离网式分布式发电系统中的铅酸蓄电池储能技术研究(完整版)实用资料

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离网式分布式发电系统中的铅酸蓄电池储能技术研究离网式分布式发电系统中的铅酸蓄电池储能技术研究（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）佘宏武，林桦，段善旭（华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室武汉430074）摘要：采用光伏发电或风力发电等新能源的离网式分布式发电系统通常需要储能单元以满足用户对供电稳定性的要求。本文对铅酸蓄电池储能系统在分布式发电系统中的应用特点进行了介绍，对分布式发电系统中的蓄电池的选择、使用及管理等方面的关键问题进行了探讨。关键词：分布式发电铅酸蓄电池VRLA储能中图分类号：TM61,TM912.1文献标识码：A文章编号：ResearchonLead-AcidBatteryEnergyStorageTechniqueinOff-gridDistributedGenerationSystemSheHong-wu1,LinHua1,ShouHaiming2,DuanShanxu1(1.ElectricPowerSecurityandHighEfficiencyLab.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Theenergystorageunitwasgenerallyneededintheoff-griddistributedgenerationsystemtosatisfythestabilityofpowersupplyfortheusers.Theapplicationfeatureoflead-acidbatterystoragesystemusedinoff-griddistributedgenerationwasintroducedinthispaper.Thechoice,operationandmanagementofthelead-acidbatteryintheenergystoragesystemwerealsodiscussed.KeyWords:distributedgeneration,lead-acidbattery,VRLA,energystorage引言由于传统能源的枯竭，各国对环境保护的日益重视以及现有电力系统的种种弊端，采用各种新能源的分布式发电系统日益得到人们的重视。在分布式发电系统中，风力发电[1]和太阳能光伏发电[2]技术由于对环境几乎不造成污染而更加受到人们的青睐。由于光照条件和风力大小的不断变化，为了满足用户对电力稳定性的要求，离网式分布式发电系统中通常需要具备储能单元[3]。目前可用于分布式发电系统中的储能方式主要有蓄电池储能、飞轮储能[4][5]、超导储能、超级电容储能等[6]。目前国内外对飞轮储能技术的研究非常积极。但到目前为止，飞轮储能技术只是小功率范围内进行了试验性应用研究，距离大规模实用化还有一段距离。超导储能技术由于其需要复杂的制冷设备和昂贵的高温超导材料而造成了很高的成本；超级电容储能技术由于其储存容量较小，目前仍在试验阶段。用于储能系统蓄电池目前已有多种，包括铅酸蓄电池，镍镉(Ni-Cd)电池，镍氢(Ni-Mh)电池[7]，钠硫(Na-S)电池，钒电池(VRB)等。这些电池中有些已在储能系统中开始试验性使用，但同样由于成本和技术等问题使它们的实用化进展缓慢。虽然铅酸蓄电池的主要原料1#电铅价格自2003年下半年以来不断猛涨，从2003年7月的4700元/吨上涨到目前(2007年5月)的16000元/吨，对应的铅酸蓄电池价格也已上涨到0.75元/Wh。但与其他储能技术相比，铅酸蓄电池仍然是唯一一种成本可以为用户所接受的大容量储能方式。目前世界各地已经建立了许多基于铅酸蓄电池的储能系统。1988年，美国在加利福利亚洲建立了10MW/40MWh铅酸蓄电池储能系统，用于电力调峰和电能质量控制[3]。1981年，德国建成了一台基于VRLA的17MW蓄电池储能系统并于1987年投入商业运营。1996年，美国在阿拉斯加的Metlakatla岛上建立了另外一套基于VRLA的1.4MWh蓄电池储能系统，该系统作为离网式水力发电系统的后备电源，能够以800KVA的功率提供90分钟的应急电能[8]。铅酸蓄电池简介2.1铅酸蓄电池基本原理铅酸蓄电池由G.Plant于1859年发明。1882年，J.H.Glastone和A.Tribe提出了著名的“双硫酸盐化理论”，根据这一理论，铅酸蓄电池的正负极在放电时都转化为硫酸铅，在充电时又会还原为初始状态[9]。单格铅酸蓄电池的额定电压为2V，针对其应用范围不同，其容量从数Ah到上万Ah不等。目前已知的最大容量的单格铅酸蓄电池为美国“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇所使用的PDX-57型电池，单格容量为10,000Ah，体积为58×51×117cm，重量为953Kg。该艇采用128个单格电池串联构成额定电压256V的储能系统，额定容量为2.6MWh[10]。2.2VRLA所采用的技术普通铅酸蓄电池需要定期管理的原因在于充电时水的损失以及开口状态下硫酸的挥发。针对这个问题，人们研制了新型阀控铅酸蓄电池(简称VRLA)。它的主要技术是使正极板在充电时析出的氧气扩散到负极板后会与负极板上的铅反应生成一氧化铅，氧化铅再与稀硫酸反应生成硫酸铅和水[11]。这一措施解决了因为氧气析出造成的失水问题。同时VRLA在负极板采用铅钙合金等新型板栅材料，可将析氢电压提高200~300mV。因此只要充电电压设定合理，在充电过程中就不会有大量氢气析出。同时，大部分蓄电池生产厂家生产的VRLA一般将负极板进行过量设计，这样负极板的充电容量总是达不到90%。这也是避免析氢的一个重要措施[12][13]。此外，为了避免在充电电压过高或其他特殊情况造成的少量气体(主要是氢气)在电池内部累积，VRLA一般都设置有安全阀。安全阀可在内部压力超过一定值时开启，将内部气体排出以避免造成事故。2.3国内铅酸蓄电池生产企业中国加入WTO后，由于看好中国蓄电池市场的巨大潜力以及发达国家对铅酸蓄电池行业的限制政策，越来越多的国外大型电池厂商选择在中国建厂或合资生产制造。目前中国铅酸电池产量超过世界电池产量的1/3，成为世界电池的主要生产地，生产研发技术与国际先进水平差距已不明显[14]。其中规模较大，现代化生产水平较高的企业主要有保定风帆，哈尔滨光宇，浙江南都，江苏双登，湖北骆驼等。目前我国铅酸蓄电池消费主要集中在汽车和摩托车市场，主要用于汽车和摩托车的起动。按照2005年的数据，这两者占据了蓄电池市场的74%。近年来随着电动自行车的迅猛发展，动力型铅酸蓄电池的份额也在迅速增加。分布式发电系统对于蓄电池的要求铅酸蓄电池按其工作方式的不同主要可分为两大类：一类用于汽车起动或UPS等设备中，主要起备用电源的作用，称之为后备型蓄电池；另一类用于的储能单元中，主要起能量储存的作用，称之为动力型蓄电池。动力型蓄电池结构与后备型蓄电池在结构上存在很大区别，不能混用，尤其不能将备用型蓄电池做动力型蓄电池使用[15]。用于起动或UPS等设备中的蓄电池在寿命期的绝大部分时间是处于浮充状态。只是当车辆需要起动或市电掉电时蓄电池才会发挥作用，且放电容量一般不大。用于此类用途的蓄电池一般只要求上千次甚至数百次的充放电循环寿命。这种情况下，蓄电池的寿命是可以预测的，因为导致其失效的主要原因是板栅金属材料的腐蚀。为了保证较长的使用寿命，此类蓄电池中所使用的硫酸电解液浓度一般较低，这对延缓板栅金属材料的腐蚀有积极作用。目前，后备式蓄电池已全面采用VRLA。用于电动车以及离网型分布式发电系统动力型铅蓄电池则经常处于深充放电循环中，此类蓄电池失效的主要原因是正极板活性物质的软化和脱落。同时，为了保证蓄电池有足够的能量密度，往往采用浓度较高的硫酸电解液。正极板的活性物质状态随着蓄电池充放电循环的不断进行会不断变化，最终会软化或者脱落，导致蓄电池失效。为了防止正极活性物质的过早损失，用于深循环应用的蓄电池一般采用较厚的极板。如果将后备电源使用的铅酸蓄电池用于深放电循环的分布式发电系统中，会导致早期容量损失和蓄电池过早失效。放电深度对蓄电池放电寿命有重要影响。美国Trojan电池公司目前在深循环铅酸蓄电池的设计和生产中处于领先地位。图1是Trojan电池公司的T105型蓄电池在不同放电深度时循环寿命的曲线图。在放电深度为20%时，其循环寿命为3000次；而放电深度为40%时，其循环寿命仅为1500次。VRLA在储能系统中的应用研究也在进行中。早期的VRLA极板一般采用铅钙合金，这样的电池在深放电循环时很容易产生早期容量损失，蓄电池使用寿命较短。一个数据表明，国产矿灯用的铅酸蓄电池当使用普通开口防酸式蓄电池时，其循环寿命可达1500次，而采用VRLA以后，寿命不足500次。虽然如此显著差距有可能是由于充电措施不当产生，但VRLA的深循环寿命不如普通开口式蓄电池却是不争的事实。如果定期的检查和加水维护工作可以为用户所接受，目前开口式铅酸蓄电池系统一般会比VRLA系统具有更长的使用寿命。图1T105型蓄电池放电深度与循环寿命关系近年来世界各大公司已研制出各种改进的板栅材料，克服了早期容量损失的问题，同时其使用寿命也在不断提升。美国逐渐将其应用深循环工作条件中，如Metlakatla岛的储能电站[5]以及新型的Kokanee和Cutthroat无人驾驶潜艇[6]等。国内对于动力型深循环VRLA的研制也在积极进行中。金风帆采用富液式少维护涂膏式极板研制的电动车用12V-150Ah蓄电池，在放电深度为75%时寿命可达410次。目前尚未达到国家科委要求的放电深度75%，循环寿命750次要求。分布式发电系统中铅酸蓄电池的使用与维护4.1充电铅酸蓄电池充电过程一般分为如图2所示的4种充电模式a)恒流充电；充电器采用相对恒定的电流对蓄电池进行充电。在充电过程中由于电池容量的上升，端电压不断提高，当提高蓄电池生产厂商推荐的最高充电电压时，转为下一充电模式，此时蓄电池容量接近其额定容量的90%。b)恒压限流充电；在这种充电模式中，蓄电池电压恒定在最高充电电压，由于已蓄电池已接近其额定容量，蓄电池充电电流不断下降。图2铅酸蓄电池的一般充电过程c)浮充电；当恒压限流模式下，充电电流下降到电池生产厂商推荐的最小电流时，降低其充电电压，此时蓄电池进入浮充电状态，此时充电电流更小。d)均衡充电；当作为后备电源使用的铅酸蓄电池经过放电后，一般应对其进行一次均衡充电，以消除由放电造成的影响。在离网式分布式发电系统中所采用的铅酸蓄电池系统一般充电时间有限，充电功率有限，充电模式一般只限于恒流充电阶段。如果蓄电池系统长期充电不足，会导致负极板硫化，容量下降，电池过早失效。近年来国内外各公司研发出一种设备可以修复或缓解铅酸蓄电池的硫化。根据其工作方式的不同，有的被称为蓄电池活化仪，以美国PulseTech公司为代表；有的称为脉冲修复仪，以国内深圳维迪澳公司为代表。其基本手段是不采用稳恒的直流，而是采用一种脉冲的电流或电压对蓄电池进行充电。实践证明这种充电方式对消除铅酸蓄电池的硫化有显著效果，但目前为止还没有一种令人信服的理论可以解释这一现象。此外，人们还发展出一种快速充电技术。它以马斯三定律为理论基础，主要技术是在大电流充电的间隙对蓄电池进行短暂放电。目前一般采用1~2C的电流对电池进行短时间脉冲充电(一般为数毫秒)，在大电流充电的间隙对蓄电池进行短暂放电。这样做有三个好处：一是消除极化，提高极板的接受能力；第二是降低温升，蓄电池内部的化学反应为吸热反应；第三是减少析气，降低加水维护的工作量。国内部分单位已将其应用到产品中。由于它采用的也是一种脉冲充电技术，因此对去除负极板硫化具有显著效果，这一点也得到了实验的证实[16]。尽管目前在许多场合已经开始使用各种脉冲充电技术，但几乎所有蓄电池生产厂家都推荐在充电时采用相对恒定的电压和电流。一般认为脉冲充电对蓄电池寿命存在一定影响，但目前对于这方面的研究尚未见正式报道。4.2放电如前所述，对于经常工作在充放电循环状态的电池，其电池失效的主要原因是正极板活性物质的软化和脱落，放电深度对蓄电池的使用寿命有重要影响。如图1所示，如果希望得到3000次的循环寿命，T105型蓄电池的放电深度应限制在20%[18]。此外，蓄电池的放电电流对蓄电池也有重要影响，如蓄电池进行大电流电放电，不仅其可用容量会大大缩小，蓄电池的使用寿命也会大大缩短。因此，蓄电池监测与保护装置应当具有大电流放电保护功能。4.3监测与维护用于分布式发电系统中的蓄电池储能系统必须具有专门的监测装置以方便地监测每个单格蓄电池的电压及其温度。发现容量落后较多或发生故障的电池时应及时更换，以免故障进一步扩大。储能系统采用开口式电池时，还必须定期检查电解液液面，发现失水时应及时补充。监测工作可由计算机系统来完成。蓄电池的容量监测非常重要，早期的一般通过蓄电池的端电压来估算蓄电池的剩余电量，这种方法在实际应用中经常会出现较大误差。目前一般通过检测蓄电池系统的放电电流及其放电时间来计算蓄电池的剩余电量。这种技术已在小功率的锂离子控制器上得到应用，目前已有专门的芯片如BQ2060等专门用于电池电量监测。大型的蓄电池储能系统一般采用较大型的单体蓄电池，此类电池一般较高。如果放电电流较大且充电不及时，电解液会出现分层的现象，即电池上部分反应较充分，电解液浓度较低；电池下部分反应基本不参与反应，电解液深度较高。分层现象也会导致蓄电池过早损坏失效。为了避免电解液分层，蓄电池系统应定期进行均衡充电，保证各个深度的电解液浓度一致。在分布式发电系统中，如果定期均充条件得不到满足，应考虑采用附加的搅拌装置使电解液浓度均匀。搅拌可采用压缩空气进行。在环境温度过高或者过低时，铅酸蓄电池的性能会发生较大变化。铅酸蓄电池的最佳工作温度为25℃，在此基础上温度每升高10总结本文介绍了离网式分布式发电系统中的储能系统对铅酸蓄电池结构的要求，对构建大容量铅酸蓄电池储能系统时所需注意的问题进行了较为详细的分析和探讨。合理地使用和管理铅酸蓄电池系统不仅关系到蓄电池的使用寿命，而且关系到分布式发电系统的整体成本和经济效益，在整个分布式发电系统的设计中必须引起高度重视。参考文献马小亮.风力发电机组的电气控制.电工技术学报[J].2006,21(6):11~16.傅诚,陈鸣,沈玉樑等.基于输出参数的光伏电池最大功率点控制[J].电工技术学报,2007,22(2):148~152.张华民,周汉涛,赵平等.储能技术的研究开发现状及展望[J].能源工程,2005,3:1~7.徐衍亮,赵建辉,房建成.高速储能飞轮用无铁心永磁无刷直流电动机的分析与设计[J].电工技术学报,2004,19(12):24~28.卫海岗,戴兴建,张龙,沈祖培.飞轮储能技术研究新动态[J].太阳能学报.2002,23(6):748~753.尹忠东,朱永强.基于超级电容储能的统一负荷质量调节器的研究[J].电工技术学报,2006,21(5):122~126.张秀玲,宋建军.基于动态最近邻聚类算法的RBF神经网络及其在MH-Ni电池容量预测中的应用[J].电工技术学报.2005,20(11):85~87.Szymborski,J.;Hunt,G.;Jungst,R.ExaminationofVRLAbatterycellssampledfromtheMetlakatlabatteryenergystoragesystem[J].TheSixteenthAnnualBatteryConferenceonApplicationsandAdvances,2001:131~138.朱松然.铅蓄电池技术(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2002.SzymborskiJ.Lead-acidbatteriesforuseinsubmarineapplications[C].Proceedingsofthe2002Workshopon.AutonomousUnderwaterVehicles.2002:11~17.王德志,范孝铨,李兰宁.阀控密封铅酸蓄电池[M].北京:中国铁道出版社,2001.BerndtD.Alookbackatfortyyearsoflead-acid-batterydevelopment:Asurveyespeciallyregardingstationaryapplications[C].Twenty-SeventhInternationalTelecommunicationsConference.2005:269~275.SzymborskiJ.ApplicationChallengesForLead-acidBatteries[C].TheSecondInternationalTelecommunicationsEnergySpecialConference.1997:341~348.吴敏.铅酸蓄电池业现状与发展趋势[J].电器工业,2007,3:30~35.Hammond,R.L.;Everingham,S.;Srinivasan,D.Batteriesforstationarystandbyandforstationarycyclingapplicationspart1:standbyvs.cycling-definitionsandconcepts[C].PowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,IEEE,2003(1):141-145.陈建,沈宇功,钱照明.在部分荷电和深度放电状态下应用的动力VRLA电池脉冲充电技术[J].电工技术学报,2007,22(2):144~152.Ruhlmann,T.E.Leadacidbatteriesforstationaryfloatserviceandcyclingservicepart2:selectioncriteria[C].PowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,IEEE,2003(1):146~151.McDowall,J.A.Batteriesforstationarystandbyandforstationarycyclingapplicationspart3:operatingissues[C].PowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,IEEE,2003(1):152-154.Symons,P.C.Batteriesforstationarystandbyandforstationarycyclingapplicationspart4-chargemanagement[C].PowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,IEEE,2003(1):155~157.Chamberlin,J.L.Batteriesforstationarystandbyandcyclingapplications.Part5:maintenanceandtestingstandards[C].PowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,IEEE,2003(1):158~163.Corey,G.P.Batteriesforstationarystandbyandforstationarycyclingapplicationspart6:alternativeelectricitystoragetechnologies[C].PowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,IEEE,2003(1):164~169.作者简介：佘宏武（1983-），男，湖北天门人，博士研究生，研究方向为新型电力电子变换装置。联系方式：地址：湖北省武汉市华中科技大学西三楼应用电子技术教研室：430074联系人：佘宏武移动：(0公子邮件：hongwu_she@石家庄铁道学院毕业设计铅酸蓄电池容量检测系统的设计DesignofLead-acidBatteryCapacityDetectionSystem2021届电气与电子工程分院专业自动化学号20041667学生姓名张义顺指导教师邓晓燕完成日期2021年5月25日毕业设计成绩单毕业设计任务书毕业设计开题报告摘要本设计是以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3A-4.5A,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10.5V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AbstractThedesignisbatterymeasurementsystem,ofwhichAT89C51microcontrollerasthecore,throughthesoftwareprogrammingofAT89C51SCMcanachievethefollowingbasicrequirements:1,batterycapacitymeasurementbybatterydischarge;2,measuringdynamicvalueofvoltage,3,mayswitchdisplaythebatterycapacity/voltage;4,alarmaftertheendofameasure.Inordertodetectthebatteryvoltage,showthatvoltage,wemustsamplevoltage,andsamplingcircuitissmallcurrentdischargesothattestthevoltagemoreaccurate;Totestthebatterycapacity,wemustsamplecurrent,anddischargecurrentislarge.Dischargecurrentis3A-4.5A,alsorequiresdischargecurrentconstantaspossible.TheconstantcurrentdischargecircuitiscomposedofIntegratedOperationalamplifier.Structureissimple,andadjustmentiseasy.Theconstantdischargecircuitensurethatthedischargecurrentfundamentalconstant,soastoensuretheaccurateofcapacitydetection.Measureanddisplayvoltagebyreal-time,10.5Vtothedischarge,andthedischargeisover.Displaycapacitybyreal-time,andcalculatethecapacitybyintegration,donotneedmanualcalculations.UsingAT89C51SCMofAtmel,4KROMwithintheSCM,withoutexternalROM,thebatterycapacitydetectionsystem,designmadeofit,showeditsmonolithicstructure,hardwarecircuitissimple,themainfunctionworkbythesoftwareprogramming.Sosizeissmall,itishighlyreliableandmeasurementandshowingisconvenient,intuitive,priceislow.Keywords:Lead-acidbatteriesCapacitydetectionConstantcurrentdischarge目录第1章绪论(11.1课题研究的目的及意义(11.2国内外研究现状(11.3论文研究内容及创新点(4第2章铅酸蓄电池(52.1工作原理(52.2蓄电池的容量(62.3影响铅酸蓄电池容量的因素(8第3章AT89C51单片机结构及功能简介(133.1AT89C51简介(133.2主要特性(133.3管脚说明(133.4时钟振荡器(15第4章硬件设计(174.1采样电路的设计(174.2恒流放电电路的设计(184.3数字显示电路的设计(204.4A/D接口电路的设计(21第5章软件设计(245.1主要算法(245.2主程序设计(265.3A/D转换程序的设计(275.4数字显示程序设计(28第6章结论与展望(31参考文献(32致谢(33附录(34第1章绪论1.1课题研究的目的及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。GB5008.1标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度25±2℃的水浴中”,由此可见,标准对于试验温度的要求25±2℃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。1.2国内外研究现状1.核对放电法核对放电法即100%C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核对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1%~5%C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(15Hz~1000Hz、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(1A~10A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。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[1]。基于蓄电池本身的性能和技术特点,必须保留核对放电技术,它可以定量测试,是其他测试技术的基础。其次,应该改进目前的电导法(内阻法、电压测量法等快速测量法,使之提高测量精度,以满足现场维护工程师的要求。采用恒流放电技术,使放电电流基本恒定,对电流和时间进行积分,也就是对放电电流进行求和运算,最终得到放出的容量值。1.3论文研究内容及创新点主要研究利用单片机AT89C51设计一个蓄电池容量测量系统。铅酸蓄电池的容量检测方法很多,为了准确测量蓄电池的容量,本设计采用放电方法测试电池容量,并采取设计的恒流放电电路,而且单独测试电压和电流,保证了所测试电压和电流的准确。要求实时显示电池容量,实时显示电池电压,放电到10.5V测量结束并有报警提示,放电电流为3-4.5A,三位数码管显示,切换显示电压/安时。主要创新点是系统采用恒流放电,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。本系统硬件电路构成简单,主要功能均由软件编程实现,因而体积小、可靠性高、测量显示方便、直观、价格低廉。第2章铅酸蓄电池2.1工作原理所谓蓄电池即是贮存化学能量,在必要时放出电能的一种电气化学设备。构成铅蓄电池之主要成份如下[2]:阳极板(过氧化铅.PbO2--->活性物质阴极板(海绵状铅.Pb--->活性物质电解液(稀硫酸--->硫酸.H2SO4+水.H2O电池外壳隔离板其它(液口栓.盖子等铅蓄电池内的阳极(PbO2及阴极(Pb浸到电解液(稀硫酸中,两极间会产生2V的电力,这是根据铅蓄电池原理,经由充放电,则阴阳极及电解液即会发生如下的变化:(阳极(电解液(阴极PbO2+2H2SO4+Pb--->PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应(过氧化铅(硫酸(海绵状铅(阳极(电解液(阴极PbSO4+2H2O+PbSO4--->PbO2+2H2SO4+Pb(充电反应(硫酸铅(水(硫酸铅蓄电池连接外部电路放电时,稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物(硫酸铅。经由放电硫酸成分从电解液中释出,放电愈久,硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例,只要测得电解液中的硫酸浓度,亦即测其比重,即可得知放电量或残余电量。由于放电时在阳极板,阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池内电解液的浓度逐渐增加,亦即电解液之比重上升,并逐渐回复到放电前的浓度,这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态,当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时,即等于充电结束,而阴极板就产生氢,阳极板则产生氧,充电到最后阶段时,电流几乎都用在水的电解,因而电解液会减少,此时应以纯水补充之。2.2蓄电池的容量电动车用蓄电池的容量以下列条件表示之:◎电解液比值1.280/20℃◎放电电流5小时的电流◎放电终止电压1.70V/Cell◎放电中的电解液温度30±2℃放电中端子电压比放电前之无负载电压(开路电压低,理由如下:(1V=E-IRV-端子电压(VI-放电电流(AE-开路电压(VR-内部阻抗(Ω(2放电时,电解液比重下降,电压也降低。(3放电时,电池内部阻抗即随之增强,完全充电时若为1倍,则当完全放电时,即会增强2-3倍。用于起重时电瓶电压之所以比用于行走时的电压低,乃是由于起重用之油压马达比行走用之驱动马达功率大,因此放电流大,则上式的IR亦变大[3]。在容量试验中,放电率与容量的关系如下:5HR....1.7V/cell3HR....1.65V/cell1HR....1.55V/cell严禁到达上述电压时还继续放电,放电愈深,电瓶内温会升高,则活性物质劣化愈严重,进而缩短蓄电池寿命。因此,堆高机无负重扬升时的电池电压若已达1.75V/cell(24cell的42V,12cell的21V,则应停止使用,马上充电。当蓄电池温度降低,则其容量亦会因以下理由而显著减少。(A电解液不易扩散,两极活性物质的化学反应速率变慢。(B电解液之阻抗增加,电瓶电压下降,蓄电池的5HR容量会随蓄电池温度下降而减少。因此:(1冬季比夏季的使用时间短。(2特别是使用于冷冻库的蓄电池由于放电量大,而使一天的实际使用时间显著减短。若欲延长使用时间,则在冬季或是进入冷冻库前,应先提高其温度。每日反复充放电以供使用时,则电池寿命将会因放电量的深浅,而受到影响。蓄电池之电解液比重几乎与放电量成比例。因此,根据蓄电池完全放电时的比重及10%放电时的比重,即可推算出蓄电池的放电量。测定铅蓄电池之电解液比重为得知放电量的最佳方式。因此,定期性的测定使用后的比重,以避免过度放电,测比重的同时,亦侧电解液的温度,以20℃所换算出的比重,切勿使其降到80%放电量的数值以下。内部阻抗会因放电量增加而加大,尤其放电终点时,阻抗最大,主要因为放电的进行使得极板内产生电流的不良导体—硫酸铅及电解液比重的下降,都导致内部阻抗增强,故放电后,务必马上充电,若任其持续放电状态,则硫酸铅形成安定的白色结晶后(此即文献上所说的硫化现象,即使充电,极板的活性物质亦无法恢复原状,而将缩短电瓶的使用年限。白色硫酸铅化蓄电池放电,则阴、阳极板同时产生硫酸铅(PbS04,若任其持续放电,不予充电,则最后会形成安定的白色硫酸铅结晶(即使再充电,亦难再恢复原来的活性物质此状态称为白色硫化现象。当电池过度放电,内部阻抗即显著增加,因此蓄电池温度也会上升。放电时的温度高,会提高充电完成时温度,因此,将放电终了时的温度控制在40℃以下为最理想。2.3影响铅酸蓄电池容量的因素铅酸蓄电池的容量是指在一定的放电条件下,可以从电池中获得的容量,一般用安时(Ah数表示,符号为C。铅酸蓄电池容量有理论容量、实际容量和额定容量之分。理论容量是假设电池中活性物质放电时能够全部参加反应,并结合电池的反应方程式和各成份的电化学当量数值,按照法拉第定律计算求得的;实际容量是指在一定的放电条件下电池实际放出的电量,它总是低于理论容量;额定容量是设计和生产电池时,规定或保证电池在规定的放电条件下应该放出的最低限度的电量。通常说影响铅酸蓄电池容量的因素,都是指对电池实际容量的影响。因为一旦电池活性物质的总量确定下来,电池的理论容量就确定了,并且额定容量也是实际容量的一种反应。因为但凡说额定容量,都要确定放电电流值,并且也通常约定了放电的终止电压。而如果谈电池的实际放电容量,则包括的因素最为全面,不仅包含对理论容量的影响因素,甚至连对额定容量的影响因素也包含在内了,下面着重谈一下各种因素对铅酸蓄电池实际容量的影响。影响电池容量的因素很多,大致可以分为两类:一是生产工艺方面的因素,包括活性物质量、极板厚度、活性物质孔率、活性物质的真实表面积、极板的中心距、活性物质的组成;二是使用时的因素,包括放电的电流密度、放电的终止电压、电解液的温度和电解液的密度。1.活性物质量的影响活性物质量的多少是影响铅酸蓄电池容量的主要因素,一个电池活性物质的量确定以后,因为电解液硫酸的量通常是够用的,因此它的理论容量也就确定了,其他因素对容量的影响,就是对活性物质利用率的影响了。这里需要着重说明的是通常正极和负极的活性物质的理论容量是不一样的,并且在任何情况下,电池的实际容量都要以电池中容量相对较小电极的实际容量为准,这就要看不同放电条件分别对正负极实际容量的影响程度了。一般情况下,在常温及放电电流不太大时,电池的实际容量都受正极容量的限制,在低温及放电电流比较大时,电池容量通常受负极容量控制。但是对于阀控密封型铅酸蓄电池,由于氧复合反应的要求,使电池在设计之初就要求电池的负极容量大于正极的容量。2.极板厚度的影响当极板上活性物质总量确定以后,实际反应中,活性物质参加反应量的多少与极板厚度密切相关。一般说来,极板表面的活性物质能够直接和硫酸电解液接触起反应,而极板深处的活性物质就不然,以较大的电流放电时,由于表层生成的硫酸铅会堵塞活性物质的孔隙,致使极板深层的活性物质得不到电解液的及时补充而中断反应,导致极板越厚,深处极板上活性物质反应的利用率就越少。这是因为在活性物质总量相同的前提下,要么增加极板片数,要么增加单极板的表面积。这两种方式都相当于扩大了电解液扩散的表面积,如果把极板变薄,则相当于减小了扩散的厚度。在这种情况下,不仅扩散速度加快,浓度极化减小,而且由于反应面积的增加,电化学极化也减小。伴随着放电过程表现出来的现象是,电池端电压下降的慢,电池的放电容量增加,而厚极板则是情况相反。当然极板也不能太薄,这样不仅会影响电池的循环寿命,电池容量的增加也不会太明显。有研究表明:尽管极板越薄,活性物质利用率越高,但是当极板厚度减薄到2mm以下时,再减薄极板厚度,活性物质利用率也变化不大。也就是说,在活性物质总量相同的前提下,薄极板的优点主要体现在大电流放电情况下。3.极板孔率的影响所谓极板的孔率是指极板上活性物质中孔的总体积与铅膏的表观总体积之比的百分数。孔率对放电容量的影响具有两重性,一方面孔率大了,扩散容易,容量提高;另一方面,孔率大了,活性物质总量就会减少,容量反而减少,并且孔率过大,还会缩短电池的寿命。因此极板孔率应在极板生产时合理选择工艺过程,并且要严格控制过程保障能力,以生产出适合不同使用条件要求的最佳孔率的极板。活性物质的孔率决定于铅膏的视比重及涂板时的压板操作,铅膏视比重小,压板时压力小,则孔率大,反之则孔率小。一般正极板孔率控制在55%左右,负极板控制在60%左右。需要注意的是,不仅要注意孔率,还要注意孔的大小及其分布。这是因为活性物质放电后,体积要增加,孔太小时很容易被堵塞而使活性物质不能被充分利用,孔太大时又会影响活性物质之间的连接,在阀控密封铅酸蓄电池中,还会因影响气体复合时的通道而影响气体的复合效率。4.活性物质真实表面积的影响相同活性物质总量的极板放电容量不仅与上面提到的因素有关,而且还与极板的真实表面积有关。所谓真实表面积,也就是能够与电解液直接接触的活性物质的表面积,它要比按照极板几何尺寸计算出来的面积大的多,一方面包括极板的片数,另一方面还包括极板细孔的表面积。因为对于含活性物质的极板来说,活性物质粒子越小,表面积就越大。并且铅酸蓄电池活性物质的粒子都很小,因此它们做出的极板的真实表面积要比极板的表观表面积大几百到几千倍。真实表面积大,则扩散截面积与反应面积都增加,因此放电时浓度极化和电化学极化都减小,电池电压下降减慢,放电容量提高。因此对于体积、重量一定的铅酸蓄电池来说,要想提高其放电容量,可以通过增大极板的真实表面积来得到。此外,真实表面积还与孔的大小有关,把一个大孔分成几个小孔,尽管总孔体积不变,但是真实表面积却增大了。但需要注意的是小孔易被堵塞,造成这一部分表面积不能发挥作用。5.极板中心距的影响极板中心距是指两个同极性极板中心之间的距离。极板中心距的大小对电池的容量也有一定的影响,这个影响可以从两个方面来分析,一是要考虑电解液量对电池容量的影响;二是通过极板中心距的改变影响内阻,进而影响电池放电时放出电量的多少。说到电解液量对电池容量的影响,就需要引入另一个和极板中心距密切相关的概念:极板面间距,它指的是一个电池中不同极性的相邻极板之间的距离。大家都知道,极板中活性物质孔内的酸液量远远不够活性物质电化学反应的需要,据报道铅酸电池极板中的酸液量仅够活性物质总量的10%参加电化学反应。而在当今比较流行的阀控密封型铅酸蓄电池的设计原则中,不仅不允许有游离态的电解液存在,还要求电池隔板中的酸液量不能够饱和,必须留下5%~10%的孔来作为氧复合的通道。并且铅酸蓄电池中电解液硫酸的利用率通常也只有75%左右,这就要求电池在设计时,不仅要有足够活性物质反应的电解液量,而且又要极板的面间距尽可能的小,这样可以减小电池的内阻,放电容量同样也会上升。1.放电电流密度的影响对于同种规格和数量的极板制成的蓄电池来说,放电电流密度大时,放电容量减小。反之,放电电流密度小时,放电容量增大。这是因为放电电流密度大时,电化学极化和浓差极化都将加剧,造成放电电压迅速下降,放电容量减小。此外,放电电流密度大时,铅离子的数量在电极附近增加很快,使硫酸铅的过饱和度增大,生成晶粒细小而又致密的薄层硫酸铅盐层,它会在电解液来不及扩散进入活性物质内部时堵塞孔道,造成电极内部活性物质更加不易反应,利用率更低,放电容量更少。反之,当采用较小电流密度放电时,不仅电化学极化和浓差极化减小,而且由于铅离子的过饱和度减小,生成的硫酸铅层将是粗大而疏松的。这种盐层虽然也遮盖了电极表面,但是硫酸电解液仍然可以通过它的孔隙扩散到极板深处与活性物质接触、反应,当然能够放出较多的容量。这也是针对同种规格电池,各种标准规定在大电流放电时,允许放出较少的容量的主要原因。比如,针对固定型的阀控密封铅酸蓄电池,各种标准基本都规定,3小时率放电的容量只要达到10小时率放电容量的75%即判为合格。2.放电终止电压的影响铅酸蓄电池的放电终止电压,指的是蓄电池在一定的电流密度下放电时,放电到不宜再继续放电时的电池电压值。终止电压是根据实际需要而定的,一般小电流放电时,终止电压高些,大电流放电时,终止电压低些。这是因为小电流放电时,放电曲线平坦部分很长,到终止电压后,如果继续放电,则电压急剧下降。超过终止电压的容量最多也不能超过总容量的10%左右。而且这样的小电流过放电,容易形成大的PbSO4结晶或者在电极深处生成PbSO4,它们在充电时不易复原成金属铅,造成极板损伤。而大电流放电时,电压没有平坦部分,这时主要是扩散跟不上,形成的PbSO4较细,再充电时容易还原成金属铅,所以终止电压可以定得高些。3.电解液温度的影响电解液温度对铅酸蓄电池在一定放电率和终止电压条件下可供给的容量值有很大的影响,电解液温度升高,放电容量增加;温度降低,放电容量减小。电池容量随着温度降低而减小,与温度对电解液粘度和电阻有严重影响密切相关。温度低时,电解液粘度增大,离子运动受到较大阻力,电解液扩散能力降低,浓差极化急剧增加;同时温度低时,电解液的欧姆电阻也增大,导致电化学极化和欧姆极化也增加,容量同样减小。另外,温度低时,硫酸铅在电解液中的饱和度降低,这就必然造成铅离子在极板附近的过饱和度增加,形成致密的硫酸铅层,阻碍活性物质与电解液接触,同样也导致电池容量降低。这里需要着重说明两点:一是负极板受温度的影响比正极板敏感,这也说明了电池制造商为了提高电池的低温或大电流放电性能,通常都只在负极铅膏中增加相应的添加剂;二是由于电解液温度降低而引起的放电容量的降低,并不是说电池损失了一部分容量,因为只要给蓄电池加温,使电解液温度升高,铅蓄电池仍可放出其额定的放电容量。4.电解液密度的影响在铅酸蓄电池中,硫酸电解液密度的变化直接影响其放电的容量。密度太低,不仅极板孔内电解液密度下降太多,造成内阻增加,容量下降,而且还会造成电极附近电解液扩散困难而导致容量减少。虽然低密度的电解液会对电池容量产生不利的影响,但是电解液密度也不能太高,如果电解液密度超过一定限度时,电解液的固有电阻增加,粘度变大,同时电池的自放电也增大,对电池容量反而不利。在电解液的相对密度为1.22时电导率呈最大值,但是在电池放电过程中,酸的密度发生变化,由于放电率不同以及温度和对应于电池内活性物质量的电解液量不同,电解液的最适宜密度也就不同。相对密度在1.30以上的硫酸,除能增加自放电外,还会加速电池中隔板和正极板栅的腐蚀。这里需要着重说明的是:电池电解液密度的提高仅对正极有利,对负极则不然,特别是在大电流低温放电时这种差异更为显著,这时负极可能成为限制电池容量的因素[4]。第3章AT89C51单片机结构及功能简介3.1AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051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MCS-51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[5]。3.2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·数据保留时间: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位可编程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3.3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。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口输出其特殊功能寄存器的内容。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,如下表所示:口管脚备选功能P3.0RXD(串行输入口P3.1TXD(串行输出口INT(外部中断0P3.20INT(外部中断1P3.31P3.4T0(记时器0外部输入P3.5T1(记时器1外部输入P3.6WR(外部数据存储器写选通P3.7RD(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低位字节。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,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。EA/VPP:当EA保持低电平时,则在此期间为外部程序存储器(0000H-FFFFH,不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,此间为内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石英晶体振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.4时钟振荡器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3-1。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30pF±10pF,而如使用陶瓷振荡器建议选择40pF±10pF。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图3-1右图所示。这种情况下,外部时钟脉冲接到XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端,XTAL2则悬空。图3-1内部振荡电路和外部振荡电路由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的。所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。第4章硬件设计4.1采样电路的设计对蓄电池进行容量检测,需要大电流恒流放电,并且要测量出电流值,通过积分和累加计算出蓄电池容量,因此必须有电流取样电路。电流采样电路为大电流放电电路,因此放电回路上的电阻应为大功率电阻,其他器件也要符合大功率和大电流的要求;需要对电池放电进行自动控制,放电到10.5V则放电结束,显示闪烁最后数据,因此要有放电控制电路;系统要求实时电压显示,因此必须有电压取样电路。电压采样时,电路采用分压形式,蓄电池电压变化范围为10.5V-15V,分压后将3.5V-5V范围内的电压输入A/D转换器的模拟量输入端。为了提高准确性,应小电流放电,即放电电阻应为大电阻,电阻R6、R7选用1K的小功率电阻,由于电阻阻值存在较大的误差,R8选用1K左右的电位器[6];电流采样,应进行大电流放电,放电电阻RL为小阻值的大功率电阻。而蓄电池容量检测需要对蓄电池进行恒流放电,因此在电流采样电路中加入了恒流放电装置,该恒流放电电路的详细说明见4.2;由继电器控制放电电路的通断,继电器的选取应符合大电流的要求。当蓄电池电压大于10.5V时,通过软件设计,使P3.0口为低电平,则三极管基极为高电平,三极管导通,进而控制继电器闭合;当电压小于10.5V时,使P3.0口为高电平,则三极管基极为低电平,三极管截止,继电器失电,切断电路停止放电,并报警[7]。图4-1采样电路原理图4.2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。电路由集成运算放大器构成,其结构简单,调整方便,其方框图为:一图4-2a恒流放电电路方框图电路原理图如图4-2b,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,RL为负载电阻,Rs为取样电阻。Q2与Q3三极管构成调整环节。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[8]。图4-2b恒流放电电路原理图若由于输入电压Ei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(Us—E减小。由于U5A为反相放大器,因此其输出电压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:Ei↓→IL↓→US↓→(Us—E↓→Ub=K(US—E↑→Us↑。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,该电路中调节基准电压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[9]:RL:(Emin-3/IL,其中Emin为蓄电池的放电终止电压,IL为放电电流。蓄电池的终止电压为10.5V,IL为3-4.5A,取RL=2Ω。RS:0.33Ω;R1:6.2K;R2:1K;R3:16K;R4:1K;R5:100K;R6:1K。4.3数字显示电路的设计静态显示亮度高,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[10]。图4-3为89C51单片机和三位共阴极显示器的接口电路。89C51的P3.1、P3.4、P3.5口作为扫描口,经反相驱动器7406接显示器公共阴极;P1口作为段数据口,接显示器的各个阳极。图4-3数字显示电路原理图4.4A/D接口电路的设计本设计要进行电压采样和电流采样,因此涉及到A/D转换器的应用。AT89C51单片机内无A/D转换器,要外接A/D,这里选用8位的模数转换器ADC0809。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8个单段模拟输入信号中的一个进行A/D转换。1.主要特性:(18路8位A/D转换器,即分辨率8位。(2具有转换起停控制端。(3转换时间为100μs。(4单个+5V电源供电。(5模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。(6工作温度范围为-40~+85℃。(7低功耗,约15mW。2.内部结构:ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近3.外部特性(引脚功能:ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能。IN0~IN7:8路模拟量输入端。2-1~2-8:8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC:3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路。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(转换期间一直为低电平。OE:数据输出允许信号,输入,高电平有效。当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。CLK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率范围是10-1280kHz。REF(+、REF(-:基准电压。Vcc:电源,单一+5V。GND:地。ADC0809的工作过程是:首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上[11]。ADC0809与单片机的硬件接口方式有:查询方式、中断方式和等待延时方式。采用中断方式不浪费CPU的等待时间,但如果A/D转换时间较短,也可以用程序查询方式和等待延时方式。考虑到本次设计要求同时进行容量计算及电压和容量显示,因此选用中断方式。ADC0809与单片机AT89C51的接口电路,如图4-4所示。ADC0809芯片内部没有时钟脉冲源,可以利用单片机提供的地址锁存控制输入信号ALE,作为ADC0809的时钟输入。ALE端信号的频率是单片机时钟频率的1/6。AT89C51单片机的时钟频率是6MHz,则ALE端输出信号的频率为1MHz,符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有三态输出数据锁存器,其8位数据输出端可直接与数据总线相连。地址选通端分别与三个地址线相连,用于选通IN0—IN7中的某一通道。ADC0809作为单片机的一个外部扩展并行I/O口,口地址为BFFFH。P2.6与WR相或非,产生启动信号START和地址锁存控制信号ALE;P2.6与RD相或非产生输出允许控制信号OE。OE为高电平时,打开三态数据输出锁存器,将转换后的数据量输送到数据总线上,同时启动下一次转换[12]。图4-4A/D接口电路原理图第5章软件设计5.1主要算法255D5U11s⨯=(5-1a8876sRRRRUU++⨯=(5-1b式中:1D—A/D转换IN-1输入端的8位输出;1sU—IN-1输入端的模拟电压值;U—蓄电池的端