equipment to the task of this research is to design an intelligent battery monitor, can realize the battery in a floating state, or in the state monitoring in the process of charging and discharging. In nowadays society, the battery application is becoming more and more widely, in m

4、osStorage battery as a stable power supply and the main dc power supply, its maintenance is t vehicle equipped with batteries, back-up power and communications industry, financial industry backup power supply and so on. These occasions are required is very tall to the requirement of storage battery,

5、 require it to run is absolutely reliable, it is for battery testing and maintenance of high demands are put forward. To normal operation of the storage battery, therefore, improve the service life of the battery, reducing application field accidents has important significance. The monitoring system

6、 based on AT89C51single-chip microcomputer as the core of single chip microcomputer. 10 or 20 road this system can measure the voltage of the voltage of the battery, battery, battery, charge and discharge current, temperature data acquisition circuit USES modular design, can according to the number

7、of battery to determine the number of modules, each module can measure a set, used to measure the value of the inertia filter filtering method and the theory of integral and differential control and calibration. Keyword?Storage?battery;Monitor?system;Single?chip?of AT89C51 目 录摘 要IABSTRACTII目 录11 绪论1

8、1.1 课题背景1 1.1.1 蓄电池研究现状1 1.1.2 电池的主要性能指标11.2 蓄电池技术的开展与方向21.3 本课题所做的主要工作32 测试方法的研究42.1 蓄电池的内阻42.2 蓄电池内阻与容量的关系42.3 蓄电池等效电路52.4 设计方案论证52.5 交流法7第3章 硬件电路设计83.1 总体框架83.2 主处理器模块93.3 探测电路123.4 差分放大电路12 3.4.1 INA321芯片简化图13 3.4.2 INA2321电路图133.5 幅相检测电路14 3.5.1 AD8302电路图143.6 模数转换模块设计14 3.6.1 模数转换芯片AD080914 3.

9、6.2 ADC0809与单片机的接口电路163.7 液晶显示16 3.7.1 LCD1602介绍16 3.7.2 LCD1602与单片机的接口电路184 系统软件设计204.1 蓄电池自动监测系统软件总体程序设计204.2 总电路图204.3 程序流程图214.4 本章小结275 系统的安装与调试285.1 系统调试28 5.1.1 电路集成285.2. 软件调试28结 论30参考文献31附录: 源程序32致 谢361 绪论1.1 课题背景 科技的开展、人类生活的提高,如今石油资源面临危机、地球的生态环境日益恶化,因此形成了新型二次电池及相关材料领域的科技和产业快速开展的双重社会背景。市场的迫

10、切需求,使新型二次电池应运而生,形成的产业迅猛开展。近年来,许多知名企业都建立起了属于自己的生产基地,以用来生产蓄电池,并且还从原来的高层社会向底层社会开展,即是实现让蓄电池全民化。与此同时,我们还发现其他领域的企业也开始向蓄电池这方面开展,也因此可以看出蓄电池在将来的开展竞争剧烈。随着信息时代的快速开展, 、平板等逐步全民化。掌上娱乐的同时对电量要求的趋势也越来越迫切,并带动这蓄电池的快速开展,基于这样的开展前景,我觉得蓄电池的开展前途一片光明。并且蓄电池的有效开展会给掌上娱乐和人们的生活娱乐以及电量供给设备提供不限量的快感与便利。蓄电池会在单片机的根底上不断的开展和完善!1.1.1 蓄电池

11、研究现状 当今社会上测量蓄电池的性能的方法有很多种,一般常见的有: (1)湿度法检测蓄电池的容量:即在蓄电池工作状态中,通过传感器来测量出蓄电池的所容纳的电量。当传感器上显示阻抗大的时候,表示蓄电池的湿度小,显示阻抗小的时候,那么表示蓄电池的湿度大。两者成反比的关系。 (2)通过检测电解液密度获得蓄电池剩余容量,这也是铅酸蓄电池检测普遍采用的方法。电解液密度在充电过程中密度会逐渐升高,而在蓄电池放电过程中,密度会逐渐降低。相反,我们可以监测蓄电池的电解液密度,然后来确定蓄电池的工作状态,以及确定蓄电池当时的电量。 (3)高电率放电法判断蓄电池剩余容量:即通过测量大负荷下的端电压来判断蓄电池的剩

12、余容量。它是模拟启动机启动时的负载,测出蓄电池在大电流放电时的端电压,通过端电压变化就可以确定蓄电池的工作状态。这方法能检测出蓄电池是否出现问题,还能智能检测系统供电的能力,但它的一个缺点是不能测量正在充电和刚充完电的蓄电池。1.1.2 电池的主要性能指标 (1)平安性能 平安性能指标不合格的蓄电池是不能够使用并且不被人们所介绍,因为平安性能指标不合格的蓄电池能引发许多的事故,其中影响最大的是爆炸和漏液。爆炸和漏液的发生主要与蓄电池的内压、结构、工艺设计及应用禁止的不正确操作有关。 2 额定容量 因为蓄电池的容量,定义了蓄电池的额定容量。额定容量是蓄电池制造的时候,规定蓄电池在一定的放电条件下

13、应该放出的最低限度的电量,其单位为Ah。使用条件不同,蓄电池能够放出的容量也不同。 3 蓄电池的静止电动势 蓄电池静止相当长一段时间后,其内部电解液扩散过程停止,此时电池的状态为开路状态,在用电压表在常温下测量正负极板间的电位差,此电位差就是我们需要的蓄电池的在该状态存在的静止电动势。 在我们把电极需要使用的材料确定后,电动势可用经验公式占钮85+d15决定。d15是在15时极板微孔内部电解液的密度。蓄电池静止时,极板微孔内部与容器中的电解液的密度相同。 (4)蓄电池的额定电压 国家标准规定的蓄电池电压值为额定电压,用V表示。 5 内阻 对于铅酸蓄电池的内阻通常我们可分为电化学性电阻以及金属性

14、电阻。其中蓄电池的电化学性电阻包括了涂胶的电阻,隔板的电阻以及电解液的电阻。对于金属性电阻,它包含蓄电池的终端电阻,还有蓄电池的夹板、栅格以及栅格与涂胶之间的电阻。1.2 蓄电池技术的开展与方向 铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源,具有电压平稳、平安可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富等优点,中国铅酸蓄电池行业经过50年的建设与开展,已根本形成了大中小企业相结合、具有一定规模的铅酸蓄电池制造体系。随着我国改革开放进一步向纵深开展,各行业结构作了适当的调整,能源、交通和通讯等支柱产业飞速开展,给铅酸蓄电池行业带来了巨大的开展机遇。 高能电池、廉价的燃料电池的开展将会带动愈来愈多的电子

15、产品开展起来。电池的种类将会更多、应用范围更广,价格更低廉且更加“清洁。和太阳能联系在一起的电池以及以大气为活性物质的燃料电池将会在现代经济中飞速开展。 在循环寿命、再生率、自放电和平安性方面?铅酸电池作为应用范围最广、用量最大的化学电源,铅酸蓄电池行业的机遇与挑战并存,随着能源、交通、通信等根底产业的迅速崛起铅酸蓄电池的市场前景非常广阔,特别是适应环保与免维护需求的阈控式密封铅酸蓄电池已经被人们接受,并且在很多领域已逐渐取代传统的开口式铅酸蓄电池。 新的蓄电池监测系统自动化程度高、人机界面友好,又易于操作,并且整体结构可靠性好,精度高,具有很高的推广使用价值。中国已将新能源、节能环保等列为重

16、点行业,如果把本课题所设计的新型蓄电池在线智能监测系统应用到实际生活中,将会给新能源、节能环保等行业带来不一样的前景。? 由于世界的开放,中国在世界上的市场竞争也是越来越剧烈,如果不开展,中国的电池行业将会被挤出世界的舞台,以至于没有生存空间,由此可以看出中国将受到来自世界有多大的威胁。因此,我们中国的蓄电池企业应该尽快的开展壮大,完善内部,提高对产品的技术要求以得到高质量的产品成果,并且我们还必须考虑的尽量减少生产的本钱,让我们国家的产品在世界上能过生存,并具有很高的地位。这样,也只有这样我们才可能使蓄电池行业走上健康的良好的开展轨道。 1.3 本课题所做的主要工作 本课题拟采用软硬件相结合

17、组成实际控制系统。利用相关知识对蓄电池的工作原理和失效机理进行理论分析。完成对控制算法的设计。在硬件电路设计上,要实现系统各个功能模块的正确设计及连接。在软件编程方面,采用AT89C51单片机完成主控程序编写,实现对蓄电池进行快速有效地监控。2 测试方法的研究2.1 蓄电池的内阻 蓄电池的内阻:即是指当蓄电池在工作的时候,电流通过蓄电池在内部所受到的阻力,一般可分为交流内阻和直流内阻,由于充电电池内阻很小,测直流内阻时由于电极容量极化,产生极化内阻,所以无法测出其真实值,而测其交流内阻可免除极化内阻的影响,得出真实的内值。 蓄电池的内阻由导体电阻和电化学极化电阻及浓差极化电阻三个部份组成,并且

18、在充放电过程中电阻是变化的,其中充电过程内阻由大变小,反之放电过程内阻由小变大。温度对蓄电池内阻大小的影响也挺大的,在低温状态的情况下,比方在0以下,当温度逐渐下降的时候,蓄电池的内阻将会逐渐增大。在较高温度时,如10以上,当温度逐渐上升的时候,蓄电池的内阻将会逐渐减小。对于蓄电池的内阻变化,它还与系统电路中的电流的大小还有一定的关联,如果电路中瞬间放出较大的电量,蓄电池里面的极板间的硫酸溶液浓度会很快的变低,但是极板孔的外面还存在很多的溶液,由于来不及扩散,所以浓度依然会很高,如此,极板孔中硫酸溶液的电阻会增加大,蓄电池两端的电压也会变低。但是当蓄电池放电结束后,极板空隙中的溶液密度会越来越

19、来大,也因此电阻会增大,蓄电池两端的电压也会逐渐变大。 另外,当蓄电池中使用薄极板的时候,蓄电池的内阻也会比使用厚极板的蓄电池内阻小,因为同容量电池的极板数量,薄的要多于厚极板电池的极板数量,因此相同电流放电时,薄极板电池的电流密度小,其各极极化也要小得多。由此可见,蓄电池内阻是由诸多因素构成的动态电阻。我们研究蓄电池的内阻是为了了解与蓄电池直接连接的母线及馈线出口短路时,蓄电池将提供多大短路电流,并依此来选择母线及其它设备,并根据短路电流来确定保护电器的级差配合。显然,同容量的蓄电池短路电流越大,对设备和人身平安带来的危害性也越大。2.2 蓄电池内阻与容量的关系 对于蓄电池的内阻与容量的关系

20、而言,在同样的情况下,有着这样的关系:容量越大,内阻越小。反之那么相反。容量越大的电池,相对来说正负极板的面积会越大,相应的内阻也就会越小。另外,在蓄电池电量充足时,蓄电池的内阻会相对较小,而当蓄电池电量放完时,蓄电池的内阻会变大许多。 但是还要知道的是,两者并不是直接影响的,而是通过影响其他方面来影响对方的,也就是说,两者并没有直接的关系,而是通过影响对方的制约因素来影响对方。 2.3 蓄电池等效电路 蓄电池里面是依靠化学反响来提供电能的,阻抗分析是电化学研究中的常用方法,一般情况下,电池在充电或放电时,其内阻R由3局部组成,如公式(1)所示 RR?+Rc+Re 式中的R为欧姆内阻;Rc为浓

21、差内阻;Re为活化内阻。 在很多研究方法中,使用图1来等效蓄电池 蓄电池阻抗等效电路 图中字母所示含义:Rtp和Rtn是电极离子迁移电阻;Lp、Ln为正负极电感;Cdlp,、Cdln是极板双电层电容;Zwp,Zwn为阻抗;Rhf是欧姆电阻。 电池阻抗是一个复阻抗,对于蓄电池的阻抗就包扩两个方面,其中一方面是欧姆阻抗,另外一方面就是蓄电池两端的正负极阻抗,在其他条件不变的情况下与测试频率有关。 通常情况的内阻是指某一固定频率下的内阻值,一般的内阻测试有两种:测蓄电池的内阻测量,如镍镉电池、镍氢电池和锂电池,使用的频率一般为1KHz;用于测铅酸电池的频率一般为10-60Hz。 2.4 设计方案论证

22、 蓄电池的内阻要精确测量具有一定的难度的,其中存在几个原因:第一,蓄电池内阻非常小,小到毫欧数量级。第二,精度要求高,重复性,稳定性要好,内阻的变化在一个长时间里是很小的,达不到精度,重复性和稳定性的要求,测量是没有意义的。第三,在线测量,干扰十分严重,特别是在同心系统中使用中、还有来自通信设备的干扰。第四,必须是在线测量,离线测量意义不大。 现目前,要测出蓄电池的内阻的常见方法有许多种,其中包括:密度法、直流放电法、开路电压法、交流注入法。 (1)密度法:它是通过测量出蓄电池中的容液的密度,通过测量到的容液的密度来然后算出蓄电池内阻大小,而现在的蓄电池根本都是封闭式的,无法取得电解液。该方法

23、的适用范围窄并且这种方法在精度上有很大的缺陷。 (2)开路电压法:它主要是通过测出蓄电池的端电压,理由测出来的端电压,利用所知的知识运算出蓄电池的内阻,但是这种方法的精度很差,甚至可能算出不是我们需要的答案,即是算出来的内阻数据是错误的结果。因为,即使一个容量已变小的蓄电池,在浮充状态下的时候其端电压仍然可能会表现出正常状态。 (3)直流放大法就是通过对电池进行瞬间大电流放电,测量电池的瞬间电压降,通过欧姆定律计算出电池内阻。由于瞬间大电流对蓄电池有一定的危害,并且当内阻值很小时,在一定电流下的电压变化幅值相对较小,给准确测量带来困难。另外,由于放电过程电压的变化,需要选择稳定区域计算电压变化

24、幅值。实际测量中,直流方法所得数据的重复性较差。 (4) 交流法是通过对蓄电池外加上一个交流电流,当然该电流必须是低频的,然后我们就可以测出蓄电池两端的电压和流过的电流,因为参加的电流是低频的,所以所测出的电压和电流都是低频的,通过测出的数据之间的的电压差,最后通过这些算出蓄电池当时的内阻。 交流法是通过参加一个额外电流,即在使用交流法的时候,不用让电池处于放电状态或者放完点的状态,我们就可以实现对蓄电池的在线监测和管理,由此不会对设备运行方面有什么影响。同时,我们对蓄电池施加的低频信号的频率非常低,电流值相对也非常小,这样就不会对电池的性能造成什么影响。首先产生一个1KHz的恒定交流鼓励信号

25、,交流法通过对蓄电池注入一个交流信号Is,测量出蓄电池两端的电压响应信号Vo,以及两者的相位差,由阻抗公式(2)和(3) (2)(3)即可计算出蓄电池的阻抗,进而反映出蓄电池的性能。 有以上比拟,我们选用交流法,来进行对蓄电池的一些性能的测量。 2.5 交流法 当使用受控电流时电流如公式(4)所示 (4) 产生的电压响应如公式?(5)所示 (5) 假设使用受控电压鼓励如公式(6)所示 (6) 产生的电流响应如公式(7)所示 (7)两种情况的阻抗均为: 即阻抗是与频率有关的复阻抗,其模如公式(8)所示 (8) 相角为。 一般情况下鼓励引起的电压幅值变化小于10mV,这样能保证阻抗测量的线性。 从

26、理论上讲,向电池馈入一个交流电流信号,测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻,如公式(9)所示 (9) 式中 Vav-为检测到交流信号的平均值;Iav - 为馈入交流信号的平均值 用交流法测量内阻的时候,我们是在电池上面加上一会交流信号,然后测量出通过电池的电流(I)和该电流在电池两端的所产生的交流电压(V),通过测量到的电流和电压,我们就可以算出蓄电池的阻抗。一般情况下,我们所选择的交流信号都是低频的,并且该交流信号在使用的时候,对于电容的所产生的影响很小,所以一般我们都忽略不计,所以对于我们测得的数据而言,实际上就是我们需要的蓄电池的电阻。对于交流法,它存在的缺点是很容易受到外界的影

27、响。但是我们如果选择适当的测试频率,并采用有效的滤波器,还可以防止电源纹波和其他噪声的影响的。交流法对正在使用的蓄电池来说,它对系统额外的影响很小,而且测量的准确性很高,并且在测量的时候不会对蓄电池造成什么影响,是测量蓄电池的不二之选。 第3章 硬件电路设计3.1 总体框架 在实际使用中,由于馈入信号的幅值有限,电池的内阻在微欧或毫欧级,因此,产生的电压变化幅值也在微伏级,信号容易受到干扰。尤其是在线测量时,会受到充电机或用电负载的影响。 交流法,首先要有一个交流源,原理框图如图2所示,交流原,就是提供交流信号,使之注入到蓄电池后能在蓄电池两端产生一个交流相应信号。同时考虑到交流源与蓄电池串联

28、后,蓄电池会产生一个直流信号。为了防止与恒流源影响。故在串联电路中串联一个电容,电容可以起到隔直流,通交流的作用。其阻值的大小选取,选择较大电容阻值的,因为选择较大的电容c,交流信号在其分的电压降,就少,其阻抗为 1/jc。 蓄电池的内阻不是纯电阻,里面存在有容性成分,故交流信号经过蓄电池后相位差会发生变化。所以要测出蓄电池的阻抗,还要测出相位差。为了测出相位差我们需要一个参考电压,电阻Ro,就是提供一个参考电压,R取值1K,流过一个恒定的交流信号,如公式(10)所示 (10) R上产生一个的电压信号,如公式(11)所示 (11)设计总体框图如图2所示 图2 设计总体框图 因为交流信号经过蓄电

29、池后,在蓄电池两端的相应信号十分微弱,直接取值不方便,并且如果直接取值还携带有直流信号,故我们选择一个差分放大器,其输入信号就是蓄电池两端的的信号,经过差分放大。得到蓄电池两端的交流相应电压信号,并且此时已经将直流信号去掉。同样我们对的参考信号R两端的信号作为输入信号也经过差分放大器。所以,我们就需要两个完全一样的差分放大器,放大器我们选用INA2321芯片,INA2321放大器一块芯片里面有两个完全一样的放大器。故经过INA2321后,信号放大同样的倍数。 放大后的信号经过AD8302幅相检测芯片可以得到两个输入信号的幅度之比和两输入信号的相位差。假设幅度之比为q,那么蓄电池两端的相应电压信

30、号如公式(12)所示 (12) 带入阻抗公式(2)和(3),其中VoU qARo,IsIA 得公式(13) RqRocos(13) 在单片机里数据处理后,送入LCD显示。直观现实出来蓄电池性能的好坏。 3.2 主处理器模块 AT89C51它是由一个8位中央处理器,一个256B片内RAM以及4KB Flash ROM,还要21个特殊功能存放器,4个8位并行I/O口,两个16位定时/计数器,一个串行I/O口以及中断系统等局部组成,各个功能部件通过片内单一总线连为一体,集成在一块芯片上。 (1)主要特性 ?与MCS-51 兼容 ?4K字节可编程闪烁存储器 ?寿命:1000写/擦循环 ?数据保存时间:

31、10年 ?全静态工作:0Hz-24Hz ?三级程序存储器锁定 ?128*8位内部RAM ?32可编程I/O线 ?两个16位定时器/计数器 ?5个中断源 ?可编程串行通道 ?低功耗的闲置和掉电模式 ?片内振荡器和时钟电路 AT89C51引脚如图3所示 图3 AT89C51引脚 (2)管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时

32、P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。

33、在给出地址“1时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下所示: P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(

34、记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将越过一个脉冲不作用与它。还有,只有当

35、ALE在进行MOVX的任务的时候,MOVC的指令是在ALE的作用下才起作用的,另外,该被作用的引脚被提高。还有要在意的是:如果设计的微处理器正处在外部执行命令的状态的时候,ALE会禁止不会作用与谁,所以此时的置位动作会无效化。 /PSEN:即外部程序存储器的选通信号。每个机器周期两次/PSEN有效的时候是这命令在由外部程序存储器取指期间。但是当命令在访问外部数据存储器的时间,这两次有效的/PSEN信号将不会出现。 /EA/VPP:即外部访问允许,当欲使CPU只访问外部存储器的时候,必须要使EA端保持在低电平的状态,并且接地。另外,我们需要注意的是:如果加密为LB1被编程,复位的时候内部会自动锁

36、存EA端当时的状态。如EA端为高电平,CPU就好执行内部存储器设定好的指令。当Flash存储器编程时,该引脚会加上+12V的编程允许电源Vpp,当然该器件的额定电压必须是12V的。 XTAL1:振荡器反向放大器和内部时钟发生器的输入端。 XTAL2:振荡器反向放大器的输出端。 本设计采用的处理器模块如图4所示 图4 主处理器模块3.3 探测电路 此电路就是连接蓄电池的直接电路,伸出的两根线,分别如蓄电池的正负极相接,即可完成。该局部电路如图4所示图5 探测电路3.4 差分放大电路 放大器芯片INA2321是INA321系列输入输出电压范围可以到达电源电压的提供的微功耗 CMOS 仪表放大器,可

37、以单电源以及双电源。INA321 系列提供低本钱、低噪声、微功耗的差分信号的放大器 40A 的电流消耗。 当芯片关闭,该INA321 有静态电流小于 1A。在几纳秒返回到正常工作,关机功能,可以在使INA321 得到最正确应用,低功耗电池或多路复用。在内部增益配置为 5V/V,INA321 提供了灵活的外接电阻可以得到灵活的增益。3.4.1 INA321芯片简化图 该芯片引脚如图5所示 图6 INA321芯片引脚 引脚5、6分别与1接上电阻R1和R2,电阻阻值的不同可以得到不同的增益,如公式(14)所示 (14)3.4.2 INA2321电路图 INA2321芯片有两个这样的,接法与之类似,其

38、INA2321芯片的外围连接电路如图6,引脚3和2接蓄电池两端的信号,引脚5和6接电阻Ro两端的信号。作为差分放大器的输入信号。输出端为引脚13和9。此放大电路滤出了直流成分的影响,而且解决了,相应信号微弱,难易采集的问题,其中根据实际情况,图中电阻R7、R8、R9、R10的阻值选取适宜的阻值。但是R7与R10、R9与R8必须分别取值相同,才能得到相同的增益。另外,INA2321中两个放大器存在相同的环境中(温度等),即它们产生相同的放大倍数。图7 差分放大电路3.5 幅相检测电路 本次设计使用的芯片可以得到两个输入信号的幅度之比和两个输入信号的相位差。3.5.1 AD8302电路图 AD83

39、02芯片的外围连接电路如图8 图9 幅相检测电路 R1,R2为输入端电阻。R3为UREF输出端的负载。C1、C4为交流输入的耦合电容,C2和C3为滤波电容,C5,C6为电源退耦电容。 3.6 模数转换模块设计3.6.1 模数转换芯片AD0809 AD0809芯片引脚如图9所示图10 AD0809芯片引脚 (1)A/D转换器的功能是将模拟量电信号转换成数字量。 A/D转换器的工作电压:+5V;由于片内无时钟,所以一般都需要外加640KHz以下且不低于100KHz的时钟信号;模拟多路转换开关一般采用8路模拟开关和3位地址锁存与译码器组成的转换开关,地址锁存即是将ADDC、ADDB和ADDA进行锁存

40、,然后就通过译码电路选择其中一个电路的信号加到A/D转换局部,然后对其进行转换。 (2)ADC芯片的控制信号 启动转换信号(START):是由CPU提供给ADC芯片的,在正脉冲的下降沿转换开始; 转换结束信号(EOC):一旦启动转换,EOC立即变低,直至转换结束,EOC输出高电平,通知CPU转换已结束; 允许输出信号(OE):ADC转换结束后,转换结果存放在输出锁存器中,并没有送入数据总线上。CPU取数时,发出OE信号选通芯片内部的三态输出缓冲器将数据输出。 (3)引脚功能 D7D0:8位数据输出线 IN7IN0:8路模拟量输入端 ADDC、ADDB、ADDA:三位地址输入线,他们的作用是选择

41、8路模拟输入中的一路处于通行状态。 ALE:地址锁存允许信号,输入,高电平有效。 START:A/D转换启动信号,输入,高电平有效。 EOC:A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平,在转换期间都是低电平。 OE:数据允许输出信号,输入,只有在高电平的时候才有效。当A/D转换结束的时候,在此端口输入一个高电平之后,才能使输出三态门翻开,到达输出我们需要的数字量。 CLOCK:时钟脉冲输入端。该时钟频率要求不能超过最高频率。 REF(+)、REF(-):基准电压。 Vcc:电源,单一+5V 另外,对于模拟的输入和数字量的输出的关系为:N=(VIN-VREF(-)×

42、;256/(VREF(+)-VREF(-),当VREF(+)=+5V,VREF(-)=0V,假设输入模拟电压为2.5V,那么转换后的数字量N=128,即二进制数:10000000B3.6.2 ADC0809与单片机的接口电路 AD0809芯片与单片机的连接如图10所示图11 AD0809与单片机的连接图 引脚ADD A 、ADD B、ADD C分别接单片机P2.3、P2.4、P2.5,用来选择需转换的模拟通道,转换的数字量与单片机的P1口相连,当OUTPUT ENABLE引脚有效时,单片机读取转换过的数据。 3.7 液晶显示3.7.1 LCD1602介绍 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字

43、母、数字、符号等点阵式LCD,目前常用16*1,16*2,20*2和40*2行等的模块。本设计用的是16*2(16列2行) 模块。1602可以显示内部常用字符包括阿拉伯数字,英文字母大小写,常用符号和日文假名等,也可以显示自定义字符单或多个字符组成的简单汉字,符号,图案等,最多可以产生8个自定义字符。 (1)1602LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚接口说明: 第1脚:VSS为电源地。 第2脚:VDD(+5V) 第3脚:Vee,比照调整电压。 第4脚:RS,输入,0输入指令,1输入数据。 第5脚:R/W,输入,0向LCD写入指令或数据,1从LED读取信息。 第6脚:

44、E,输入,使能信号,1时读取信号,10为下降沿,执行指令。 第714脚:DB0DB7,输入/输出,数据总线。 第15脚:A,+VCC,LCD背光电源正级。 第16脚:K,接地,LCD背光电源负极。 (2)1602LCD的指令说明 1602LCD的指令共有11条指令: 指令1:清屏指令。 指令2:光标归为指令。 指令3:进入模式设置指令。 指令4:显示开关控制指令。 指令5:设定显示屏或光标移动方向指令 指令6:功能设定指令。 指令7:设定CGRAM地址指令。 指令8:设定DDRAM地址指令。 指令9:读取忙信号或AC地址指令。 指令10:数据写入DDRAM或CGRAM指令一览。 指令11:从C

45、GRAM或DDRAM读取数据的指令一览。 (3)读写操作时序如下图:读操作时序写操作时序 (4)1602LCD的RAM地址映射 液晶显示模块这种器件在显示的时候非常慢的,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否那么此指令失效。1602的内部显示地址如图13所示。图14 1602LCD内部显示地址3.7.2 LCD1602与单片机的接口电路 LCD1602与单片机的连接如图14所示图15 LCD1602与单片机的连接 控制信号由单片机 P2.0P2.2控制,数据从P0.0P0.7引入。通过P2.0来选择是用数据存放器还是指令存放器,P2.2作为芯片使能端子,P2.1控制

46、芯片是进行读操作还是写操作。液晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否那么此指令失效。 4 系统软件设计4.1 蓄电池自动监测系统软件总体程序设计 在设计软件的时候,我们应该要明确我们所设计的系统要做到哪些功能。通过设计需要,我们知道设计的系统在使用之前必须要进行严密的校准过程,不然就好导致我们测量的结果误差甚至是错误,以至于无法做到对蓄电池有效监控,在校准的过程中,应该包括基准电压的输入,和电流量程的输入;还要对蜂鸣器报警上限和下限进行提前设置,其中需要设置的有温度上限、电压上下限、内阻上限;另外要保证测量的准确性,我们还需要设置的有本机

47、地址、读取温度序列号、通讯波特率、等这些根本的参数。在我们所设计的蓄电池自动监测系统要使用的时候,我们还要对蓄电池的当时的状态进行一些必要的测量,然后还要对测量的结果进行一系列的校准,然后通过测量,校准得到的数据来计算出蓄电池的电动势的值以及蓄电池的内阻,并通过液晶显示屏显示出来。由于我们所设计的系统能够测量多路,所以选择显示屏要显示哪一路的数据就需要我们使用键盘来完成显示屏的显示。与此同时,我们所设计的系统还应该能够判断出所测量的各个参数值是否已经超限,如果超限了,就需要控制蜂鸣器自动报警,以到达让我们对工作的机械的调整以及维修。系统还要具有与上位机通讯的功能。4.2 总电路图 通过一系列的

48、要求,我们所设计的系统电路如下列图所示,该系统电路图的核心局部我们使用的是单片机AT89C51,在该系统运行的时候,所测量到的的电压和电流的值会直接送到A/D转换器中,测量到的温度的数据会被直接送到单片机中,经过单片机的一些处理后,然后就会被送到LCD。对于该系统所检测出的数据:其中包括电压值和电流值以及温度大小,全部都可以在LCD上面做出反响,另外,我们还可以可以提前设定一个蜂鸣器的报警范围,当测量的数据超出我们所设定的报警范围的时候,蜂鸣器就会自动启动,以到达报警的效果。 总电路图 4.3 程序流程图 系统的正常工作是硬件与软件共同完成的。本系统下位机软件采用C 语言编写,采用模块化的程序

49、设计方法,主要包括初始化模块、主程序模块、电压/ 电流采/温度集模块、放电控制模块、通讯模块、显示模块、数据记录模块。这里蓄电池监测主要是对蓄电池组进行监测,下面为主程序流程图如下列图所示: 系统程序流程图 上述的参数判断主要是针对温度,因为蓄电池的最高承受温度是65摄氏度。所以当温度超过蜂鸣器会响 数字式温度传感器DSl8B20可将测量到的温度以两个字节的形式存放在内部的芯片存储器中。由于它采用了的通讯的方式,当在总线上面存在了多于一个DSl8B20的时候,就需要我们先指定出一个主DSl8B20了,让它拥有特殊的权利,即是该主DS18B20占用总线的特殊权力。由于存在这个原因,在存在多个DS

50、l8B20的系统的时候,在系统能正常工作前,我们就需要对系统中所有存在的DSl8B20的序列号进行读取,然后将它们都保存在系统的存储器中。 DSl8B20的内部命令我们分成了两种;暂存器命令、ROM命令。其中暂存器命令指的是对DSl8B20中存储器的一些操作,它包括对温度的读取、转换、以及上限和下限值的操作。但是DSl8B20假设想要实现某一个命令,还必需要ROM命令和暂存器命令这两个命令同时使用的配合使用,才能实现该命令的完成。另外ROM命令的任务是负责对DS18B20内部ROM的操作,其中包括对序列号的寻址、读取、搜索等操作。我们所设计的测温程序的流程如下图。 测温程序流程图2.电流电压读入程序 由于电流由敏感元件测量得到,电压通过精密电阻的分压得到,所以只涉到数据处理。 电流电压读入流程图 我们所设计的蓄电池自动监测系统,其中要求该系统能够和上位机之间到达通讯。对于通讯方式,我们所设计的单片机有总共存在4种串行通讯方式。在蓄电池监测系统中我们选择了其中一种通讯方式。对于该方式我们选择的是方式3,该通讯方式是11位异步收发,波特率由定时器l控制,在使用前要设置波特率,并且通讯方式3适用于多机通讯。在方式3前提下,通讯时