基于单片机的蓄电池在线状态监测系统方案

毕业设计题 目基于单片机的蓄电池在线状态监测系统专 业 电气工程与自动化 班 级 08级3班 学 生 左远正 指导教师 殷时蓉 交通大学 2010 年前 言蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源, 历史悠久, 使用广泛, 与我们的社会生活息息相关。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, 如果听任其长期处于状态不明的情况下运行, 那么将存在严重隐患。随着时间的推移, 电池使用年限的增加, 由电池引起的中断事故将防不胜防。因此, 合理可靠地对电池进行管理和维护, 才能够保证电池有较长的使用寿命,从而达到保证设备拥有不间断电源。在电源系统的维护中, 蓄电池的维护管理占据非常重要的地位。怎样才能延长蓄电池的使用寿命, 保证蓄电池有足够的容量, 充分发挥蓄电池作为后备电源的作用, 确保通信、电力、应急等系统的正常运行。这对各个行业电源及后备电源维护有着非常重要的意义。蓄电池组是许多设备的动力源或应急电源,因此电池组的性能将直接关系到设备的正常运行。为了提高蓄电池的使用寿命,保证其可靠运行,需要经常对蓄电池参数进行严格测量,以确保蓄电池组处于最佳的工作状况。以往,蓄电池参数的测量都是人工完成的。人工测量速度慢,测量精度不高,而且有害气体影响人体健康。为减少工人的劳动强度,保障测量人员身体健康,提高测量速度和测量精度,对蓄电池参数进行自动测量显得尤为重要。在多个单体电池串联组成的系统中,单个电池故障就会影响到整个系统,因此要对电池的充电和放电过程进行系统的检测,在线实时检测蓄电池冲放电的每个阶段的电池的电压,电流,电池体的温度等。及时找出损坏的和性能显著降低的电池,可以提高整个电池系统的安全性和稳定性。由于受环境限制,要求系统简小、实用,可以每个电池配备一个单独的系统,通过LED显示单独的电压和电流的变化,方便对单一电池进行维修和日常的维护。在现今这个以工业为主的社会中,铅酸蓄电池的应用越来越广泛了,如今的交通工具大都装有蓄电池,诸如各式各样的飞机、船舶、火车和汽车等,还有通信行业的后备电源,金融行业的后备电源等等。这些场合都是要求蓄电池的要求很高的,要求它的运行绝对可靠,这样一来就对蓄电池的检测和维护提出了很高的要求。如果这些领域在蓄电池方面出现了故障,没有及时发现和解除,那么造成的严重后果是无法估量的。因此蓄电池检测仪表对蓄电池的正常运行,提高蓄电池的使用寿命,减少应用领域事故发生,降低财产损失有着重要的意义,应用前景广阔。35 / 42目 录前言2摘 要.IABSTRACTII第一章绪论11.1 蓄电池的工作原. 11.2 蓄电池的发展现状.11.3 蓄电池检测在国外的发展. 21.4 当前蓄电池的主要检测技术. 41.5 蓄电池在线监测的课题意义. 4第二章芯片部分的介绍62.1单片机89C5162.2 A/D转换器TLC54982.3 温度传感器DS18B20.9第三章 设计的主要思路123.1在线监测的主要任务123.2单片机最小系统设计.123.3系统框图13第四章系统采样部分电路设计154.1电压采集部分154.2电流采集部分164.3温度采集部分18第五章LCD显示部分及通信电路设计215.1 LCD原件简介及接线215.2通信部分电路设计24第六章 总电路图及程序流程图277.1总电路图277.2程序流程图27第七章 总结与体会33辞34参考文献35附录36摘 要蓄电池是电池中的一种,它的作用是能把有限的电能储存起来,在合适的地方使用。它的工作原理就是把化学能转化为电能。它用填满海绵状的铅板作负极,填满二氧化铅的铅板作正极,并用2228的稀硫酸作电解质。在充电时,电能转化为化学能,放电时化学能又转化为电能。其充放电都有严格的电压、电流、温度的要求,所以必须设计它的检测系统。蓄电池种类很多,有铅酸蓄电池、铅酸胶体蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、锌空气电池和燃料电池等目前常用的蓄电池主要是铅酸蓄电池分别为普通蓄电池、干电荷蓄电池和免维护蓄电池。铅酸蓄电池一般是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成。蓄电池组是许多设备的动力源或应急电源,因此电池组的性能将直接关系到设备的正常运行。为了提高蓄电池的使用寿命,保证其可靠运行,需要经常对蓄电池参数进行严格测量,以确保蓄电池组处于最佳的工作状况。以往蓄电池参数的测量都是人工完成的。人工测量速度慢,测量精度不高,而且有害气体影响人体健康。为减少工人的劳动强度,保障测量人员身体健康,提高测量速度和测量精度,对蓄电池参数进行自动测量显得尤为重要。本监测系统是以AT89C51单片机为核心,它含有8K字节快擦写可编程/擦除只读存储器,具有8k的部RAM;3个16位定时记数器;32个可编程的1/0口线;6个中断源;可编程的串行编口,还具有空闲和掉电方式,它的集成度高、速度快、功耗低,特别适合于多路数据采集的控制系统中。本系统可以测量蓄电池端电压、电池温度、蓄电池充放电电流等,数据采集电路采用模块化设计。测量数据在LCD上的显示、存储、上传PC机等功能。关键词:单片机;蓄电池;智能检测;硬件设计。ABSTRACTEnergy can be changed in various forms of energy, one of them, the chemical energy into electrical energy conversion device called chemical batteries, the general referred to as batteries, battery cells and batteries are the original division. Discharge can not be used after the manner of charging the internal regeneration of active substances called primary cells, also known as a one-time battery. Can be used after discharge rechargeable internal activity of the establishment of renewable material, the energy stored as chemical energy, the need to discharge the chemical energy to electrical energy is converted to the battery, called the battery, also known as secondary batteries.The lead-acid storage battery group is the drive power supply or contingency power supply for many machines. So the performance of the storage battery group is directly related to the normal running of many device. It is necessary to measure batteries parameters accurately and frequently in order to enhance their lives. The monitor system is to take AT89C51 as the core, its chip adopt the craft of CMOS and faces to monolithic machine with memory structure. It implies the quick cleaning of the 8 inside the break source. The programmable string goes to weave, still having the spare time and dropping to give or get an electric shock the way. Its integrated degree is high, the speed is quick the power consumed is low specially suitable for the control system of many methods, data collection. This system can measure 10 roads or 20 roads the electric voltage of electric current etc.Key words: single-chip computer; battery; detection. KEYWORDS ：Microcontroller ; battery ; Intelligent detection; hardware design;第一章 绪论1.1蓄电池的工作原理 蓄电池的放电的化学反应是依靠正极板活性物质和负极板活性物质在电解液的作用下进行,放电时,正极板由二氧化铅变成硫酸铅,负极板也由铅变成硫酸铅,充电时,正极板上的硫酸铅还原成二氧化铅,负极板上的硫酸铅还原成纯铅。图1图1 蓄电池工作示意图1.2蓄电池的发展现状及发展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、安全可靠、价格低廉、适用围广、原材料丰富等优点,中国铅酸蓄电池行业经过50年的建设与发展,已基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。八五计划期间,铅酸蓄电池行业发展稳定,产品档次和水平有了明显提高,产量有了进一步发展。进入九五计划时期之后,随着我国改革开放进一步向纵深发展,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发展,给铅酸蓄电池行业带来了巨大的发展机遇。中国铅酸蓄电池的需求以每年1540的速度增长。高能电池、廉价的燃料电池以及微电池的发展将会使愈来愈多的电子产品动起来。电池的种类将会更多、应用围更广,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发展。电池技术将是新世纪的第二大关键技术,有着非常广阔的前景。铅酸电池在重量比能量、体积比能量等方面比锂离子电池低得多,几乎是镍基电池的二分之一；在循环寿命、再生率、自放电和安全性方面铅酸电池比镍基电池和锂电池好,作为应用围最广、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、通信等基础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但也应该看到,目前铅酸蓄电池行业整体技术水平、管理水平、人员素质、产品质量等参差不齐,急需进一步完善和提高,技术上应不断创新,使产品本身增强与其他化学电源品种的竞争力。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。随着中国加入WTO,将会有很多的国外一流企业加入市场竞争,对中国铅酸蓄电池企业构成很大的威胁。因此,中国的铅酸蓄电池企业应尽快完善、更新和发展产品技术,提高产品的档次和质量并且降低或本,使产品更具有竞争力,并要不断控制和限制创建低水平的蓄电池厂家,生产高质量的免维护汽车蓄电池、大中小阀控式密封铅酸蓄电池和作为动力源的牵引用蓄电池,增强与世界著名品牌蓄电池厂家的抗衡能力,使蓄电池行业走上健康良好发展轨道。1.3蓄电池检测在国外的发展在国蓄电池监测系统中,对单体电池电压的监测成为主要容,关于温度和电流的测量都属常规测量,而且在这些方面的测量技术都已成熟。在电压的测量方法上,对单个电压量的测量方法非常简单。其中,最关键的是如何测量电池组中串联在一起的单电池电压。在解决如何测量单电池电压问题上,人们进行了大量的研究工作,曾有人设想在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通,在模拟信号的转换上采用可编程定时器的V/F转换器。其中,在解决输入信号电压高于芯片的最大工作电压的问题上存在技术难点,且采用V/F转换器作为A/D转换器其缺点是影响速度慢,在小信号围线性度差、精度低。关于在线测量单只电池电压的方法,还有人提出用光电隔离器件和大电解容器构成采样,保持电路来测量蓄电池组中单只电池电压。此电路的缺点是,在A/D转换过程中,电容上的电压能发生变化,使其精度趋低,而且电容充放电时间是晶体管和隔离芯片等器件动作延迟等因素,决定了采样时间长等缺点。国研制并投产ZXJZ4/2-1型蓄电池智能监测仪,采用浮动技术测量蓄电池组中各单电池电压,测量的参数还包括电池组电压、Z路电流、Z路温度。另外,在对蓄电池阻测量的问题上,人们也进行了诸多的研究与实验。由于阻与电池的性能密切相关,国际上有许多公司一起进行电池阻测量的开发工作,以便通过阻来有效监测蓄电池的状况。目前国际上主要有两家公司在进行电池阻测量仪器的开发工作,它们是MIDTRONICS和AVO公司。测试方法是用交流发电装置向电池单体或蓄电池组注入一个低频2030HZ60H的交流信号,测量通过电池的交流电流和每只电池两端的交流电压,则得出电池的电导或电阻值,并显示这个值。总之两种测试装置都是向蓄电池注入一个交流信号,测量电池两端的交流电压和通过电池的电流。如果在蓄电池组上有一定量的纹波电压,在许多情况下,必须采取离线测试或采取措施消除纹波。美国BMS蓄电池监测系统技术发展于电力应用工业。11989年美国电力研究所与国家电能研究公司合作,共同研究了无人值守场站PWBC铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。经过4年的研究与开发,耗资200万美元,于1994年完成样机的现场试验。测定的参数包括电池组电压、单体电压、维持电流、电池部温度、电池组环境温度、电解液比重、电解液液面高度以及电极利用情况等。其方法是采用安装在每一只电池上的多传感器电池检测模块这种模块通过光缆将状态数据传输到蓄电池组监测器,每一电池组监测器可能测256个单电池。远程控制中心通过MODEMS和公司线对电池组监测器进行监测。可能测的电池组监测器的数量不受限制。控制中心PC机能定期查询所有运行组的监测器,下载并处理储存的数据,存储和显示电池状态及其趋势的信息,能获得每一节电池的参数。其主要特征是运用特定传感器对电池组的每个电池进行独立的监测。单电池电压的测量是使用传统的一个直接带有A/D稳压的转换器电池组电流的测量用霍尔效应磁域传感器来测量。电池部温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态集成电路温度传感器来测量。并且同外部环境如气流和这样一来的热效应隔离。电池组温度的测量是用同样的装置来测量。为了描述电池组周围空气的平均温度,传感器一般位于电池组支架上。此项研究成果应用于电厂、变电站、通信、电动车辆及医疗领域。关于BMS蓄电池的检测有多种检测目的。因此,监测的重点也有差异,在监测的方法和手段上人们进行了大量的研究和探索。国外还研究开发了VMS阀控密封铅酸蓄电池管理系统。这个管理系统不是简单的监测蓄电池,而是设计成具有管理和控制蓄电池的功能。此系统的目的是改变蓄电池恒压充电的方法。因为恒压充电的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流。系统监测的容包括：单电池电压、电池部温度、放电电流及放电过程中的电池组总的电压,VMS中包含了BMS。它是在监测的基础上对蓄电池进行分析,并进行管理和控制。这样更有利于对蓄电池的维护,延长蓄电池使用寿命。可以说,国外蓄电池监测系统的技术比较成熟,并且研究发展了蓄电池管理系统。在蓄电池管理系统中,监测的电池参数有所不同,研究的方法更为复杂。国外先进技术及研究成果对我国进一步进行有关部门蓄电池监测系统方面的研究,可以起到借鉴作用。1.4当前蓄电池的主要检测技术为了正确使用蓄电池,提高蓄电池的使用寿命,保证可靠运行,需要经常对蓄电池进行维护和周期治疗。但怎样才能知道蓄电池处于最佳工作状况,什么时候需要充电,什么时候需要添加蒸馏水,电解液的温度等,这些参数都需要严格测量。以往蓄电池参数的测量都是手工完成的。手工测量速度慢,测量精度不高,而且有害气体影响人体健康。为了现代化的需要,减少工人的劳动强度、保护身体健康,提高测量速度和测量精度,所以对蓄电池参数的自动测量显得尤为重要。因此这方面的研究越来越多的为人们所关注,测量一些相应的参数可以对系统是否正常工作做出一个最快的判定,方便进行及时的维修和维护。目前国际上在蓄电池检测/监测技术领域的研究主要集中在,以检测浮充数据为主的被动方法、传统的深度放电测试、新的部分放电测试技术、放电状态剩余电量的估计、蓄电池阻抗检测和分析、智能电池技术。随着传感器技术和检测技术的发展,对蓄电池检测的手段也在不断的发展。所有的发展都是围绕着怎样才能更好的检测蓄电池的容量,更及时准确的了解蓄电池的工作状况。1.5蓄电池在线监测的课题意义蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源, 历史悠久, 使用广泛, 与我们的社会生活息息相关。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, 如果听任其长期处于状态不明的情况下运行, 那么将存在严重隐患。随着时间的推移, 电池使用年限的增加, 由电池引起的中断事故将防不胜防。因此, 合理可靠地对电池进行管理和维护, 才能够保证电池有较长的使用寿命,从而达到保证设备拥有不间断电源。在电源系统的维护中, 蓄电池的维护管理占据非常重要的地位。怎样才能延长蓄电池的使用寿命, 保证蓄电池有足够的容量, 充分发挥蓄电池作为后备电源的作用, 确保通信、电力、应急等系统的正常运行。这对各个行业电源及后备电源维护有着非常重要的意义。蓄电池组是许多设备的动力源或应急电源,因此电池组的性能将直接关系到设备的正常运行。为了提高蓄电池的使用寿命,保证其可靠运行,需要经常对蓄电池参数进行严格测量,以确保蓄电池组处于最佳的工作状况。以往,蓄电池参数的测量都是人工完成的。人工测量速度慢,测量精度不高,而且有害气体影响人体健康。为减少工人的劳动强度,保障测量人员身体健康,提高测量速度和测量精度,对蓄电池参数进行自动测量显得尤为重要。在多个单体电池串联组成的系统中,单个电池故障就会影响到整个系统,因此要对电池的充电和放电过程进行系统的检测,在线实时检测蓄电池冲放电的每个阶段的电池的电压,电流,电池体的温度等。及时找出损坏的和性能显著降低的电池,可以提高整个电池系统的安全性和稳定性。由于受环境限制,要求系统简小、实用,可以每个电池配备一个单独的系统,通过LED显示单独的电压和电流的变化,方便对单一电池进行维修和日常的维护。在现今这个以工业为主的社会中,铅酸蓄电池的应用越来越广泛了,如今的交通工具大都装有蓄电池,诸如各式各样的飞机、船舶、火车和汽车等,还有通信行业的后备电源,金融行业的后备电源等等。这些场合都是要求蓄电池的要求很高的,要求它的运行绝对可靠,这样一来就对蓄电池的检测和维护提出了很高的要求。如果这些领域在蓄电池方面出现了故障,没有及时发现和解除,那么造成的严重后果是无法估量的。因此蓄电池检测仪表对蓄电池的正常运行,提高蓄电池的使用寿命,减少应用领域事故发生,降低财产损失有着重要的意义,应用前景广阔。第二章 芯片部分的介绍 2.1单片机AT89C51选用AT89C51单片机作为电路控制的核心。AT89C51是一种低功耗/低电压、功能强、灵活性高且价格合理的8 位单片机。片有 128 B 的RAM数据存储器,4 KB的ROM 程序存储器,4个I/O口,1个串口,2个定时/计数器,5个中断源,无置看门狗,也无A/D 转换。根据在片外扩展A/D转换接口。引脚说明：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。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P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0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。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH,不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时,此间部程序存储器。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部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。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振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱器件,XTAL2应不接。由于输入至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。下图2为单片机89C51的引脚图：图2 AT89C51的引脚图2.2 A/D转换器TLC549TLC549基本参数CMOS技术,8位转换结果,与微处理器或外围设备接口,差分基准电压输入,转换时间：最大17us,每秒访问和转换次数：达到40000,片上软件控制采样和保持功能,全部非校准误差,宽电压供电,36V 。封装及引脚简单,低功耗：最大15mW,5V供电时输入围：05V,输入输出完全兼容TTL和CMOS电路,全部非校准误差,工作温度围：070TLC549、-4085TLC549I。TLC549引脚图如下图3：图3 TLC549的引脚图TLC549部含有系统时钟。当CS为高时,数据输出端处于高阻状态,此时I/O CLOCK不起。这种控制作用允许用多片TLC549时,共用 I/O CLOCK,以减少多路A/D并用是的I/O控制端口。一组通常的控制时序为:将/CS置低。部电路在测得/CS下降沿后,再等待两个部时钟上升沿和一个下降沿后,然后确认这一变化,最后自动将前一次的转换结果的最高位输出到 DATA OUT端上。前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2,3,4和第5个位,片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6,7,8个转移位。最后一片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期下降沿将移出第6,7,8 个转换位。保持功能将持续4个部时钟周期,然后开始进行32个部始终周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后,/CS必须为高,或 I/O CLOCK保持一个低电平,这种状态需要维持36个部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。2.3温度传感器DS18B20DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。1.特点1只要求一个端口即可实现通信。2在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。3实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。4测量温度围在55。C到125。C之间。5数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。6部有温度上、下限告警设置。2.引脚及功能介绍TO92封装的DS18B20的引脚排列见底视图,其引脚功能描述见表1。底视图表1DS18B20详细引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。3.引脚及使用方法由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据,因此,对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备,单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始,如果要求单总线器件回送数据,在进行写命令后,主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。4.DS18B20的复位时序图4 DS10B20的复位时序图5.DS18B20的读时序对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后,在15秒之就得释放单总线,以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程,至少需要60us才能完成。图5 DS18B20的读时序图6.DS18B20的写时序对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同,当要写0时序时,单总线要被拉低至少60us,保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的0电平,当要写1时序时,单总线被拉低之后,在15us之就得释放单总线。图6 DS18B20的写时序图第三章 设计的主要框架3.1在线监测的主要任务铅酸蓄电池检测系统是能够实时在线检测蓄电池的端电压,电解液温度、电流,并能估算蓄电池的剩余电量。铅酸蓄电池检测系统由三个大部分组成:检测模块,用以测量单个蓄电池的端电压,电解液温度,电流等参数;上位机模块,用于人机交互作用,可以根据人为的操作来完成某项具体任务。通信模块,由于电池所处环境恶劣的特殊性,从机和主机常常是分离的,它们之间的数据交换靠通信来完成。测量模块主要有以下几部分:温度传感器,是能够感知环境温度的一种器件,把铅酸蓄电池的电解液温度转化为电量,以方便计算机的检测;电流测量,测量铅酸蓄电池的电流,电压测量,测量铅酸蓄电池的端电压。LCD显示模块,可以把测量模块测量出来的数据直接显示出来,方便进行系统维护和管理。同时LED显示模块所显示的数据可以通过按键进行切换。并且直接把测量所的数据输入上位机。我们设计的系统要满足系统的需要,要求系统要足够的稳定和可靠,可以在相对恶劣的环境中正常运行。因此我们设计的系统,应用运行稳定的配件,数据。由上述目前铅蓄电池的测量方法可以知道本毕业设计的主要任务是测量蓄电池的温度,电流,电压。通过这三个量的测量来对蓄电池进行在线监测。3.2单片机最小系统设计单片机要想工作必须要在XTAL1和XTAL2端口加晶振电路,单片机工作速度也是由晶振电路决定的。典型的晶振电路如下图所示。图7 晶振电路 图8微分型复位电路在晶振电路中,电路中电容C3和C4对振荡频率有微调作用,通常的取值围3010pF；石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。其结果只是机器周期时间不同,影响记数器的记数初值和运算速度。单片机最小系统包括晶振电路、复位电路、电源、接地。晶振电路已经在上一节介绍了,下面简单介绍下复位电路、电源、接地。 复位电路论文采用微分型复位电路,电路图如图8所示。工作原理：高电平为例,电源上电时,VCC可以认为一阶跃信号复位端电压是由于下拉电阻R1在CPU复位端引起的电压值,一般为0.3V以下。但在实际应用中,VCC不可能为理想的阶跃信号。其主要原因有两点：1稳压电源的输出开关特性；2我们通常在设计电路时,为保证电源电压稳定性,往往在电源的输入端并联一个大电容,从而导致了VCC不可能为阶跃信号特征。从而影响了的复位电压的复位特性。 电源、接地单片机AT89C51所选用的是+5V的电源,可直接由稳压电源提供,接地直接接GND。 单片机最小系统由以上晶振电路、复位电路、电源、接地即可组成单片机最小系统如图9所示。图9单片机最小系统3.3系统框图由于电池检测的特殊性,因此要求检测系统的体积相对比较小,结构比较简单,方便安装调试和维护,如下图10所示,电池的三个检测参数,电池的电压,电流,以及温度分别被检测后输入到主控制器,由主控制器送到LCD进行数据显示留出的数据输出端口用于连接上位机。图10 系统框图第四章 系统采样部分电路设计4.1电压采集部分蓄电池的电压采集电路如下图11经精密电阻R6,R7分压后由电容C12滤波,然后送入8位串行A/D转换集成电路TLC549的模拟信号输入端A-IN进行转换,转换后的电压的数字量通过TLC549的D-OUT送入单片机AT89C51的P0.2脚,并由单片机的P0.0、P0.1控制TLC549的读写,P0.1提供片选信号,P0.0提供时钟信号,TLC549的基准电压VREF-接+5伏,REF-接地,通过单片机AT89C51计算后得到蓄电池的实际电压,送入LCD进行显示。本文选择的检测方法和常用几种方法的对比如下表2,如果选用隔离运放和继电器的方法进行电压检测,继电器电压围宽,但是价格比较高,不适合我们的多系统,因为我们检测下位机可能要每节蓄电池中放置一个,同理隔离运放的价格相对更高,并且继电器检测不适合高速检测,因此我们只能采用光藕或者是电阻分压的方式,因为我们对精度要求比较低,单个检测装置不需要太高精度,所以我们采用电阻分压的方式。表2几种电压采集方法的比较类别电压围精度抗干扰能力高速检测体积温度影响价格继电器宽高 强不适合大小较高电阻分压宽一般差适合大大低光耦宽高强适合小小高隔离运放窄很高很强适合小很小很高图11电压采集部分接线图4.2电流采集部分选用霍尔元件AN3503 和磁线圈构成霍尔电流检测电路。AN3503 由电压调整器、霍尔电压发生器、线性放大器和射极跟随器组成, 其输入是磁感应强度, 输出是和输入量成正比的电压。其电流检测电路原理如图13所示图13电流检测部分原理图图9中,AN3503 的1脚接稳压器输出的+5V电源,2脚接地,3脚为电压输出端。在电源为+ 5 V时,霍尔元件静态输出电压为2.5V,并有较高的灵敏度磁场N 极从背面接近AN3503,当通过导线的电流增加时,输出电压增加A/D转换器的输入电压为05 V,而霍尔元件的输出电压为2.5V左右,为此,不需要设置放大电路,只需在输出端设计一个跟随电路便可满足转换要求。检测电路测量的是电路的电流值,而AN3503霍尔传感器输出的为电压值,为此, 必须找出被测电路电流与霍尔传感器输出电压间的关系。磁线圈中电流与磁场的关系式:B = nI 式中: B为磁感应强度,T ;为磁导率,H/ m;n 为线圈压数;I为被测电路电流,A。AN3503 霍尔传感器电压输出关系式:Uout=0.025B+2.5从式、可以得出:n=/则被测电路电流与霍尔传感器输出电压间的关系:I=/所以必须测得磁线圈的参数n。对被测电路进行测试时,令检测电路电压为5 V,电阻为500,得到检测电流I为0.01A,而在这时测得AN3503的输出电压Uout=2.62V,根据式 可得到n的值为4.8。由式、可以求得AN3503的输出电压Uout和被测电流I的关系:I=/4.8编程时,按照式进行一定的数据转换处理,即可以在显示模块得到被测电流值。由于霍尔传感器为磁感应元件,容易受环境影响,所以应对系统进行初值消除。本系统采用2 种方法消除环境影响:一种方法是为检测系统设计一个电力开关,使单片机监测电力开关状态,把开关没合时采集到的数据作为检测电路的零电流值,当开关闭合,单片机得到开关信号,并开始把霍尔传感器采集的数据减去零电流值进行初值消除,提高测量精度;另外一个提高精度的方法是进行系统温度补偿,首先是测量环境温度,得到不同温度下霍尔传感器的温度特性,然后在设计检测电路时添加一个温度传感器,使单片机能够根据不同的温度进行软件补偿。电流采集采用TLC549如下图14,数据线D-OUT接于单片机AT89C51的P3.7,由P3.5、P3.6控制TLC549的读写。不同的是,该电路的基准电压REF+通过精密电阻R2,R3,电流检测元件采用霍尔元件,采集到的电流信号输入后经C11滤波后接与TLC549的A-IN端,选择不同的分流器阻值,可以变换不同的量程,而且可以直接与TLC459相接,经AD变换后送入单片机AT89C51计算处理,得到电流的实际值,并送LCD进行显示。图14电流采集部分接线图4.3温度采集部分本文选择的温度检测器件是DS18B20,如图15所示：图15 DS18B20引脚图1脚:地线GND；2脚:信号线DQ；3脚:电源VDD。温度传感器:选用DS18B20,DS18B2O温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现8-12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下:独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,能实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电,电压围为3.0-5.5V；零待机功耗；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件；负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前面56位的CRC检验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限。报警电路有一个运放做开关来控制蜂鸣器,具体电路如下图16。R847K蜂鸣器C8550PNP5VP1.6图16温度采集部分及警报器接线图DS18B2O温度传感器的部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,头2个字节包含测得的温度信息,第3和第4字节TH和TL的拷贝,是易失的,每次上电复位时被刷新。第5个字节,为配置寄存器,它的容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。由于DS18B20接线少,占用1/0资源少,使用方便,功能强大,而且以任意个并联使用,极大的简化了电路设计,所以在温度检测方面大显身手。第五章 LCD显示部分及通信电路设计5.1 LCD原件简介及接线LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称,LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体,两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线,透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向,将光线折射出来产生画面。比CRT要好的多,但是价钱较其贵。其主要技术参数有：对比度、亮度、信号响应时间、可视角度。1.对比度LCD制造时选用的控制IC、滤光片和定向膜等配件,与面板的对比度有关,对一般用户而言,对比度能够达到350:1就足够了,但在专业领域这样的对比度平还不能满足用户的需求。相对CRT显示器轻易达到500：1甚至更高的对比度而言。只有高档液晶显示器才能达到这样如此程度,由于对比度很难通过仪器准确测量,所以挑的时候还是要自己亲自去看才行。 提示：对比度很重要,可以说是选取液晶的一个比亮点更重要的指标,当你了解到你的客户买的液晶是用来娱乐看影碟,你们就可以强调对比度比无坏点更重要,我们在看流媒体时,一般片源亮度不大,但要看出人物场景的明暗对比,头发丝灰到黑的质感变化,就要靠对比度的高低来显现了优派的VG和VX一直强调对比度的指标,VG910S是1000：1的对比度,我们当时拿这款和三星的一款用双头显卡对比测试,三星液晶就明显比不过,大家有兴趣可以试试测试软件中的256级灰度测试中在平视时能看清楚更多的小灰格即是对比度好。2.亮度LCD是一种介于固态与液态之间的物质,本身是不能发光的,需借助要额外的光源才行。因此,灯管数目关系着液晶显示器亮度。最早的液晶显示器只有上下两个灯管,发展到现在,普及型的最低也是四灯,高端的是六灯。四灯管设计分为三种摆放形式：一种是四个边各有一个灯管,但缺点是中间会出现黑影,解决的方法就是由上到下四个灯管平排列的方式,最后一种是U型的摆放形式,其实是两灯变相产生的两根灯管。六灯管设计实际使用的是三根灯管,厂商将三根灯管都弯成U型,然后平行放置,以达到六根灯管的效果。 提示：亮度也是一个比较重要的指标,越亮的液晶给人很远一看,就从一排液晶墙中脱颖而出,我们在CRT中经常见到的高亮技术优派叫高亮,飞利浦叫显亮,明基叫锐彩都是通过加大阴罩管的电流,轰击荧光粉,产生更亮的效果,这样的技术,一般是以牺牲画质,和显示器的寿命来换取的,所有采用此类技术的产品在缺省状态下都是普亮的,总要按个钮才能实行,按一下3X亮玩游戏;再按一下变成5X亮看影碟,细一看都变糊了,要看文本还得老实的回到普通的文本模式,这样的设计其实就是让大家不要常用高亮LCD显示亮度的原理和CRT不一样,他们是靠面板后面的背光灯管的亮度来实现的所以灯管要设计的多,发光才会均匀早期卖液晶时和别人说液晶是三根以是很牛的事了,但当时奇美CRV,就搞出了一个六灯管技术,其实也就是把三管弯成了U型,变成了所谓的六根；这样的六灯管设计,加上灯管发光本身就很强,面板就看到很亮,这样的代表作在优派中以VA712为代表；但所有高亮的面板都会有一个致命伤,屏会漏光,这个术语一般人很少提及,编者个人认为他很重要,漏光是指在全黑的屏幕下,液晶不是黑的,而是发白发灰所以好的液晶不要一味的强调亮度,而是要多强调对比度,优派的VP和VG系列就是不讲亮度,讲对比度的产品。3.信号响应时间响应时间指的是液晶显示器对于输入信号的反应速度,也就是液晶由暗转亮或由亮转暗的反应时间,通常是以毫秒ms为单位。要说清这一点我们还要从人眼对动态图像的感知谈起。人眼存在视觉残留的现象,高速运动的画面在人脑中会形成短暂的印象。动画片、电影等一直到现在最新的游戏正是应用了视觉残留的原理,让一系列渐变的图像在人眼前快速连续显示,便形成动态的影像。人能够接受的画面显示速度一般为每秒24,这也是电影每秒24帧播放速度的由来,如果显示速度低于这一标准,人就会明显感到画面的停顿和不适。按照这一指标计算,每画面显示的时间需要小于40ms。这样,对于液晶显示器来说,响应时间40ms就成了一道坎,低于40ms的显示器便会出现明显的画面闪烁现象,让人感觉眼花。要是想让图像画面达到不闪的程度,则就最好要达到每秒60帧的速度。4.可视角度LCD的可视角度是一个让人头疼的问题,当背光源通过偏极片、液晶和取向层之后,输出的光线便具有了方向性。也就是说大多数光都是从屏幕中垂直射出来的,所以从某一个较大的角度观看液晶显示器时,便不能看到原本的颜色,甚至只能看到全白或全黑。为了解决这个问题,制造厂商们也着手开发广角技术,到目前为止有三种比较流行的技术,分别是：TN+FILM、IPS和MVA。蓄电池自动监测系统可以现场显示蓄电池的各状态参数,系统采用了东显电子生产的液晶模块EDMl2864-09。EDMl2864-09是一种128X64全点阵的全透、正显STN LCD。它的背景颜色是黄绿色,显示点为蓝黑色。它的输入数据来自MPU的8位并行数据接口或串行数据接口。EDMl2864-09提供三种与CPU的接口：8位并行口,4位并行口及串行接口,经由外部PSB脚来选择接口的种类,当PSB脚接1时为选择8/4位接口方式,而当接0时为串行接口方式。蓄电池自动监测系统中为8位接口方式。EDMl2864-09部自带了字型产生ROM提供8192个16*16点的中文字型图像以及128个16*8点的数字符号图像,EDMl2864-09的字型产生RAM提供使用者图像定义功能,可以提供四组16*16点的自定图像空间。显示资料RAM提供64*2个字节的空间,最多可以控制4行16字的中文字型显示,当写入显示资料RAM时,可以分别显示CGROM,HGROM与CGROM的字型；EMDl286409可以显示三种字,分别是半宽的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM,三种字型的选择由在DDRAM中写入的编码选择。EMDl286409与单片机通过双向总线收发器74LS245连接。其连接电路图如图17所示。图17单片机与液晶显示接口电路74LS245的选通和传输方向由单片机的P3.0和P3.1控制。液晶模块上的RS、R/W、E引脚分别由单片机的P0.4、P0.5和P0.6控制,实现单片机对液晶模块的读写操作,并根据具体情况显示相应的容。5.2通信部分电路设计目前采用PC与多台单片机构成的分布式系统、工业控制系统、数据传输系统等越来越受到广泛应用。在这类应用系统中,稳定可靠、方便快捷的数据通讯是实现应用系统功能的基础和保障。因此,根据系统的实际工作环境条件,合理设计硬件控制电路就显得十分重要了。RS485是工业界使用最为广泛的双向、平衡传输线标准接口,它以支持多点连接,允许创建多达32个节点的网络,具有传输距离远,传输速率快等优点,用于多站互连时,便于组建成本低廉、可靠性高及分布围较大的总线网络。目前