基于單片機的車載電池狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計(共36頁)

1、皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）皖 西 學(xué) 院本科(bnk)畢業(yè)論文（設(shè)計）論 文 題 目 基于單片機的車載電池(dinch)狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計姓名(xngmng)（學(xué)號） 沈湘鐘（2009011749） 院 別 機械與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 導(dǎo) 師 姓 名 劉世林 基于單片機的車載電池狀態(tài)(zhungti)檢測系統(tǒng)設(shè)計作 者 沈湘鐘 指導(dǎo)(zhdo)教師 劉世林摘要(zhiyo)：隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力所帶來的社會效益和經(jīng)濟效益也隨之增多。但是，由于生態(tài)環(huán)境的惡化，人類環(huán)保意識的增強，清潔能源越來越受到人們的青睞。蓄電池在這種條件下應(yīng)運而生，廣泛的應(yīng)用于航空，交通

2、，通信等各種方面。蓄電池作為電力系統(tǒng)的后備電源，其維護工作對保證電力系統(tǒng)的安全運行具有重要的意義。本文將以AT89C51單片機為基礎(chǔ)，主要對車載電池的實時狀態(tài)進行監(jiān)測，即充電和放電過程的監(jiān)控。先采用總體設(shè)計，然后進行各個子模塊的設(shè)計，實現(xiàn)對電池的電壓，電流，溫度和內(nèi)阻等的測量。本題目的研究對象是車載電池系統(tǒng)中的閥控式免維護鉛酸蓄電池，研究蓄電池組的狀態(tài)在線監(jiān)測，并設(shè)計出了蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)也是車載電池設(shè)備的一部分。闡述了本系統(tǒng)的監(jiān)測原理、方法和特點，介紹了整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計，設(shè)計了各個功能部件的硬件結(jié)構(gòu)。最后介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，其中主要分析了系統(tǒng)的整個軟件構(gòu)架和各個功能的實現(xiàn)。同時具

3、有人機對話界面，自動化程度加強，使操作更加簡單，具有較高的使用價值。關(guān)鍵詞：單片機；蓄電池；監(jiān)測系統(tǒng)On-board battery state detection system based on single chip designAbstract：With the rapid development of science and technology, it into social benefit and economic benefit brought by the productivity also increases. However, due to the deterioratio

4、n of ecological environment, human environmental protection consciousness enhancement, the clean energy more and more get the fond of people. Arises at the historic moment under this condition, the battery is widely used in aviation, transportation, communication and so on various aspects. Battery a

5、s backup power supply of electric power system, the maintenance work to ensure the safe operation of power system has important significance. This paper will be based on the AT89C51, mainly to car battery state of real-time monitoring, the monitoring of charging and discharging process. Overall desi

6、gn first, and then for the design of each module, implementation of battery voltage, current, temperature and internal resistance measurements. Subject purpose research object is the on-board battery system of valve control type free maintenance lead-acid battery, the battery status online monitorin

7、g, and battery automatic monitoring system are designed, the system is part of the vehicle battery equipment. Expounds the monitoring principle, method and characteristics of this system, introduces the hardware design of the whole system, designed the hardware structure of each functional unit. Fin

8、ally introduced the system software design, which mainly analyzes the system of the whole software architecture and the realization of each function.Have the man-machine dialogue interface at the same time, strengthen the degree of automation, make the operation more simple, has the high use value.K

9、ey words：Single chip microcomputer; Storage battery; Monitoring system目錄(ml)TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc358536810 1緒論(xln) 頁1緒論(xln)1.1課題(kt)背景由于工業(yè)革命以后，煤、石油、天然氣等不可再生能源的廣泛使用，人類面臨的能源危機問題日益突出，因此可再生能源受到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用(yngyng)，如太陽能、風(fēng)能、潮汐能等。其中太陽能的應(yīng)用最為廣泛。由于經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，煤和石油等所造成的生態(tài)環(huán)境惡化嚴(yán)重，大氣污染、土地沙漠化、溫室效應(yīng)等正威脅著人類的健康。

10、因此清潔能源的產(chǎn)生和使用受到了人們的青睞，如蓄電池。研究本課題的目的是為了能夠?qū)﹄姵仉妷簩崿F(xiàn)實時的監(jiān)測，以及時了解電池處于何種狀態(tài)，準(zhǔn)確估計電池的電量，并且能夠及時的顯示出來，以避免因過度充電或者過度放電造成對電池的損害。因此能夠最大限度的保護蓄電池，延長電池的使用壽命。1.2蓄電池的發(fā)展趨勢近幾十年來，蓄電池有了較快的發(fā)展，尤其是近10年來，我國的蓄電池產(chǎn)業(yè)更是發(fā)展迅速，產(chǎn)量遠高于歐美發(fā)達國家。蓄電池具有體積小，電壓穩(wěn)定，無污染，重量輕等特點，廣泛應(yīng)用于交通、航天、通信、照明等各個方面。目前，我國在車載電池的研究上處于世界水平，容量從幾十萬到幾百萬千萬不等。隨診人們生活水平的不斷提高，人們對

11、生活品質(zhì)的要求也隨之提高，由此帶來的就是對蓄電池的發(fā)展增加了空間。未來的汽車將擁有更大的負載，同時用電器的增多，發(fā)動機溫度的增加，這就要求蓄電池能夠在這樣多的條件下保持較長的壽命，較低的損耗。與此對應(yīng)的是蓄電池的發(fā)展趨勢：（1）提高蓄電池的可靠性。蓄電池的可靠性不僅取決于生產(chǎn)方式，而且也與使用方法有關(guān)。良好的充電方法能夠提高蓄電池的使用壽命。（2）提高輸出功率。采用更加高級的工藝設(shè)計能夠提高蓄電池的輸出功率。（3）生產(chǎn)免維護電化學(xué)系統(tǒng)。1.3需要完成的技術(shù)指標(biāo)根據(jù)論文要求，本次課題需要完成的指標(biāo)有：（1）完成一個基于單片機的車載電池狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計（2）系統(tǒng)應(yīng)包括：控制電路、顯示電路、A/D轉(zhuǎn)

12、化、單片機控制系統(tǒng)（3）設(shè)計硬件(yn jin)電路并進行電路設(shè)計（4）完成主要(zhyo)功能：能夠?qū)崿F(xiàn)對電池的實時狀態(tài)進行監(jiān)測2 系統(tǒng)(xtng)原理(yunl)2.1系統(tǒng)(xtng)的設(shè)計原理監(jiān)測蓄電池的實時狀態(tài)不僅是要確定此時的電量，而且還要求能夠可靠的預(yù)測蓄電池的放電狀態(tài)，以滿足使用者的要求。在正常情況下，電池充滿電量時能夠輸出的電能與其額定容量相差無幾。2.1.1 測量蓄電池的端電壓能夠準(zhǔn)確測量蓄電池的端電壓具有重要的作用。如測量電壓與額定電壓有較大差距時，表明蓄電池存在某種缺陷。由于免維護鉛酸蓄電池的固有電壓可能存在較大的偏差，因此直接測量蓄電池的端電壓并不能準(zhǔn)確測量電池的特性。

13、2.1.2負載測試目前能夠確定蓄電池的充電方法就是負載測試，即在蓄電池兩端加上負載，然后記錄其放電過程，再與蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)放電特性比較，從而近似確定其容量的大小。但是，要準(zhǔn)確測出放電特性，只能將電量用完。在實際的生活中，我們并不能這樣做，因為蓄電池耗完電量及充滿電量需要較長的實際。而且經(jīng)常對蓄電池進行負載測試會加速電池的老化，影響電池的使用壽命。2.1.3測量蓄電池的溫度蓄電池內(nèi)部溫度對其性能具有的很大影響。當(dāng)溫度上升時，蓄電池內(nèi)部的電解液的運動速度加快，化學(xué)反應(yīng)加快，所以滲透力隨之增強，蓄電池的內(nèi)阻減小，相當(dāng)于蓄電池的容量增大。有研究表明，當(dāng)電解液的溫度在1035的范圍內(nèi)變化時，每變化10，則

14、其容量變化約0.8。因此在測量蓄電池的性能時，溫度測量是必不可少的的一項任務(wù)。2.1.4測量蓄電池的內(nèi)阻在現(xiàn)實生活中，可以利用測量阻抗來評估和預(yù)測蓄電池的性能。增加金屬性電阻能夠使蓄電池的容量減小，因為電流會在增加的電阻上會產(chǎn)生一個電壓降，從而使蓄電池的端電壓更快地到達終止電壓，使得蓄電池的容量不能最大限度的釋放。對于電化學(xué)性的電阻而言，蓄電池的容量原本不會受電阻增加的影響，但是電化學(xué)性的電阻增加的真正原因是電解液的干涸活和性物質(zhì)的損失使得蓄電池存儲的能量減少，使得端電壓提前達到終止電壓，因此容量也就減少了。研究表明，隨著時間的推移，基板的硫酸化、活性物質(zhì)的脫落、電解液的干涸等會越發(fā)劇烈，這些

15、都是導(dǎo)致加速電池老化的原因。因此，蓄電池的歐姆內(nèi)阻能夠用來作為容量和完好性的重要有效指標(biāo)。2.2 主控芯片(xn pin)通過對MCS-51單片機內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)圖的掌握，了解單片機內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)及各個部件的功能與特點。即包括中央處理器（CPU）、定時/計數(shù)器、存儲器系統(tǒng)（RAM和ROM）、串行接口、并行接口、中斷系統(tǒng)及一些特殊的功能寄存器。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)(shngchn)的具有低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含有4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司(n s)的高密度、非易失性存儲技術(shù)生

16、產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8051產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機適合于許多應(yīng)用場合，靈活方便。2.2.1 AT89C51的簡介(jin ji)芯片(xn pin)的主要特性能與MCS-51單片機兼容(jin rn)全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器可編程串行通道片內(nèi)含有振蕩器和時鐘電路低功耗的閑置和掉電模式2.2.2引腳簡介VCC：供電電壓GND：接地P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸

17、入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故(yung)。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(y )內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作

18、為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出(shch)電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C

19、51的一些特殊功能口，如下表所示：端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時/計數(shù)器0外部輸入）P3.5T1（定時/計數(shù)器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它

20、可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效(yuxio)。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部(wib)程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。振蕩器的特性(

21、txng)XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，其中反向放大器能夠配置為片內(nèi)振蕩器。當(dāng)使用外部外部時鐘源驅(qū)動器件時，XTAL2不可連接。2.3 系統(tǒng)的控制方法蓄電池內(nèi)阻與蓄電池的容量及完好性具有密切的聯(lián)系，因此蓄電池的性能可以通過測量蓄電池的內(nèi)阻來體現(xiàn)。有研究證明，蓄電池的容量越大，其內(nèi)阻越小，因此可以通過蓄電池內(nèi)阻的測量，來估計蓄電池容量的大小。目前測量內(nèi)阻的方法有直流法、交流法、密度法等。2.3.1控制方法(1).直流法（1）若電池的開路電壓為E，輸入電流為I時蓄電池的端電壓為V,則電池的內(nèi)阻為R=（E-U）/I。此方法可以應(yīng)用于不同種類的蓄電池。但是由于（E-U）除了包括歐

22、姆極化之外還有其他之類的極化，因此用此方法測得的電池內(nèi)阻并不是電池的歐姆電阻。（2）對電池進行瞬間大電流放電，測量電池上的瞬時電壓下降幅度，然后利用歐姆定律得出電池的內(nèi)阻。此方法在現(xiàn)實的生產(chǎn)生活中得到廣泛的應(yīng)用，但也存在某種缺陷，如在靜態(tài)或脫機的情況下測量時，不能實現(xiàn)實時測量，同時也存在安全性的問題。另外，進行放電時較大的電流也會對蓄電池造成較大的損害。(2).交流法通過對電池注入一個低頻交流(jioli)電流信號，測量蓄電池兩短的低頻電壓幅度V0和流過低頻(dpn)交流電流幅度IS以及(yj)兩者的相位差，計算電池的等效內(nèi)阻：Z=V/I，R=Z COS=V0COS/I。因為交流法無需放電，不

23、用處于靜態(tài)或脫機，因此可以實現(xiàn)安全在線監(jiān)測管理，從而避免了對設(shè)備運行安全性的影響。(3).密度法通過測量蓄電池電解液的密度的測量來估算蓄電池的內(nèi)租，此方法常用于開口式鉛酸電池的內(nèi)阻測量，因此不適合用來測量密封鉛酸蓄電池的內(nèi)阻。2.3.2 測量內(nèi)阻和電動勢通常情況下蓄電池組處于浮充電狀態(tài)，電路如下：圖2-1 蓄電池組的充電主回路采用一種特殊的直流檢測法，測量蓄電池的內(nèi)阻和電動勢，電路如下所示：圖2-2 測量(cling)原理圖（Z截止）其中(qzhng)，Ri為電池(dinch)內(nèi)阻，Ei為電池電動勢。圖2-3測量原理圖(Z導(dǎo)通)當(dāng)Ti截止時，Ui1-I1Ri=Ei當(dāng)Ti導(dǎo)通時，I21=UC/R

24、*，I22=I2-I21，Ui2-I22Ri=Ei有上述方程可得：Ui1-I1Ri=Ei （1）Ui2-I22Ri=Ei， （2）（1）（2）得：Ui1-Ui2=( I1-I22)Ri因此可得：Ri= (Ui1-Ui2)/( I1-I22) （3）即Ei = Ui1 - I1 (Ui1-Ui2) /( I1-I22) （4）由上述（3）、（4）即可求出蓄電池的內(nèi)阻和電動勢。由上述所有公式可以看出，必須測量的量有晶體管導(dǎo)通時電壓UC，端電壓Ui1、Ui2，電流I1、 I2。當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時，則電流方向與上述方向相同，當(dāng)蓄電池處于放電狀態(tài)時，則電流方向與上述方向相反。3 硬件(yn jin)

25、電路3.1總體硬件(yn jin)設(shè)計本文(bnwn)采用功能模塊化設(shè)計方法，設(shè)計基于單片機的能量回饋控制系統(tǒng)。根據(jù)所需完成的功能將電路分為單片機最小系統(tǒng)、實現(xiàn)特定功能的子電路。為了使電加清晰，更具層次，因此采用程序原理圖設(shè)計，分別對子電路進行設(shè)計，同時也使電路更加容易調(diào)試和檢查錯誤。系統(tǒng)硬件電路如下：鍵盤RS485AT89C51單片機液晶顯示溫度測量A/D轉(zhuǎn)換多路開關(guān)測量電路蓄電池組由上圖可見，系統(tǒng)包括(boku)：測量電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤輸入電路、AT89C51單片機、液晶顯示電路、RS-485通訊(tngxn)電路。3.2單片機最小系統(tǒng)(xtng)必須要在XTAL1和XTAL2端口

26、加晶振電路時，單片機才能工作，單片機工作速度也是由晶振電路決定的。晶振電路如下圖所示： 圖3-1 晶振電路 圖3-2 微分復(fù)位電路在晶振電路中，電路中的電容C3和C4對振蕩頻率有微調(diào)作用，取值范圍為30+10pF；石英晶體可選擇6MHz或12MHz。由上圖可見，單片機最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路、電源、接地。（1）晶振電路電路如圖3-1所示晶振是 HYPERLINK /tech/syjt/200010130022/13441.html t _blank 晶體振蕩器的簡稱，可以等效成一個電容和一個 HYPERLINK /tech/qtdz/200010160031/28957.html t _

27、blank 電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)。 HYPERLINK /tech/syjt/200010130024/15445.html t _blank 晶振是給單片機提供工作信號脈沖的。這個脈沖就是單片機的工作速度。比如 HYPERLINK /tech/ljq/200010230005/989732.html t _blank 12M晶振。單片機工作速度就是每秒 12M。（2）復(fù)位電路電路如圖3-2所示以高電平為例，電源上電時，VCC可以認為一階躍信號復(fù)位端電壓是由于下拉電阻R1在CPU復(fù)位端引起的電壓值，一般為0.3V以下。但是在現(xiàn)實應(yīng)用中，VCC不可能成為非常理想的階躍信號，主要原因是

28、穩(wěn)壓電源的輸出開關(guān)特性；為保證電源電壓穩(wěn)定性，往往在電源的輸入端并聯(lián)一個大電容，從而導(dǎo)致了VCC不可能為階躍信號。（3）電源(dinyun)、接地單片機AT89C51使用的是+5V的電源，可直接(zhji)由穩(wěn)壓電源提供，接地直接接GND。（4）單片機最小系統(tǒng)(xtng)由上述晶振電路、復(fù)位電路、電源、接地組成單片機最小系統(tǒng)。電路如圖所示：圖3-3單片機最小系統(tǒng)3.3 系統(tǒng)監(jiān)測電路設(shè)計本系統(tǒng)擁有10路或20路相互獨立的測量通道。其中每路通道都被均被設(shè)計為單獨的模塊。同時，本系統(tǒng)具有校準(zhǔn)功能，可通過一個穩(wěn)壓管LM336提供基準(zhǔn)電壓來實現(xiàn)的。測量模塊電路如下圖所示：圖3-4模擬(mn)測量電路由上

29、圖可見(kjin)，測量電路主要測量的量為：電壓U、U，電流(dinli)I 、I，晶體管導(dǎo)通時電壓U，基準(zhǔn)端壓U。單片機對模塊共測量4個控制信號。其中包括控制信號A、B和C接在測量模塊上的光耦上，具有隔離作用。信號A、B經(jīng)過光耦后，連接到多路開關(guān)CD4051的控制輸入端A、B上，以此來選通測量量；控制端C控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通是通過光耦后接到一個PNP晶體管的基極。另一個控制信號來控制光耦的+5V電源是否接通，能夠控制此測量模塊是否工作，從而實現(xiàn)切換各通道的功能。3.3.1溫度測量電路本系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器DSl8B20來測量蓄電池的溫度。（1）DSI8B20簡介DSI8B20是美國DALL

30、AS公司的最新單線數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、經(jīng)濟等特點。能夠測量的溫度范圍為-55+125。適用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量,如測溫類消費電子產(chǎn)品、環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制等。DSI8B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為0.5。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：溫度傳感器、64位光刻ROM、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL,配置寄存器。它能夠直接將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此不需要A/D轉(zhuǎn)換電路。同一條總線上懸掛的DSl8B20必須分時占用總線，就是在測量時，同一時刻只能有一個DSl8B20占用總線。（2）DSl8B20與單片機的接口電路根據(jù)DSl8B20的特點，它可以從總線上直接得到能量，因此一般不

31、需外加電源。DS18B20的數(shù)據(jù)線DQ與單片機的P1.7腳相連接，實現(xiàn)溫度的傳輸，在總線上為高電平時，DS18B20將能量存儲在內(nèi)部的一個電容(dinrng)器中。當(dāng)總線為低電平時，電容開始釋放能量。當(dāng)總線再度為高電平時，放電過程結(jié)束。DSl8B20與AT89C51的接口電路圖3-5所示：3.3.2 電壓(diny)、電流監(jiān)測電路設(shè)計因為測量(cling)電路的輸出信號是模擬信號，所以要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能送到單片機進行處理。圖3-5 DSl8B20與AT89C51的接口電路3.3.3 電壓、電流監(jiān)測電路設(shè)計(1) A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549簡介TLC1549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的10位數(shù)模轉(zhuǎn)

32、換器。采用CMOS工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，抗干擾，采用差分基準(zhǔn)電壓、高阻輸入，總不可調(diào)誤差達到1LSB(4.8mV)等特點。圖3-6 TLC1549引腳圖（2）引腳簡介(jin ji)REF+ (1)：上參考電壓(diny)值，通常接+VCC。ANALOGIN(2)：模擬信號輸入(shr)。REF (3)：較低的基準(zhǔn)電壓值，通常接地。GND(4)：模擬信號和數(shù)字信號接地。CS(5)：片選信號。DATA OUT （6）：轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。I/OCLOCK （7）：輸入/輸出時鐘。下條沿輸出數(shù)據(jù)，最大頻率可達2.1MHZ。VCC(8)：正電源（5V）。（3）TLCl549與AT89C51的接口電路

33、TLCl549是串行方式輸出數(shù)據(jù)，單片機AT90C51的P1.4引腳與I/OCLOCK輸入相連，控制I/O時鐘；P1.5引腳與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出相連，能夠?qū)/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)輸入到單片機里；P1.6與片選相連，它來控制A/D轉(zhuǎn)換器的選通。電路如下所示：圖3-7 單片機與TLCl549的接口(ji ku)電路3.4 人機界面(rn j ji min)設(shè)計3.4.1 鍵盤輸入電路(dinl)監(jiān)測系統(tǒng)需要對測量值進行校準(zhǔn)，讀取溫度序列號，同時還要設(shè)定報警上下限、本機地址。然而這些操作必須由操作員動手來完成，因此又需要設(shè)置密碼。這些都需要通過鍵盤手動輸入到單片機里面。本系統(tǒng)中使用的是獨立式鍵盤如圖3-8，

34、共有5個鍵，它們分別是：SET鍵， 鍵， 鍵， 鍵，ENTER鍵。按鍵說明：（1）SET鍵：設(shè)置功能鍵。當(dāng)按下該鍵時，系統(tǒng)進入設(shè)置狀態(tài)，可以進行參數(shù)或密碼的修改。（2） 、鍵：加減或上下移動鍵。（3） 鍵：右移鍵。（4）ENTER鍵：確認鍵。接口電路如圖所示：圖3-8 鍵盤輸入電路(dinl)3.4.2 液晶顯示電路設(shè)計（1）簡介(jin ji)本監(jiān)測系統(tǒng)采用液晶模塊EDMl2864-09，可以顯示蓄電池的各實時狀態(tài)參數(shù)。EDMl2864-09是一種128(w)X64(h)全點陣的全透、正顯STN LCD。其背景顏色是黃綠色，顯示點為藍黑色。輸入數(shù)據(jù)來自(li z)于MPU的8位串行數(shù)據(jù)接口或

35、并行數(shù)據(jù)接口。EDMl2864-09提供三種可與CPU的接口：8位并行口，4位并行口及串行接口，然后由外部PSB腳來選擇接口的種類。當(dāng)PSB腳接“1”時為選擇8/4位接口方式，而當(dāng)接“0”時為串行接口方式。本監(jiān)測中選用8位接口方式。（2）接口電路EMDl286409與單片機通過雙向總線收發(fā)器74LS245連接。其接口電路如圖所示：圖3-9單片機與液晶顯示的接口(ji ku)電路單片機的P2.6和P2.7控制74LS245的選通和傳輸方向。單片機的P3.2、P3.3和P3.4控制液晶模塊上的RS、R/W、E引腳，從而(cng r)實現(xiàn)單片機對液晶模塊的讀或?qū)懖僮鳎⑶夷軌蚋鶕?jù)具體的情況顯示相應(yīng)的

36、內(nèi)容。4 系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設(shè)計在前面的幾章中對基于單片機的監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分(b fen)做了相應(yīng)的設(shè)計。但是硬件部分只能提供一個最基本的功能(gngnng)平臺，因此必須要以AT89C51單片機為核心，來完成相應(yīng)的功能。單片機驅(qū)動芯片工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池的的功能有：測量、運算、處理、顯示等。必須對已設(shè)計完成的硬件部分進行編程，才能使系統(tǒng)實現(xiàn)像樣的功能，這部分即軟件設(shè)計。要使系統(tǒng)在設(shè)計的硬件電路基礎(chǔ)上穩(wěn)定的工作，充分體現(xiàn)系統(tǒng)良好的性能，必須要設(shè)計出優(yōu)良的軟件程序。4.1 監(jiān)測系統(tǒng)軟件總體程序設(shè)計根據(jù)設(shè)計的要求，監(jiān)測系統(tǒng)在使用之前要進行校準(zhǔn)，其中包括基準(zhǔn)電壓輸入、電流量程輸入

37、；對報警上下限進行設(shè)置，其中包括電壓上下限、內(nèi)阻上限、溫度上限。這些功能均由鍵盤操作完成。在系統(tǒng)工作時，要對蓄電池的實時狀態(tài)進行測量，然后對測量結(jié)果進行校準(zhǔn)、濾波，最后計算得到蓄電池的內(nèi)阻和電動勢的值，并顯示到液晶顯示屏上。在明確了系統(tǒng)需要完成相應(yīng)的功能后，確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是在編制程序前必須完成的。由實際情況可知，蓄電池的各參數(shù)值均是用雙字節(jié)數(shù)來表示的。因此，可將軟件系統(tǒng)分為六個部分，依次為：初始化子程序，讀鍵子程序，鍵處理子程序，測量子程序，計算子程序，顯示予程序。軟件系統(tǒng)設(shè)計的流程圖如圖所示：開始初始化讀鍵子程序鍵處理子程序測量子程序計算子程序顯示子程序圖4-1 主程序流程4.2 初始化程序設(shè)

38、計(chn x sh j)在本監(jiān)測系統(tǒng)中，初始化程序主要是對各種緩沖區(qū)清零(qn ln)，其中包括測量緩沖區(qū)、顯示緩沖區(qū)、計算緩沖區(qū)，設(shè)置標(biāo)志位；設(shè)置中斷并設(shè)置中斷優(yōu)先級；初始化定時器，設(shè)置初值。初始化流程圖如圖所示：開始上電標(biāo)志10H，11H中值為AAH各緩沖區(qū)清零按鍵標(biāo)志位設(shè)置初始化定時器，設(shè)置初置設(shè)置中斷及中斷優(yōu)先級看門狗初始化置上電標(biāo)志10H，11H中值為AAH4-2 初始化程序(chngx)流程圖4.3 讀鍵程序設(shè)計因為單片機鍵盤是隨機操作的，而其主要操作對象不是鍵盤，因此單片機不是總處于等待按鍵按下的狀態(tài)。為解決上述問題，將鍵處理程序和讀鍵程序分開寫，而且設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。讀鍵程序

39、流程圖如下圖所示：開始初始化讀鍵子程序A=0Y延時，去抖NY讀P2口的值N低五位賦給A并取反A=0YN顯示子程序圖4-3 讀鍵程序(chngx)流程圖4.4 鍵處理程序設(shè)計(shj)鍵處理程序中各按鍵的功能的實現(xiàn)與否，與鍵盤能否完成各項操作具有很大關(guān)系。即報警上下限包括電壓上下限、溫度上限、內(nèi)阻上限的輸入；系統(tǒng)完成對校準(zhǔn)參數(shù)包括基準(zhǔn)電壓、電流量程的輸入；密碼的輸入或修改(xigi)；波特率的修改；本機地址的輸入；溫度序列號的讀取等功能。在對鍵進行處理時，首先要判斷按鍵的標(biāo)志位是否有變化，即按下的哪個按鍵，能夠準(zhǔn)確的確定。然后根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)進行相應(yīng)的操作。鍵處理流程圖如下所示：開始SET鍵處理，

40、并清除標(biāo)志Key1=111YKey2=1N鍵處理，并清除標(biāo)志位YNY鍵處理，并清除標(biāo)志位Key3=1Key=1N鍵處理，并清除標(biāo)志位NNYENTER鍵處理，并清除標(biāo)志位Key=1返回圖4-4 鍵處理程序流程圖4.5 測量(cling)程序設(shè)計4.5.1 電壓(diny)、電流子程序設(shè)計在片選信號(xnho)CS無效的情況下，TLCl549最初被禁止，DATA OUT處于高阻態(tài)的狀態(tài)。當(dāng)CS有效時，允許I/O CLOCK開始工作，同時DATA OUT離開高阻狀態(tài)。然后串行接口把I/O CLOCK序列提供給I/O CLOCK，并且前次轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果能夠從DATA OUT接收。I/O CLOCK接收

41、10和16個時鐘長度之間的輸入序列。模擬輸入控制時序由開始的10個I/O時鐘提供。單片機的接口從DATA OUT接收10位數(shù)據(jù)。10個以上的時鐘脈沖才能轉(zhuǎn)換。如果傳送的長度超過10個時鐘脈沖，為了保證其余位的值均為零，則DATA OUT會被10個時鐘的下降沿內(nèi)部邏輯拉至低電平。A/D轉(zhuǎn)換(zhunhun)程序流程圖如下圖所示： 開始選通A/D轉(zhuǎn)換器 輸出10個I/O脈沖，延時輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果高2位，保存在R6輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果低8位，保存在R7返回圖 4-5 A/D轉(zhuǎn)換(zhunhun)流程圖4.5.2 溫度測量(cling)程序設(shè)計數(shù)字式溫度傳感器DSl8820可將測量的溫度以兩個字節(jié)的形式存放在芯片

42、內(nèi)部的便箋式存儲器中。根據(jù)其特性，當(dāng)總線上有多于一個DSl8B20時，首先需要確定一個主DSl8B20，使其獲得優(yōu)先權(quán)，即優(yōu)先獲得總線的權(quán)利。因此，在系統(tǒng)在運行時，若有多個DSl8B20需要，必須讀取所有DSl8B20的序列號，同時需要將它們保存在系統(tǒng)的EEPROM中。DSl8820共分兩種內(nèi)部命令：即暫存器命令和ROM命令。其中暫存器命令是對包括溫度的轉(zhuǎn)換、讀取、上下限值的操作等；而ROM命令對包括序列號的讀取、尋址和搜索等。需要同時使用暫存器命令和ROM命令，才能使某一動作實現(xiàn)。溫度測量程序設(shè)計如下圖所示：開始設(shè)置程序入口設(shè)置定時入口初始化DS18B20判斷DS18B20是否存在?N 延時

43、YY溫度轉(zhuǎn)換初始化DS18B20判斷DS18B20是否存在?N 延時YY溫度讀取將溫度四舍五入后保存將溫度轉(zhuǎn)換成BCD碼返回圖4-6 溫度(wnd)測量流程圖4.6 控制(kngzh)程序設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)的原理(yunl)是測量程序得到端電壓Ui1、Ui2，晶體管導(dǎo)通時電壓Uc、電流I1、I2經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量后，計算程序?qū)凑找欢ǖ乃惴ㄍ瓿?wn chng)蓄電池電動勢和內(nèi)阻的計算。計算程序流程圖如下圖所示：開始取出R的值調(diào)用除法程序，計算I21=Uc/R調(diào)用減法程序，計算I22=I21-I21調(diào)用減法程序，計算I1-I22調(diào)用除法程序，計算Ri=(Ui1-Ui2)/(I1-I22)調(diào)

44、用乘法和減法程序，計算Ei=Ui1-I1*Ri保存計算的結(jié)果返回圖4-7 計算程序流程圖4.7 顯示程序設(shè)計顯示程序的設(shè)計的編程主要是對EDMl2864-09液晶顯示模塊。必須對液晶模塊初始化，然后才能顯示。隨后的顯示中可不再進行初始化。若在系統(tǒng)使用時不進行任何操作，則默認顯示第一路的工作狀態(tài)，然后觀察其他路的狀態(tài)，并且需要通過鍵盤來操作才能正常完成。通過判斷標(biāo)志位來確定哪一位需要顯示。本系統(tǒng)的液晶顯示屏上要求顯示的信息應(yīng)包括電池的路號，電動勢，端電壓，充放電電流，電池溫度等，并且顯示的數(shù)字是定期刷新的，以保持實時狀態(tài)的更新。當(dāng)系統(tǒng)進入事先設(shè)定完成的狀態(tài)時，則屏幕下方會出現(xiàn)與之相對應(yīng)的設(shè)置信息

45、的畫面。若系統(tǒng)在使用時，不對其進行任何的操作，則默認是顯示第一路狀態(tài)。如出現(xiàn)報警時，將在屏幕右上角處顯示出報警的那一路電池的狀態(tài)，并發(fā)出相應(yīng)的報警信號。顯示(xinsh)程序流程圖如下圖所示: 返回判斷各顯示畫面標(biāo)志位，進行相應(yīng)的顯示顯示動態(tài)數(shù)據(jù)置顯示標(biāo)志位標(biāo)志位將靜態(tài)顯示內(nèi)容寫到顯示緩沖區(qū)顯示標(biāo)志位為1?狀態(tài)顯示標(biāo)志位為1?置顯示初始化標(biāo)志位液晶模塊初始化設(shè)置顯示初始化標(biāo)志位為1?開始YNNYNYYN圖4-8 顯示(xinsh)程序流程圖5 結(jié)論(jiln)本次畢業(yè)設(shè)計是基于單片機的車載電池組狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)，是一種比較典型和常見的控制系統(tǒng)，并將在將來得打更加廣泛的應(yīng)用。主要針對51型單片機在實時監(jiān)測(jin c)控制方面的應(yīng)用，分析蓄電池的電動勢、內(nèi)阻、端電壓、充放電電流、溫度等參數(shù)測量監(jiān)測實例。設(shè)計中涉及控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、運算及控制各個部分，涵蓋知識面廣，實用性能較強。通過這