工程设计训练及生产实习报告陈庆勇

1、自 动 化 学 院工程设计训练及生产实习报告学 院自动化学院专 业自动化专业班 级学 号学生姓名陈庆勇指导教师林伟杰学 期2011年-2012年第一学期完成日期2012年1月第一部分 工程设计训练报告1.引言1.1 课题背景铅酸蓄电池行业与电力、交通、信息等产业发展息息相关, 铅酸蓄电池以其成本低、容量大、安全可靠等特点,在社会生产经营活动和人类生活中处于不可或缺的地位。我国蓄电池行业规模相当庞大,应用也非常广泛,针对铅酸蓄电池的使用不当带来的问题(如硫化、容量减小、使用寿命缩短等) ,实现蓄电池的管理显得非常有必要，然而国内目前应用于该领域的嵌入式系统产品不多。基于MSP430F149的蓄电

2、池管理模块设计,就是为了在线检测电池状态,为用户选择充电方法提供数据依据,提高充电质量和效率，因此研究出一套低成本的管理系统是很有实际应用价值的。2. 蓄电池特性及状态参数2.1 蓄电池的工作原理2.1.1 蓄电池的充电原理充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。充电时总的化学反应方程式： （2-1） 当蓄电池充电后，两极板上原来被消耗的活性物质恢复了，同时电解液中硫酸成分增加，水分减少，密度升高。由此可以看出，电解液密度的变化反应了蓄电池的充电程度。2.1.2 蓄电池的放电原理（1）正常放电放电时，

3、在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I。同时在电池内部进行化学反应。充电时总的化学反应方程式： （2-2）当蓄电池放电后，两极板上活性物质被消耗了，同时电解液中硫酸成分减少，水分增加，密度降低。由此可以看出，电解液密度的变化反应了蓄电池的放电程度。（2）过放电由多个单体电池串联组成的电池组放电时，容量最小的电池必然存在过放电现象。铅酸蓄电池过放电不会产生气体，这为电池的密封提供了有利的条件。（3）自放电电池在放置时存在自放电现象。蓄电池的自放电反应主要发生在负极，若想使电池密闭就必须最大限度的降低负极的自放电速度。2.2 充放电特性2.2.1 充电特性（1）恒压充电恒

4、压充电是指在充电过程中保持电压，而充电电流随充电的深入而逐渐减少，但在初始阶段，为避免通过电池的电流太大，限定最大的电流。其特征曲线如图2-1所示：图2-1 恒压充电特性图（2）恒流充电恒流充电是指在充电过程中保持电流恒定，特征是电池的充电电压随时间逐渐上升，直至最后达到一个相对高的值。其特征曲线如下图2-2所示：图2-2 恒流充电特征图2.2.2 放电特性（1）放电容量的影响因素放电电流越大，放出的容量越多；温度越高，防触电额容量越多；放电终止电压低，放出的容量多。为了避免电池的过度放电，根据放电电流的大小，制造厂家规定了最低放电终止电压，我们设置的终止电压最好不低于该终止电压。（2）放电特

5、性曲线放电特性曲线是描述蓄电池放电过程的曲线，它与放电电流有密切的关系，如图2-3所示。图2-3 蓄电池的放电特性曲线由放点特性曲线，可得：相同的放电特性曲线放映了相同的蓄电池性能；用较大的电流进行放电冲击，可在短时间内得到明显的下跌曲线，进而测的电池内阻。2.3 特性参数2.3.1 放电容量蓄电池的容量是指其在一定条件下所能放出的电量，它是衡量一只蓄电池优劣的主要指标，它标志着蓄电池存储能量的多少。容量的计算单位是安培每小时，可知当蓄电池进行放电时，容量等于放电电流和放电时间的乘积。蓄电池的容量通常定义为：蓄电池在特定的放电速率下有效的安时数。当蓄电池放电至终了电压时，可以认为其有效电量已全

6、部消耗。2.3.2 静止电动势蓄电池的电动势与电解液密度有关，一般电解液密度越大，电动势就越高。另外蓄电池电动势还和电解液的温度有关，但是温度的影响不是很大。用高阻抗电压表在常温下测得的正负极板间的电位差就是蓄电池的静止电动势。2.3.3 电池内阻电池内阻是电池性能的一个关键参数。电池内阻与电池制造工艺、电池结构、极板、隔板、电解液等因素有关。蓄电池的内阻分为金属性电阻和电化学性电阻。金属性电阻包括终端、夹板、栅格以及栅格与涂胶之间的电阻，电化学性电阻包括涂胶、电解液和隔板的电阻。电池内阻越小，电池性能就越好。电池内阻可以通过内阻仪测得或充放电数据计算得到。2.3.4 端电压蓄电池的端电压是在

7、正负极上实际测得的电压。蓄电池的工作状态不同，端电压也不同。当蓄电池不工作，即不向用电设备供电时，蓄电池的端电压等于它的电动势。当蓄电池向外供电时，它的端电压将小于电动势，等于电动势减去内部电压降，即U=E-IR；当蓄电池处于充电状态时，它的端电压就是充电电源加在正负极上的电压，其值大于电动势，等于电动势加上内部电压降，即U=E+IR。蓄电池的端电压不仅和电池的电动势有关，而且与充放电电流、内阻和充放电时间有关。2.4 蓄电池参数检测2.4.1 电池内阻测量因为蓄电池内部阻抗与蓄电池的容量及完好性有着密切的关系，蓄电池的性能可以通过蓄电池内阻精确体现出来。一般而言，电池的容量越大，内阻就越小，

8、因此可以通过蓄电池内阻的测量，对电池的容量进行在线评估。目前，内阻测量常见方法主要有：密度法、直流法和交流法。本文中，电池内阻可以通过内阻仪测得或充放电数据计算得到。2.4.2 电池端电压的测量 测量采用电阻分压，由精密的电阻取得经放大倍数小于1的放大器放大后送至单片机的A/D端。2.4.3 电池温度的测量采用DS18B20数字温度传感器贴于电池外壳进行测量。3. 系统设计3.1 系统整体方案3.1.1 系统概述整个系统是由MSP430F149单片机、蓄电池、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、充放电控制模块、显示器、键盘、通信电路等组成的，实现对蓄电池电压、电流、温度及剩余电量的实时在

9、线监测。本文设计的蓄电池管理系统主要有以下几个功能：（1）实时监测蓄电池的温度,通过温度及其他参数来计算蓄电池的充放电参数,避免因使用不当或蓄电池温度过高等因素缩短蓄电池的寿命。（2）实时监测蓄电池的端电压和电流,若发现电池容量小于警戒阈值,即提醒充电或自动切换备用电池。（3）能通过对参数的分析计算出蓄电池的剩余容量,并通过数码管实时显示出来。（4）系统能够自动修正蓄电池的内部参数来适应因使给蓄电池带来的一些变化,还能通过控制充放电电路获得更好的充电效果。3.1.2 系统框图图3-1 系统结构框图3.1.3 系统控制核心本系统采用的控制核心是MSP430F149单片机。MSP430F149单片

10、机在系统中不仅要实时监测蓄电池的电流、电压、温度等参数以及系统运行状态，还必须根据所采集到的数据进行处理，并对充电控制模块输出控制信号以实现对蓄电池系统的管理；同时，还负责实现按键控制和系统状态输出显示。MSP430是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机，它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路 USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟,支持8M的时钟。由于为FLASH

11、型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且JTAG口直接和FET的相连，不须另外的仿真工具，方便实用，而且，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响。3.2 系统信号采集的实现3.2.1 电压采集模块监测的对象主要是电池组的充放电电压。本系统中该检测模块主要利用了单片机内置的A/D转换器，由电阻取得其值经放大器放大后送至单片机的A/D端。由于单片机的A/D转换器的量程很小，所以要采用放大倍数小于1的放大器，将大电压降低到A/D转换器的量程内的值，前面还要接整流滤波电路。电路结构框图如图3-2所示：图3-2 电压采集模块结构图3.2.2 电流采集模块监测的

12、对象主要是电池组的充放电电流。本系统中为采集铅酸蓄电池的充放电电流数据，可在电池负端串联一个电流采样电阻把电流信号转换成电压信号，再经过一比例放大电路调整成单片机A/D口所能接收的电压信号。由于蓄电池可能处于充电状态也可能处于放电状态，当它处于充电状态时，运放输出的是正电压，当它处于放电状态时，运放输出的是负电压，而负电信号单片机是无法采集的,所以还要对电路进行一些特殊处理。本系统引入了参考电压和电阻使输出电压定位在正电压范围内，然后由单片机程序处理采样信号以识别充放电电流电路结构框图如图3-3所示：图3-3 电流采集模块电路结构框图3.2.3 温度采集模块本设计采用DS18B20 单总线数字

13、式智能型温度传感器，直接将温度物理量转化为数字信号，并以总线方式传送到控制器进行数据处理。DS18B20对于实测的温度提供了912位的数据和报警温度寄存器，测温范围为-55+125，其中在-10+85的范围内测量精度为0.5。此传感器可适用于各种领域、各种环境的自动化测量及控制系统,具有微型化、功耗低、性能高、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。此外，每一个DS18B20有唯一的系列号，因此多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上，给应用带来了极大的方便。系统采用热传导的粘合剂将器件粘附在蓄电池表面上，当环境空气温度与被测量的蓄电池温度不同时，应将器件的背面和引线与空气隔离。接地引脚是通向管

14、芯的最主要的热量路径，必须保证接地引脚也与被测温的蓄电池有良好的热接触。3.3 可控充放电模块该模块是本次设计中的硬件难点。充放电控制电路与外电网相连，对蓄电池进行充放电；能根据控制电路发出的指令或标志位,实现对蓄电池分阶段以不同电流充放电；且有自动断电的功能，可实现充放电管理。本系统中采用三相桥式全控整流桥技术实现充放电的转换。由电压、电流采集模块采集数据，利用MSP430F149中的A/D转换电流电压值，作为系统的反馈变量。处理后的反馈变量与设定值进行比较，根据一定的控制规律决定单片机是否给出触发信号来打开可控硅。电路框图如图3-4所示：图3-4 可控充放电模块电路框图由于长时间对蓄电池组

15、进行充电，电荷堆积于电池电极上而产生反向电压，实际上表现为电池内阻的增加，不但蓄电池中的有效化学物质不能完全参加化学反应，降低了蓄电池组容量的利用率，而且还会引起蓄电池组的严重发热，从而影响充电速度与质量，继而影响蓄电池组的性能和寿命。为此，采用了“充-停-放-充-停-放”循环充电的充电策略。3.4 系统外设模块3.4.1 显示模块本系统采用带中文字库的LCD12864液晶显示屏，LCD12864液晶显示屏是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8

16、点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面；可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示；低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。液晶显示屏上应要求显示端电压，电动势，电池温度，充放电电流等信息。当系统进入设定状态时，屏幕的下方会出现相应的设置信息画面。若是出现报警时，将显示在屏幕右上角。若系统处于通讯状态，在屏幕上也有所显示。报警和通讯显示是通过判断报警标志位和通讯标志位来进行操作的。3.4.2

17、 键盘模块键盘在单片机管理系统中是必不可少的，键盘是人机相互对话的桥梁，性能良好的键功能有助于管理系统作用的充分发挥。本系统的功能键的定义如下：ENTER：确认键，执行用户的命令，进入需要显示的屏幕；SET：设置功能键，按下进入设置状态，对报警温度，电压，电流等进行设置；：加减或上移键，设置时对数值进行增加，光标的上移；：减键或下移键，设置时对数值进行减少，光标的下移；：右移键，光标的右移；：左移键，光标的左移；本设计采用在软件上对输入进行消抖处理的方案，并对按键状态进行连续的判断处理,直到按键松开为止，然后才执行相应的处理程序。4. 结束语本系统采用MSP430F149作为控制器，系统可以实

18、时、准确地监测蓄电池的状态和显示蓄电池的电量，在电量不足时能够自动切换电源系统以实行自我保护。参数数据的更新依据是经过多次实验、对实测参数进行比较和运算的结果。通过实验，剩余电量计算值较未更新参数时更接近实际值。该系统能及时发现并控制对蓄电池的不当使用，提供自我保护，并能够准确地判断系统的运行状态，大大提高了被供电系统的稳定性，有助于提高蓄电池的使用寿命和效率。参考文献：1 李思阳. 基于单片机的蓄电池自动检测系统D. 大连：大连理工大学，2005.2 胡永华，杨金明. 基于AVR的铅酸蓄电池管理系统设计J. 微计算机信息， 2010，26(2-2)：55-57. 3 孙步胜、孙延春. 基于单

19、片机MSP430的蓄电池监测仪J. 仪表技术与传感器，2007，（7）：15-19. 4 凌朝东. 智能型的铅酸蓄电池管理系统J. 单片机与嵌入式系统应用，2009，（1）：56-58. 5 梅烨. 基于MS9430F449的VRLA蓄电池监测系统设计与实现D. 陕西：西北工业大学，2007. 6 程琦、王克崇. 一种基于MSP430单片机的蓄电池充电系统J. 现代电子技术，2003，14（157）：47-49. 第二部分 生产实习报告1. 生产实习目的生产实习是一门实践性课程，是学生将理论知识同生产实践相结合的有效途径，是增强学生的群众性观点、劳动观点、工程观点和建设有中国特色社会主义事业的

20、责任心和使命感的过程。此次生产实习，使我学习和了解了娃哈哈饮料和汽车从原材料到成品批量生产的全过程以及生产组织管理等知识，培养我树立理论联系实际的工作作风，以及生产现场中将科学的理论知识加以验证、深化、巩固和充实，为后继专业课的学习、课程设计和毕业设计打下坚实的基础。通过生产实习，拓宽学生的知识面，增加感性认识，把所学知识条理化系统化，学到从书本学不到的专业知识，并获得本专业的发展现状和前景，培养我们树立正确的专业思想和学习态度，明确学习的方向，为今后的学习和将从事的技术工作打下坚实的基础。2. 生产实习内容这次生产实习是对我们即将步入工作岗位的一次练兵，同时也给我们的毕业设计打下坚实的基础。

21、我们这次实习的主要地点是杭州娃哈哈集团有限公司和杭州益维汽车工业有限公司，以老师带队参观、公司人员讲解、参观车间及流水线等方式，了解企业的发展史、生产理念、经营规模等情况，结合自己专业的知识，在参观中了解自己的未来发展方向。2.1杭州娃哈哈集团有限公司2011年12月05日下午，我在王坚老师的带领下与同学们前往娃哈哈下沙总公司参观学习。进入娃哈哈工业园，娃哈哈负责人首先介绍了娃哈哈的相关背景。杭州娃哈哈集团有限公司成立于1987年，前身为杭州市上城区校办企业经销部，公司从3个人、14万元借款起家，现已发展成为中国规模最大、效益最好的饮料企业。目前在全国29省市建有58个基地150余家分公司，拥

22、有总资产300亿元，员工30000人。24年来，公司以一流的技术、一流的设备，一流的服务，打造出一流的品质，先后投资100多亿元从美国、法国、德国、日本、意大利等国引进400条世界一流的自动化生产线，主要生产含乳饮料、饮用水、碳酸饮料、果汁饮料、茶饮料、保健食品、罐头食品、休闲食品等8大类100多个品种的产品。 2010年集团实现营业收入550亿元，利税112亿元，上交税金46亿元。23年励精图治，自强不息，缔造了娃哈哈在饮料行业难以撼动的霸主地位。集团饮料产量、销售收入、利税、利润等各项指标已连续13年位居中国饮料行业首位。公司位列2010中国企业500强141位，中国制造业企业500强64

23、位，中国企业效益200佳第25位，饮料加工业第1位。在中国民营企业500强中，娃哈哈营业收入居第八位、利润第一位、纳税第二位。 24年来，娃哈哈始终坚持以创新为企业发展的不竭动力，不断提升企业技术实力，在瞬息万变的竞争中牢牢把握市场主动权，娃哈哈开发出的产品不仅引导了消费潮流，丰富了人民的生活，也推动了中国饮料工业健康快速发展。目前，娃哈哈已拥有通过中国合格认定国家认可委员会（CNAS）认可的实验室、国家级企业技术中心、博士后科研工作站，拥有强大的食品饮料自主研发能力，以及各类产业化实施技术和生产线配套设计、制造、安装、调试能力，能自己开模具及制造替代部分进口设备。公司并积极参与了40多项国家

24、、行业标准、国家部门法规的制（修）订，推动中国饮料行业与国际饮料技术水平接轨。在娃哈哈下沙总公司负责人的带领下，全体同学观看了娃哈哈企业的宣传片，了解了娃哈哈艰辛而辉煌的发展历程。随后，同学们参观了娃哈哈企业形象展，借助声、光、电等多媒体技术全方位了解了娃哈哈的过去、现在和未来，以及管理特色、营销网络等。先进的技术装备是“娃哈哈”走新型工业化道路的重要保证。娃哈哈集团从20世纪90年代中期开始，进行大规模的技术改造，先后投巨资从美国、意大利、日本、德国等引进60余条世界一流水平的自动化生产线，形成了规模化生产能力，取得了规模效益，保持了竞争优势。目前，“娃哈哈”拥有的先进设备总价值约4亿美元。

25、在整座娃哈哈工业园中很少看到有人工搬运或生产的情景，而是传送带、机车的不间断运行，这得益于自动化的快速发展和充分利用。在某处厂房，我们看到了现代化流水线。它是由两条碳酸饮料灌装线和一条纯净水灌装线组成，每条线的生产能力达到3.6万瓶每小时。流水线的作业大大减少了人力劳动，使工人的工作更加轻松。偌大的一个车间只需要10个工人就能把工作做好，而且工作效率也得到了很好的保证，充分提高了劳动生产率。车间的四周悬挂着一些“质量第一、从我做起”，“产品是躯壳、质量是灵魂”等一系列口号，可见娃哈哈充分利用科学技术，以人为本，保质保量。随后，我们来到了碳酸饮料和纯净水的生产车间，在这里见到了产品的整个制瓶、灌

26、装、包装全自动的生产过程。通过对具有世界先进水平的自动化生产线的了解以及专业工作人员的介绍，我们既为娃哈哈的发展感到欣慰，为自己品牌不断壮大感到自豪，为祖国的蓬勃发展而感到骄傲，也深深感触到科技是第一生产力的道理。2.2杭州益维汽车工业有限公司2011年12月13号，我在吴秋轩老师的带领下与同学们前往众泰控股杭州益维汽车工业有限公司进行参观学习。经过几分钟的车程，我们来到了汽车工业园，只见工业园前的那条公路上停满了益维产的汽车，给我们这次参观留下了深刻的印象。进入工业园区，相关人员热情的接待了我们，组装厂厂长给我们先介绍了益维的发展史。杭州益维汽车工业有限公司成立于2009年8月，注册资本2亿元人民币，是浙江众泰控股集团下属子公司。公司坐落于杭州下沙经济技术开发区，占地面积9.8万