【基于單片機蓄電池容量測試系統(tǒng)設計11000字（論文）】

基于單片機蓄電池容量測試系統(tǒng)設計摘要目前在對于單片機的應用較多，技術也較為成熟，所以更容易實現(xiàn)對電力的保護，也能夠提前進行預防，對外界的物質(zhì)干擾也會較大的提升。不僅在能夠?qū)佣喾N不同設備，也能夠在不同大企業(yè)中能夠應用，其中的變化也只是在合適度上進行選擇。蓄電池在日常生活中隨處可見的，但是電池的電量多少一直無人可知，利用單片機對蓄電池容量進行檢查，能夠會更好的獲取蓄電池的電量情況，對于使用者也來說非常方便。本次主要研究在采用單片機的情況下檢測蓄電池容量的管理系統(tǒng)，主要的研究內(nèi)容在于：首先通過列舉出檢測蓄電池的方式，然后在檢測方法適當?shù)那闆r下選擇系統(tǒng)所需要的功能。通過使用安時積分法完成對電量大小的判斷，在根據(jù)放電狀態(tài)下的電路和STC89C52RC單片機的控制使系統(tǒng)能夠正常運行，然后在加入OLED12864顯示電量和LTC2944檢測電量的功能，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r對線路中的電壓、電流和電量進行檢測，通過實驗表明，本次的實驗具有一定的研究意義和使用價值。關鍵字：蓄電池；單片機；容量監(jiān)測；LTC2944目錄TOC\o"1-3"\h\u2124摘要 I30811Abstract II23838第1章緒論 137631.1課題背景 277471.1.1背景 2304231.1.2國內(nèi)外發(fā)展及方向 2150441.2國內(nèi)外常用的SOC估算方法 47088第2章系統(tǒng)整體設計方案 7291252.1蓄電池容量測試系統(tǒng)的需求分析和選型 7184802.2系統(tǒng)整體設計架構 812637第3章硬件設計 1033853.1蓄電池充放電及保護模塊的設計 10239203.2主控模塊的設計 129233.3檢測模塊的設計 15179473.4顯示模塊的設計 19131273.5通信模塊的設計 204780第4章軟件設計 21289114.1IIC總線控制模塊 21197804.2OLED液晶顯示模塊 22198664.3LTC2944監(jiān)測模塊 23236944.4RS485通信模塊 2520479第5章總結與展望 27256535.1總結 27116885.2展望 272556參考文獻 2810790致謝 29第1章緒論1.1課題背景1.1.1背景蓄電池作為一種供電方便、安全穩(wěn)定的直流電源，在我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛，因此對蓄電池的研究也是一直以來的熱點，在工業(yè)生產(chǎn)中，得益于單片機在智能控制方面的應用，人們對基于單片機的蓄電池自動化測試系統(tǒng)也一直進行研究，其應用領域廣闊，適用于現(xiàn)代工業(yè)文明階段的使用，具有很強的實際應用價值和經(jīng)濟效益。研究表明影響蓄電池使用壽命的因素有很多，主要因素可歸納為其自身的設計結構特性、使用環(huán)境、具體的充放電放式、管理方法等。這些因素中影響蓄電池使用壽命的關鍵因素是充放電方式，其中充電方式對蓄電池的影響要大于放電方式，易導致蓄電池被錯誤的充電方式所損壞。這主要是由于蓄電池串聯(lián)充電時，蓄電池組中每個電芯都不是完全相同的，這將導致容量較小的電池總是先充滿而處于過充狀態(tài)，過充電則會減少蓄電池的容量和壽命；同理放電時容量較小的電池總是先達到放電截止條件而處于過放狀態(tài)，同樣導致對蓄電池的損害，因此電池組經(jīng)過多次充放電后，單體電芯間的差距會拉大，形成惡性循環(huán)，進而影響電池組的性能和壽命，威脅供電系統(tǒng)的安全性。正因為多種因素影響著蓄電池的壽命，所以國內(nèi)外對于蓄電池剩余電量（SOC）監(jiān)測的研究不僅僅表現(xiàn)在對SOC的監(jiān)測，而集中表現(xiàn)在蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)的研究中。而SOC作為充放電的重要判斷參數(shù)，對BMS起到調(diào)節(jié)作用。在充電階段，如果蓄電池容量過低，充電效率將會降低，變成限流充電，直至達到正常范圍后才能快速充電。放電階段，當電量較低時，即使在截止電量以上，甚至在20%SOC時，都可能限制功率輸出，防止大電流造成系統(tǒng)觸及停止電壓，降低了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。1.1.2國內(nèi)外發(fā)展及方向（1）國外研究現(xiàn)狀國際上的發(fā)達國家對于蓄電池管理系統(tǒng)BMS的研究起步較早，由美國最早提出BMS的概念，此后以美日德為代表的發(fā)達國家在此方面研究力度強，資金投入大，他們通過對蓄電池各種條件下，進行反復充放電測試，采集了大量有關蓄電池充放電的數(shù)據(jù)，并在此基礎上對蓄電池進行建模，開發(fā)出針對不同種類蓄電池的管理系統(tǒng)，并通過優(yōu)化已研發(fā)出多種商用管理系統(tǒng)。目前美國是BMS的領先者，以美國的特斯拉公司為例：在Tesla

Roadster電動汽車上使用了6831節(jié)單體電芯,如下圖1-1所示，一個電池包由11個Module串聯(lián)構成，1個Module由每9個電池磚串聯(lián)構成，一個電池磚由每69節(jié)18650并聯(lián)形成，而且它的BMS是分級管理，在每個電池磚上都設有電池監(jiān)控板，當某節(jié)電芯出現(xiàn)問題時，可以更換模組，而監(jiān)管如此龐大數(shù)量的電芯就需要功能強大的電氣監(jiān)控系統(tǒng)，這是目前大多數(shù)國家還無法達到的水平，并且特斯拉的BMS還配備了熱管理系統(tǒng)、SOC檢測系統(tǒng)等，用來保證蓄電池組充放電的安全與穩(wěn)定。圖1-1Tesla

Roadster電動汽車電池包結構圖總結：在BMS的研究上，國際上以美國為首的發(fā)達國家研究起步早，BMS研究更趨成熟，得益于他們強大的科技基礎，能使用較先進的技術管理蓄電池系統(tǒng)。（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)達國家相比，雖然我國的蓄電池管理系統(tǒng)起步晚，起點低，在精度、均衡控制、熱管理等方面存在不足，但發(fā)展迅速。國內(nèi)很早就開始重視蓄電池管理系統(tǒng)的研發(fā)，北京交通大學自1999年起就開始了蓄電池管理系統(tǒng)的研究，并設計出適應鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等不同種類電池的蓄電池管理系統(tǒng)。并將蓄電池管理系統(tǒng)列入國家重點培養(yǎng)的七大戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)之一。得益于國家“十一五”和“863”計劃的支持，我國在蓄電池管理方面已經(jīng)取得了較大的進步，尤其在汽車電池管理系統(tǒng)方面，目前已接近國際領先水平。以電動汽車的BMS為例，僅是我國知名的BMS專業(yè)廠家就有深圳比亞迪、均勝電子、華霆動力、哈爾濱冠拓、億能電子、深圳國新動力、河南環(huán)宇等等，其相關企業(yè)更是不勝枚舉，可以說電動汽車的蓄電池管理系統(tǒng)在我國發(fā)展動力十足，近七年中國新能源汽車動力鋰電池BMS市場規(guī)模如下圖1-2所示圖1-2近七年中國新能源汽車動力鋰電池BMS市場規(guī)模數(shù)據(jù)來源：2020年GGII《2020年中國動力鋰電池BMS行業(yè)分析報告》以國內(nèi)新能源汽車引領者-比亞迪為例，它為油電混合汽車設計了分布式的BMS，其能夠?qū)崿F(xiàn)對動力電池組的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對電池組的剩余電量進行估算，并完成熱管理、安全管理等。其它BMS廠家的系統(tǒng)也大致相同，均是通過對蓄電池組的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理后進行控制和管理，甚至借助物聯(lián)網(wǎng)進行遠程控制，營造安全可靠的蓄電池工作環(huán)境?？偨Y：對于BMS，國內(nèi)外都在積極研究和優(yōu)化該系統(tǒng)，目前發(fā)達國家尤其是美國，處于該領域領導者，我國雖起步晚，但得益于國家的扶持和推廣以及巨大的需求市場，所以發(fā)展速度快，目前我國的電動汽車的BMS已達到國際前沿水平。1.2國內(nèi)外常用的SOC估算方法SOC作為蓄電池容量管理系統(tǒng)中一項重要工作參數(shù)，其測量方法在國內(nèi)外通用。目前常用的SOC檢測方法有：開路電壓法、放電法、電導（內(nèi)阻）測量法、密度法、安時積分法、卡爾曼濾波算法、基于H無窮觀測器估計法、庫侖計法、j.神經(jīng)網(wǎng)絡算法等，具體如下：a.開路電壓法由于蓄電池長期靜置時，蓄電池的端電壓與SOC有明確的對應關系，根據(jù)這一特性可以估算蓄電池的電量，這種方法在電池開路電壓波動大的充放電初期有較好效果，但由于電池的電量和電壓的關系不是線性的，蓄電池也存在浮壓特性，需要等蓄電池停止工作一段時間穩(wěn)定，所以這種測試方法既不精確,也不適合實時估算SOC，但簡單方便，適合配合其它的測量方法使用。b完全放電和不完全放電測試法完全放電即百分之百的深度放電，將滿電量的蓄電池接負載經(jīng)過長時間放電至終止電壓，具有容量測試準確可靠的優(yōu)點，也是目前檢測電池性能的較可靠方法之一。不過它的缺點也很突出，主要表現(xiàn)為：傳統(tǒng)的完全放電普遍采用電阻絲進行放電，放電時間過長，需要進行人工操作，因此，程序繁瑣，測量效率低，甚至完全放電的時間可以達到20h以上。與之相對應的是不完全放電，即對蓄電池進行百分之一到百分之五的淺度放電。該方法優(yōu)點是測量時間比完全放電短，但缺點也很明顯，測試精度低，無法準確測量蓄電池當前電量，僅能作為定性參考。c.電導（內(nèi)阻）測量法該測量法是通過在蓄電池電極之間加上交流電計算出電池的電導，再通過測得的蓄電池電導值間接估算SOC，由于內(nèi)阻與電量是非線性關系[6]，在高于一半電量時，蓄電池內(nèi)阻基本不變，在低電量情況下內(nèi)阻變化明顯，所以這種方法在高電量時無法估算SOC，在低電量時估算也不精確，只適合在低電量時做定性判斷，無法做定量估算SOC。d.密度法密度法的原理是蓄電池的電解液濃度和其SOC有對應的關系[7]，通過檢查電解液的濃度就可估算出SOC。這種方法原理簡單，但需要知道電解液濃度才能估算SOC，實際使用難度相對較大，不適用于非密封的蓄電池，因此實用性不強。而且測量準確度相對較低，不適合實時測量SOC。e.安時積分（庫侖計數(shù)）法安時積分法是目前廣泛使用的一種SOC估算方法，從字義上就能理解是時間與電流的積分，因此又稱庫侖計數(shù)法。f.卡爾曼濾波及其拓展算法卡爾曼濾波法，通過引入時域的概念，將動態(tài)過程用狀態(tài)方程描述，將觀測信息用測量方程描述，用前一時刻的估計值和當前時刻的觀測值相互迭代，不斷對狀態(tài)變量的估算進行更新。在卡爾曼濾波算法的基礎上延伸出來的各種算法，例如自適應擴展卡爾曼算法(AEKF)、基于H無窮觀測器估計法等，在多個計算領域得到應用，也已成為動力電池剩余電量估計的新方法中最為主流的一種。g.神經(jīng)網(wǎng)絡算法在人工智能不停發(fā)展的背景下，估算SOC也應用了神經(jīng)網(wǎng)絡計算，理論上這種方法是估算SOC非常理想的方法。通過對樣本數(shù)據(jù)的學習，神經(jīng)網(wǎng)絡可以避開現(xiàn)有基于電池內(nèi)部物理化學反應所建立的不精準的數(shù)學模型，改進神經(jīng)網(wǎng)絡建立電池SOC預測模型，目前神經(jīng)網(wǎng)絡估算電池SOC有BP神經(jīng)網(wǎng)絡、Elman神經(jīng)網(wǎng)絡、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡等。綜上所述，對于蓄電池容量估算的方法，也在隨著時代的進步，不斷的提高精確度，也結合了現(xiàn)在的新技術如神經(jīng)網(wǎng)絡算法等，其中在工業(yè)應用中：開路電壓法因簡單方便而在對BMS要求不高的產(chǎn)品中廣泛應用；安時積分法因有一定的精確度和裝置的較易實現(xiàn)性，而在對SOC測量有一定精度要求的裝置中廣泛應用；卡爾曼濾波及其拓展算法則是在現(xiàn)代工業(yè)中能實現(xiàn)的精度最高的一種方法，在高科技產(chǎn)品中有廣泛應用。而隨著計算能力的不斷提高，相信神經(jīng)網(wǎng)絡算法也將在未來的工業(yè)生產(chǎn)中大放異彩，得以廣泛應用，相信SOC的估算值將越來越準確。第2章系統(tǒng)整體設計方案2.1蓄電池容量測試系統(tǒng)的需求分析和選型本次系統(tǒng)研發(fā)過程中主要分為三個模塊：蓄電池類型模塊、蓄電池管理模塊、計算方式選擇模塊，選擇方式如下：一：蓄電池類型模塊：根據(jù)電解液的不同，蓄電池有很多分類，其中包含：鋰離子電池、鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鎳鎘電池、鎳鋅蓄電池等等型號，其中部分蓄電池使用過程中放電量如下圖2-1所展示，根據(jù)圖形可得知，本次實驗需要選擇放電量高、使用壽命長、成本較小的、充電快的蓄電池較為合適。圖2-1不同電池化學組成的典型放電曲線二：蓄電池管理模塊：在選擇管理系統(tǒng)前需要了解鋰離子電池的一些特性：鋰離子電池具有獨特的物理和電化學性能，其中本身也屬于高電壓、高能量的充電電池。在人們的日常生活中應用較為廣泛，同時鋰離子電池的使用壽命較長，使用過程中不會造成環(huán)境污染。蓄電池一般在使用過程中都無法耐高溫使用，因此蓄電池管理系統(tǒng)還需要溫度檢測模塊。因此為了滿足需求，蓄電池管理系統(tǒng)可選擇為移動電源。三：蓄電池容量計算方式選擇模塊:通過采用開路電壓發(fā)、放電法等多方式對蓄電池電量進行計算，在能力允許范圍內(nèi)可使用庫侖計量的方式計算蓄電池容量較為符合。小結：根據(jù)以上分析，蓄電池類型選擇鋰電池，計算方式選擇庫侖計量方式，在系統(tǒng)中還需要加入電壓檢測模塊和溫度檢測模塊功能，可以實時對蓄電池的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。系統(tǒng)再對電壓、溫度等模塊檢測中可以對數(shù)據(jù)進行存儲，以方便后期分析電量和溫度之間的關系，從而可以采用仿真軟件建立模型。2.2系統(tǒng)整體設計架構系統(tǒng)主要采用單片機作為控制中心，其中單片機的型號可選擇STC89C52RC，通過PC端對接USB端口能夠直接實現(xiàn)程序編寫、IIC總線和LTC2944庫侖計量連接，此時系統(tǒng)工作狀態(tài)下的電動為3.3V，可采用PCA9306轉(zhuǎn)換器對電壓進行調(diào)整，IIC總線與OLED12864顯示屏進行連接能夠?qū)崟r顯示出需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；PC端除了能夠編寫程序，還行能夠保護電路中的電壓，當電路中電壓為5V時，經(jīng)過單片機后會使電壓變?yōu)?.2V，蓄電池在工作狀態(tài)下電壓為3.7V，在放電過程中會將電壓提升至5V，從而使接入的設備電壓也為5V；整體系統(tǒng)結構圖如下2-2所展示。圖2-2整體系統(tǒng)架構

第3章硬件設計3.1蓄電池充放電及保護模塊的設計一般情況下鋰電池工作狀態(tài)下電壓為3.7V，日常生活中常見的USB接口充電器工作狀態(tài)下電壓為5V，因此在該狀態(tài)下單片機能正常運行，采用USB接口完成放電，其放電原理和安裝方式可參考移動電源的設計。本次實驗中需要在通電情況下實現(xiàn)采用系統(tǒng)管理，主要使用MicroUSB接口P2做為充電口對電路中的電壓進行調(diào)整，通過USB接口對5V電壓進行調(diào)整至4.2進行充電。蓄電池的管理芯片可采用SS4056型號的U10，U10的作用主要是對電路中的電路進行調(diào)整。芯片內(nèi)部可對大電流進行檢查，防止電流過大造成線路短路。使用U10時的電壓為4.2V，也可采用添加電阻的方式進行調(diào)整。當電路中的電壓只有1/10時，U10會自動斷開充電，當電壓等于0時，U10的功率達到最低狀態(tài)，同時U10還能對電路中的溫度進行檢查。其中SS4056的電路圖圖下圖3-1所展示。圖3-1SS4056應用電路原理圖USB端口大部分都只適用于小型設備進行使用。電壓輸出過程中電路采用DC/DC升壓電路的方式，升壓的過程中可采用CE8310CM系列的U11轉(zhuǎn)換芯片，其中U11的主要作用是對蓄電池的電壓進行升壓，蓄電池傳出時的電壓為3.7V，經(jīng)過U11后的電壓為5V，同時還可以使用3腳對電壓進行調(diào)整，滿足系統(tǒng)的需求，U11的4腳會檢測當前是否屬于高電平狀態(tài)，電路中的電壓是否為5V，其中CE8310CM的電路圖如下3-2所展示。圖3-2CE8310CM應用電路原理圖鋰電池工作狀態(tài)下，對電路起到保護作用的主要是DW01的U12和FS8205，DW01能對電路中的大電流進行預警，當發(fā)現(xiàn)電流超出設定值時，會減少蓄電池的使用壽命，其中U12能夠?qū)崟r對電路中的電流進行檢測，判斷當前狀態(tài)下的鋰電池是否正常工作。U12檢測到鋰電池的狀態(tài)欠佳時，通過FS8205實現(xiàn)對電路進行開關。FS8205的實際使用數(shù)量可根據(jù)需求選擇。其中鋰電池電路如下圖3-3所展示。圖3-3鋰電池保護電路當使用庫倫計電量監(jiān)測方式完成對數(shù)據(jù)的確認后，還需要檢測此方式的數(shù)據(jù)是否正確，可通過電量、SOIC16-L（U6）、S8050（U5）和二極管的狀態(tài)進行判斷。當SW1處于開啟狀態(tài)時，U6的8腳和12腳會發(fā)出數(shù)據(jù)，然后通過U10進行判斷，從而保護電路。此過程中U6的8腳也會將數(shù)據(jù)傳輸至U11的4腳，從而判斷電壓的使用狀態(tài)。U6除了能夠傳輸數(shù)據(jù)，還支持對電路中的電壓進行檢測，通過查看二極管的狀態(tài)判斷出電池的電量強弱。其中U6的電路如下圖3-4所展示，蓄電池放電狀態(tài)下的電路如圖3-5所展示。圖3-4SOIC16-應用電路圖3-5蓄電池充放電及保護電路模塊小結：蓄電池放電過程中會對自身的電路進行檢測早已實現(xiàn)，目前使用效果較為明顯，本次實驗可采用此方式完成蓄電池的充電和放電操作。3.2主控模塊的設計本次實驗主要采用STC89C52RC型號的單片機，32個寄存器設置靜態(tài)工作模式，耐久性較高的內(nèi)存段。其中STC89C52RC的電路如下3-6所展示。圖3-6STC89C52RC外圍電路圖本次實驗中利用單片機進行管控的資源如下：單片機工作狀態(tài)下VCC電壓為5V，對單片機進行版本升級時，可采用VPP的方式接通電源。單片機工作狀態(tài)下引腳的電壓不能超過0.5V的低電平，當單片機進行恢復狀態(tài)下需要連接按鈕進行開關。通過管理工具和通信程序?qū)XD和RXD引腳進行管理，其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由TXD進行，RXD的作用是對信號進行傳入。在電路中這兩個引腳的位置不能發(fā)生改變。能夠支持54路數(shù)字信息的傳輸，16路信號模擬輸入，4路UART端口，16MHz晶體振蕩器，USB接口，電源接口，ICSPheader，重啟或恢復按鍵。當RST展現(xiàn)出高電平時，單片機會保持循序過程。每次恢復之后，單片機運行過程都會從第一條開始從新執(zhí)行。片內(nèi)模擬比較器-中斷和引腳電平變化喚醒；單片機的特殊功能有上電復位和可編程的掉電檢測。通過設計適當?shù)膔c值組合可以很容易的輸出超過兩個機器周期的高電平從而達到復位的目的。當運行程序發(fā)生異常情況時，系統(tǒng)將會自動上鎖，為了解除這種模式，可以采用恢復出廠的方式。外接晶振以及電容和并聯(lián)完成線路中信號放大的作用。系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要隨時進行保存，可使用USB的方式進行存取。其中USB工作狀態(tài)下的電路如下圖3-7所展示。圖3-7USB轉(zhuǎn)TTL程序燒錄電路在使用管理工具進行燒錄時，需要通過USB端口進行接入，然后將工具與設備進行連接，使其處于同網(wǎng)絡狀態(tài)下，然后在選擇正在的文件。在使用管理工具時還需要查看PC端是否正常運行，無法運行狀態(tài)下需要查看是否有驅(qū)動，安裝驅(qū)動后PC端能夠查找到USB-SERIALCH340（COM7）端口的名稱。如下圖3-8所展示。在PC端無法使用端口狀態(tài)下，無法控制單片機進行燒錄。圖3-8COM端口驅(qū)動本次實驗中使用的IIC總線是芯片內(nèi)部結構連接的線路。目前IIC總線技術大多數(shù)出現(xiàn)在外部端口接入或者單片機內(nèi)部，IIC總線的使用范圍非常廣泛，一般家用電器和通信設備中都能看到。IIC總線中還需要區(qū)別兩種線：數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL。數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL的線路都是雙向的，能夠更好的適應數(shù)據(jù)傳輸。IIC總線中大多數(shù)的零件都需要與數(shù)據(jù)線SDA進行連接。IIC總線中對于輸出能力要求非常高，當檢測到內(nèi)部只要存在低電平的情況，整個總線表現(xiàn)出的狀態(tài)都是低電平。所以線路中必須加入電阻，從而保證數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL的正常運轉(zhuǎn)。實驗中STC89C52RC單片機時主控制端，STC89C52RC需要完成線路中信號的傳輸功能或者數(shù)據(jù)終止功能，STC89C52RC也可之間和OLED12864等設備進行連接，其中不需要安裝任何程序就可以直接控制設備的狀態(tài)，STC89C52RC與IIC總線連接也能夠減少線路中的復雜程度，但是一般情況下單片機的端口接入較少，可采用IO口的方式實現(xiàn)多設備接入。IIC總線未工作狀態(tài)下，數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL都屬于高電平狀態(tài)。時鐘線SCL在一定時間內(nèi)會對數(shù)據(jù)線SDA接入的設備進行時間同步。其中時鐘線SCL作為主控制端，能夠起到信號的發(fā)送和接收。系統(tǒng)內(nèi)部進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程時，一般都是高電平狀態(tài)能夠先收到數(shù)據(jù)，然后低電平狀態(tài)的后接收到數(shù)據(jù)。IIC總線在通信網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)格式和發(fā)送模式都需要遵守網(wǎng)絡協(xié)議的規(guī)則。時鐘線SCL處于低電平的狀態(tài)時，數(shù)據(jù)可以進行改變，時鐘線SCL處于高電平狀態(tài)時，數(shù)據(jù)必須要保持穩(wěn)定狀態(tài)，否則數(shù)據(jù)的信息傳輸將會中斷。其中單片機中的IIC總線格式如下圖3-9所展示。圖3-9單片機在IIC總線上的幀格式小結：STC89C52RC型號的單片機功能非常強大，在系統(tǒng)中起作用的是微處理器，能夠?qū)ο到y(tǒng)的數(shù)據(jù)進行處理和管控，控制單元通過對命令的判斷和數(shù)據(jù)的分析給出所有運算的結果。3.3檢測模塊的設計本次實驗中蓄電池內(nèi)部結構非常復雜，其中使用蓄電池的過程中還需要關注到老化情況，溫度變化，這些數(shù)據(jù)對于蓄電池的使用壽命有較大的影響，如果單單依靠容量判斷電路中的數(shù)據(jù)和電壓情況是非常不準確的，必須依靠相關算法進行計算。本文主要采用內(nèi)置庫侖的方式進行計算，能夠更好的提高數(shù)據(jù)的準確性，同時還有助于減少系統(tǒng)的復雜程度。在使用庫侖計量器對電量計算時，主要是計算LTC2944中的容量，通過接入蓄電池的正極和負極能夠有效得到電路中的電流和電阻，然后在計算出電量的大小。其中工作原理如下：LTC2944對內(nèi)部的電阻先做出檢測，其中電壓的變化范圍在±50mV，此時能得到電量存在1%的差距，主要是因為在計算電壓的過程中會自動使其變?yōu)?進行計算，從而使電壓的數(shù)據(jù)與實際電壓低，在使用庫侖計量器時，會將數(shù)據(jù)再次降低，當使用LTC2944后，能夠都數(shù)據(jù)進行檢查，較大程度的使數(shù)據(jù)更加接近標準電量。系統(tǒng)工作狀態(tài)下積分器會由高基準電平（REFHI）向低基準電平（REFLO）進行轉(zhuǎn)變，開關的狀態(tài)也會發(fā)生變化。通過觀察這些變化能夠確定極性。然后根據(jù)數(shù)據(jù)變化規(guī)律計算，隨著積分器的變化，電量寄存器也會出現(xiàn)對應的變化數(shù)值。LTC2944內(nèi)部結構電路如下圖3-10所展示：圖3-10LTC2944內(nèi)部積分電路LTC2944的優(yōu)點如下所展示：a.在電壓符合范圍內(nèi)，可使用3.6V和6V的蓄電池，其中能夠支持±50mV的變化；b.電量變化情況可使用動態(tài)范式，即可計算電池充電次數(shù)和電量情況；c.通過ADC能夠更好的獲取電池電壓、電流和溫度情況，分別如下圖3-11、3-12、3-13所展示；圖3-11測量電壓時ADC的增益誤差圖3-12測量電流時ADC的增益誤差圖3-13溫度誤差隨溫度的變化d.電壓、電流和充電次數(shù)計算誤差在1%內(nèi)；e.IIC結構方式采用/SMBus接口，在此方式下能夠支持IIC總線，同時還能支持對電壓、電流和溫度進行限制；f.可采用化學方式測量蓄電池的電量；g.用戶可根據(jù)實際情況采用仿真軟件進行建模，然后在采用合適的算法得到SOC估算值。所以LTC2944芯片能夠滿足此次實驗的需求，同時還能對接外部端口，方便日后對系統(tǒng)進行更改。LTC2944芯片的電路圖如下圖3-14所展示。圖3-14LTC2944應用電路本次實驗中使用的單片機型號為STC89C52RC，額定電壓為5V，LTC2944的額定電壓為3.3V，可在IIC總線中進行使用，同時還可以支持PCA9306的電壓轉(zhuǎn)換。PCA9306工作狀態(tài)下的電壓為1.2V-3.3V，并且符合本次實驗的需求。PCA9306的電路圖如下圖3-14所展示。本次實驗中基于LTC2944進行實驗，其中還包含IIC總線的使用，IIC總線工作狀態(tài)如下圖3-15所展示。圖3-15LTC2944對應IIC總線的應答時序小結：通過采用庫侖計量芯片能夠得到更加準確的數(shù)據(jù)信息，同時也符合本次實驗中涉及的SOC方法，滿足本次實驗的需求。3.4顯示模塊的設計OLED內(nèi)部設有發(fā)光二極管，與傳統(tǒng)模式的LCD技術更加方便，并且OLED能夠適應較為惡劣的環(huán)境使用。一般情況下OLED都會有兩種工作模式：自動模式和手動模式，自動模式是指在提前設置好數(shù)值后，不會在去人為操作，根據(jù)系統(tǒng)判斷需要顯示的內(nèi)容是否更新；手動模式是指人為在系統(tǒng)中操作進行更新。系統(tǒng)使用手動模式時，OLED顯示通過調(diào)節(jié)節(jié)點的變化實現(xiàn)，不同的是顯示內(nèi)容變化的指令來源于人工，人在控制端發(fā)出命令，每一個節(jié)點在收到命令后給出回應。在OLED顯示接收到指令后，會判斷指令屬于哪一種模式。其中OLED12864顯示如下圖3-16所展示，系統(tǒng)端發(fā)出命令，每一個節(jié)點在收到命令后給出回應。本次在使用OLED時主要選擇支持IIC通信的類型，其中部分參數(shù)如下：分辨率為128x64，屏幕大小為1.3寸，額定電壓為5V，內(nèi)部使用芯片為SSD1306。其中本次實驗OLED實際顯示如下圖3-17所展示；IIC工作模式對于數(shù)據(jù)如下圖3-18所展示。圖3-16OLED12864應用電路圖3-17調(diào)試中的OLED12864圖3-18OLED12864對應IIC總線的應答時序小結：OLED12864目前符合實驗的需求，并且價格上較為合適，同時還支持IIC總線和單片機的需求。3.5通信模塊的設計通信模塊主要采用RS485和單片機之間進行信息傳輸，同時還可以采用接口或者串口的方式。在網(wǎng)絡連通的狀態(tài)下，在系統(tǒng)中可以使用RS485單元的方式連接網(wǎng)絡。根據(jù)上位機能夠獲取到IP的方式和單元接口IP之間進行數(shù)據(jù)傳輸，其中RS485傳輸過程中抗干擾能力較強，信號接收能力也非常的好。然后采用單片機下發(fā)指令完成通信。指令主要的作用是在網(wǎng)絡分配IP的情況下完成端口數(shù)據(jù)的交換，也可適用與系統(tǒng)操作。RS485中還包含有轉(zhuǎn)換功能，其中轉(zhuǎn)換器型號為MAX485，本次設計中1腳的位置為單片機RXD，4腳的位置為單片機TXD，兩者之間可采用單片機完成通信；2腳和3腳都是作用于方向，但是兩者還是有一些區(qū)別，例如2腳主要接收低電平信息，3腳主要接收高電平信息，當2腳和3腳進行連接時，不在對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，此次兩者都為低電平模式，同時也是MAX485

當前狀態(tài)，如果需要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，可以將低電平轉(zhuǎn)換為高電平模式，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)后在轉(zhuǎn)換為低電平狀態(tài)。5腳為電源低，8腳為電源，6腳和7腳的作用是完成

RS485的通信功能；為了使RS485更好的展示出自己的能力，可在A

與B之間添加電阻的方式進行提升。其中

RS485的電路圖如下圖3-19所展示：圖3-19RS485應用電路小結：RS485通信在日常生活中應用較為廣泛，主要原因是在抗干擾能力較強，傳遞數(shù)據(jù)能夠滿足家庭或者企業(yè)的需求。第4章軟件設計本次課題的開發(fā)環(huán)境為C51編寫語言。單片機為系統(tǒng)的主控芯片，從內(nèi)部查看包含：顯示模塊、電量監(jiān)測模塊、通信模塊。單機片內(nèi)部的存儲器有較大容量且高速運行，這樣，可輕松地增加、升級設備；使用者編程更簡單。4.1IIC總線控制模塊程序在完成設計后，第一次運行時，需要查看程序會不會啟動，其他模塊是否能夠正常運行，所有程序準備就緒后，程序會自動進入到下一步，其流程圖圖下圖4-1所展示：圖4-1主程序流程圖頭文件以及部分重要程序如下：#include<reg51.h>//由單片機作為控制端開始啟動#include"codetab.h"#include"intrins.h"#include"LTC2943.h"http://IO口實現(xiàn)IIC通信//#defineX_WIDTH 128#defineY_WIDTH 64sbitRS485_DIR=P1^7;//RS485方向#defineLTC2943_I2C_ADDRESS0x64#define Brightness 0xcf //OLED地址sbitSCL=P1^0;//對端口SCL進行定義sbitSDA=P1^1;//對端口SDA進行定義voidtimer0()interrupt1//定時器0開啟{ TL0=0x00; //首次定時10ms TH0=0xDC; //重新定時 shan_count++; if(shan_count==100) //:燈有節(jié)奏的進行閃爍 { shan_count=0; } shan_js++; //閃爍時間重新定義 if(shan_js==25)//250ms閃爍一次 { shan_js=0; flag=!flag; }}4.2OLED液晶顯示模塊在單片機中最常用的是LED1602液晶顯示屏。由于其主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，使用采用液晶屏的方式顯示出信息。液晶屏的選擇方式較多，最好的是圖形點陣液晶顯示，此時實驗中電路和程序都較為簡單，所以顯示屏的選擇在價格上也需要適應，所以選擇圖形液晶顯示。LCD顯示屏電路如下圖4-2所展示。圖4-2OLED液晶顯示模塊流程圖其中有關程序如下：voidOLED_WrCmd(unsignedcharIIC_Command)//OLED下發(fā)命令voidOLED_Fill(unsignedcharbmp_dat)//OLED顯示voidOLED_WrDat(unsignedcharIIC_Data)//OLED數(shù)據(jù)導出voidOLED_Set_Pos(unsignedcharx,unsignedchary)//OLED單位設置oidOLED_CLS(void)//OLED恢復出廠voidOLED_Init(void)//OLED首次運行4.3LTC2944監(jiān)測模塊監(jiān)控部分中主要由IIC地址進行控制，通過發(fā)送不同的指令和控制模式，從而得到信息參數(shù)、計算方式、返回參數(shù)，其中整體流程如下圖4-3所展示。圖4-3電量監(jiān)測模塊流程圖其中有關程序如下：#defineAUTOMATIC_MODE_DISPLAY_DELAY500//自動獲取參數(shù)之間的傳遞時間#defineSCAN_MODE_DISPLAY_DELAY10000//獲取該模式下的參數(shù)傳遞時間voidsetup(){…delay(3000);LTC2943_write(LTC2943_I2C_ADDRESS,LTC2943_ACCUM_CHARGE_LSB_REG,0);LTC2943_write(LTC2943_I2C_ADDRESS,LTC2943_ACCUM_CHARGE_MSB_REG,0);}LTC2943_mode=LTC2943_AUTOMATIC_MODE|prescalar_mode|alcc_mode;ack|=LTC2943_write(LTC2943_I2C_ADDRESS,LTC2943_CONTROL_REG,LTC2943_mode);電量的計算方式為：floatcoulomb_charge;//數(shù)據(jù)換算coulomb_charge=1000*(float)(adc_code*LTC2943_CHARGE_lsb*prescalar*50E-3)/(resistor*4096);coulomb_charge=coulomb_charge*3.6f;return(coulomb_charge)floatmAh_charge;//mah計算mAh_charge=1000*(float)(adc_code*LTC2943_CHARGE_lsb*prescalar*50E-3)/(resistor*4096);return(mAh_charge);電壓的計算方式為：floatvoltage;voltage=((float)adc_code/(65535))*LTC2943_FULLSCALE_VOLTAGE;return(voltage);電流的計算方式為：floatcurrent;current=(((float)adc_code-32767)/(32767))*((float)(LTC2943_FULLSCALE_CURRENT)/resistor);return(current);溫度的計算方式為：floattemperature;//開氏溫度temperature=adc_code*((float)(LTC2943_FULLSCALE_TEMPERATURE)/65535);return(temperature);floattemperature;//攝氏溫度temperature=adc_code*((float)(LTC2943_FULLSCALE_TEMPERATURE)/65535)-273.15;return(temperature);功率的計算方式為：power=current*voltage;4.4RS485通信模塊通信部分整體流程圖圖4-4所展示：圖4-4RS485通信程序流程圖sbitRS485_DIR=P1^7;//RS485方向bitflagTxd=0;//單一完成標志bitflagFrame=0;//完成返回數(shù)值voidConfigUART(unsignedintbaud)/*波特率設置*/externvoidUartAction(unsignedchar*buf,unsignedcharlen);voidUartRxMonitor(unsignedcharms)/*端口接入，ms-時間設定*/voidUartDriver()/*端口驅(qū)動檢測*/voidUartWrite(unsignedchar*buf,unsignedcharlen)/*端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)*/voidInterruptUART()interrupt4/*端口數(shù)據(jù)中斷*/

第5章總結與展望5.1總結本次設計主要從單片機的角度對蓄電池管理系統(tǒng)進行分析，蓄電池發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義探究，在深入了解蓄電池的發(fā)展過程和實際意義后才能夠明白設計方向和目的。在了解蓄電池的發(fā)展趨勢及其設計方向之后，再對蓄電池的國內(nèi)外發(fā)展狀態(tài)進行總結與概括。國內(nèi)外發(fā)展狀況有助于我們了解蓄電池的技術發(fā)展情況，社會價值及其未來前景。本次實驗由于能力和條件的限制，還有很多地方需要做出修改：（1）原理分析：本次研究的系統(tǒng)主要為測試系統(tǒng)，暫不作為實際操作系統(tǒng)使用，并且