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论文案例分享-基于单片机的蓄电池容量测试系统设计
时间:2021-04-05 11:17:32

  蓄电池作为主要的直流电源,同时也是一种稳定电源,其维护工作很特殊,具有一定重要的工作意义,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。本课题的任务就是设计一种智能蓄电池监测仪,不仅能完成对蓄电池在浮充状态的监测,也能在充放电过程中的状态持续监测。

  AT89C51单片机是此智能监测系统的核心单片机。该系统可以做到测量蓄电池的端电压,可以测量电池的温度,并且在蓄电池工作模式时也能够测量其电流,这些基本的电池性能指标数据都能够由该系统测量。并且系统的设计是模块化,主要由以下模块构成:主处理器模块;探测电路;差分放大电路;幅相检测电路。

  1.1课题背景及意义

  随着科学技术发展的脚步,新技术产业与新型再生电池飞快发展的两个社会产业已经形成,快速的市场需求创造了新的二次电池。而且该行业这几年逐渐走向成熟,许多知名企业不惜重金组织了自己的生产电池的工厂,完成了二次电池的生产。同时,我们也发现,非这些业务范围的企业也开始对电池的生产研究,因此我们可以看到,电池的发展在不久的将来被很多企业看好。随着手机时代以及平板电脑的飞快成长必将在电力发展的同时,凸显出电池的不一样及重要性。基于这种思想观念,认为电池的发展有一个光明的未来,电池的发展将为生活和设备提供无限的乐趣。

  1.2蓄电池测试研究现状

  蓄电池自发明以来已经发展了150多年,在理论研究,产品类型和性能方面都有相当大的发展,例如在通讯、导航、娱乐等多方面有着举足轻重的地位并得到广泛的应用。

  在中国,绝大多数依赖电池的设备都是使用现有的铅蓄电池,但是在铅蓄电池在长时间使用中存在着一些弊端,主要弊端有:电池长时间过热工作,大大缩短了其寿命,又是对设备自身也是有一定损害,所以,电池检测系统的发展,实时监控设备的研发实现了电池性能参数和状态的实时监控报警,并且它是非常重要的提供电池主要数据依据为日常维护人员,确保依赖电池的设备正常使用。

  最近这几年以来,国内外许多单位都着手组织蓄电池实时监测报警的研发,大部分产品已经在市场上得到推广,取得了广大群众的信赖。唯一的不足之处就是它的造价太高了,因此,这款设备并没有普及到国内的蓄电池设备中。

  1.2.1海外研究现状

  海外电池监测报警系统技术比较完善,高新技术和研究结果对中国电池监测系统的研究起了重要作用。美国Alber公司开发的电池容量测试(BCT)可以实现全自动检测电池的状态,Ruitu Lem研发了模块化的形式来研究电池管理。韩国的一部分人正在研究太阳系电池状态的监测,此外,为了方便电池管理和延长电池寿命,还研究了VMS(VRLA电池管理系统)阀门调节密封型压缩电池管理系统。

  1.2.2国内研究现状

  国内电池实时监控技术仍处于开发阶段。近年来,国内蓄电池检测已经发展到可以实时检测其内部电压及其电阻的大小。这种产品可以在整个电池中进行放电测试,虽然检测的准确度很高,但是进行电池容量测试时,电池必须从电源中分离出来,因此电池的备份不足。

  目前我国的国际电力理论及电源供应公司的研究是为了预先发现受损电池,保障电池电源供应系统的安全运行和延长电池寿命。当然这些优点仍然是各界关注的焦点。因此,目前最重要的就是研究出科学的、完整的、可信赖的以及可以经济嵌入式铅蓄电池监测系统。

  1.3本课题所做的主要工作

  本课题采用软件硬件相结合实现蓄电池容量、电压、电流(充电电流、输出电流)、温度实时监测报警,能有效避免因蓄电池突发的事故。

  在硬件上,首先对每个模块电路进行设计,最后实现每个模块正确的连接。

  在软件上,以AT89C51单片机为主控单元,并对单片机进行程序编写,快速有效的实现蓄电池实时监测报警。

  2测试方法的分析与选择

  2.1蓄电池的内阻

  电池内部电阻:由于充电的里面电阻非常小,因此会产生里面阻值,因为没有功能可以明白现实的值和里面容量变量阻值可以避免极端里面电阻的不一样,给出了现实的里面价值。

  充电电池的里面电阻由三部分组成,导体电阻和电化学极化电阻及浓差极化电阻的数据发生不一样。

  此外,温度对电池的里面电阻也有不能忽略的影响。在没有热度的作用下,少于0℃;在特别多的有热感下,其高于10℃;当再次加大温度时电池的里面阻值一点一滴减少。

  2.2蓄电池内阻与容量的关系

  对于一样的环境下电池里面阻值与容量之间的联系,如:电池正极和负极板的大小越高,相应的里面电阻就会变小。此外,当电池充满电时,里面电池电阻将相对大小变的很小,放电时,电池的里面阻值会增多。

  但是,我们更要明白的是,它们并不是非间接控制彼此的工作,而是一起协调工作,不是改变彼此,而是通过协作彼此的局限性来让彼此更好的工作。

  2.3蓄电池等效电路

  通常,不管电池充电还是电池在放出时,其R都是由三个部分完成,如式2-1表示。

  式2-1

  当RΩ是一种欧米里面电阻,RC代表非外部对浓度的阻值,再是里面对激活的电阻。在许多放电的过程中,如图2.1所示:

  图2.1蓄电池阻抗等效电路

  图中的RTP和RTM是电阻;LP和LN是电极感应;CBLP和CBLP是两个电极容量;RBF是一种抗欧米性。

  电池阻抗是繁杂的。对于电池阻抗可以分为两种,在其他要求下连接到检查的次数。

  一般来说,里面电阻是指电阻在一定次数下的里面数据。里面电阻检查有2个不一样:电阻里面电池的容量数值,导致经常用的最多次数是1kBz;用于测电池的频率大部分是10-60Hz。

  2.4设计方案论证

  由于蓄电池内阻非常的小,要精准测量蓄电池的内阻有一定难度,原因主要有三个方面:一是蓄电池自身内阻非常小,一般以毫欧为单位;二是蓄电池在长时间工作下,内阻变化很小,无法精确;三是,在线实时监测,负荷电路也会对其造成干扰。

  在当下蓄电池内阻测试常用的有以下几种:

  (1)密度法:它是通过测量出蓄电池中的容液的密度,通过测量到的容液的密度来然后算出蓄电池内阻大小,而目前蓄电池还没有不是封闭式的,电解液也是没有办法得到。这个办法的适用面不是特别宽并且这种方法在准确上有很大的不足。

  (2)开路电压法:它主要是通过记忆蓄电池的端电压,理由测出来的端电压,利用所知的知识运算出蓄电池的内阻,但是这种方法的精度很差,甚至可能算出不是我们需要的答案,即是算出来的内阻数据是结果不正确。由于电池容量已经降低,终端电压仍可能显示为正常,在浮动模式下显示。

  (3)直流放大法是通过大功率直接输入来测量电池的瞬间大电流的放电情况,并且根据欧姆定律计算电池的内阻值。由于瞬间大电流会对电池有伤害作用,在内部电阻值十分小时,电压改变的幅度也会变小,这需要在恒定的电流下完成,加大了测量的准确性,并且还有额外的其他难度,还有一方面是在放电的时候,电压不是一直不变的,它有一个变化的范围,但是在实际生活中,这种重复性是非常差的。

  (4)交流法是将交流电源添加到电池中。肯定的是电源是高频的,实验者就能够知道电池两边周围的电流和电压的数据,这是因为电流是高频的,所测出的电压和电流都是低频的,通过测出的数据之间的电压差,最后通过这些算出蓄电池完成后的内阻。

  将交流电源添加到充电中。因为增加的电流不是高次数,所以根据容量知识之间的差异,不是内部电流就是增加的电流。我们可以执行非网络操作和电池管理,而无需使电池处于卸载或泄漏状态,从而不会影响物品的工作。首先,生成1kBz AC激励的特定信息。由于添加了交流信号,因此测得电池周围的电压响应和相位差,由公式2-2和2-3计算,进而实现蓄电池实时监测。

  式2-2

  式2-3

  借助以上分析密度法是通过蓄电池溶液密度测得蓄电池的内阻,因蓄电池斗士密闭的,所以无法实时监测;开路电压法是通过测量端电压计算蓄电池内阻,精度很差;直流放大法通过瞬间压降测得蓄电池内阻,但是对蓄电池会造成一定损伤,也无法实现实时监测;交流法通过外接一个交流电源,经计算可以准确是现实实时监测。

  通过上述分析,我们挑选了交流法测量电池性能的方法。

  3硬件电路设计

  3.1系统方案设计

  实际上,电池内阻处于微欧或毫欧级,因此电压变化的振幅度也处于微小起伏水平,但是由于馈入信号幅值特变小,特别是在线上检查中,它将会被充电电器或负载设备影响。

  AC方法首先需要AC电源。原理框图如图3.1所示。交流电源用于提供交流信号,可以将其注入电池中以在电池的交流电源信号在两边周围都产生。联系到交流电源已连接在一起,电池将不会产生直流信号。为了减少影响持续的电流源,电容器已连接到该系列电路,并且电容器已连接到该系列电路的电容器电阻值,因为电容器c越大,AC信号的电压降越小。电池的内部电阻它是纯粹的电阻,而且里面没有一个电容器元件,因此直流信号经过电池后会发生不一样。因此,必须测量电池的阻抗,并测量相位差异θ。为了测量相位差异,我们需要参考电压。使用直流电,如式3-1所示。

  式3-1

  由R可以得知一个电压信号,如式3-2所示。

  式3-2

  设计所有条框图如图3.1所示。

  图3.1设计总体框图((系统框图里要用箭头表示能流方向)

  由于通过电池切换信号后,电池两边周围的对称的信号基本可以看作没有,因此如果一次值也带有非交流信号,我们选择输入的信息是电池两边周围的信息,由上差压增多。相应的可变换电压信息在充电电池的两边周围拿到,非交流信号此时被删除。同样,我们使用来自熟悉的B对照信号的两边周围作为通过扩大的加入信号,这就是为什么我们要求两个相同的扩大。我们选择IMA 2321作为扩大。一个在2321芯片中有两个没有差别的扩大。在RM2321之后,信号增加相应的倍数。

  一旦加大信息通过D8B02振动幅和相位片观察,就可以获得两个加入信号的两个号的振动幅比和间隔ODB3952的差异。如果振幅度比为Q,电池两边周围的电信号由式3-3显示。

  式3-2

  代入式2-2和2-3,其中得式3-3所示。

  式3-3

  在用一个芯片解决微机数据后,它被发送到液体显示。明白地说电池功能是完整与否。

  3.2总电路图

  系统电路图的主要是一台芯片ATB9C51的微机。当工作时,得出的电压将直接发送到A/O,我们向充电电池添加可变信号,然后通过可(L)和交电压(V)得出电流,从充电电池周围两边的电流算出来。一般来说我们通常看不见它的存在,所以得出字数实际上是我们要求的电池组织。对于通信方法,如果我们对于正在用的电池,交流对所有几乎没有除此之外的不好的作用,不会影响电池中的容量,其将自主开始以达到报警的作用。如图4.1所示:

  4.1总电路图

  3.3主处理器模块

  AT89C51由一个8位CPU,一个256B片内RAM和4KB Flash ROM,21个特殊功能寄存器,4个8位并行I/O端口,两个16位定时器/计数器和一个串行接口组成。I/O端口和中断系统。每个功能组件通过单个片上总线作为整体连接,并集成在一个芯片上。

  3.4探测电路

  该电路是连接到电池的直流电路,可以拉出两根线,例如电池的正极和负极。该电路的这一部分如图3.2所示。

  图3.2探测电路

  3.5差分放大电路

  放大器芯片INA2321是一种能达到电源电压的单机和双电源供应装置,提供INA321系列的输入和输出电压范围的微功率CMOS计量放大器。INA321系列由消费电流40μA提供低成本、低杂音、微波差动信号放大器。如果芯片关闭的话,INA321的大气电流还不到1微克。停机功能在几纳秒内恢复正常运转,使INA321成为一个应用程序的精良、低电量电池或多柔性。内部累积构成为5V/V时,INA321提供了提供变动的外面阻值,完成灵动的利润。

  3.5.1 INA321芯片简化图

  INA321芯片脚注如图3.3所示

  图3.3 INA321芯片引脚

  引脚5与电阻值R1有关系,PIM 6和R2相关,可通过式3-4所示的不同电阻值获得不一样的作用。

  式3-4

  3.5.2 INA2321电路图

  INA2321芯片有两个连接部分,连接是相似的。INA2321芯片周围设备的连接线路显示为图片3.4。引脚3和2连接在电池两端的信号上,引脚5和6连接在已知的电阻两端的信号上,以上四个是放大器输入信号。输出是引脚13和9。这个放大器电路可以过滤DC成分的影响,解决信号弱,收集困难的问题。其中根据实际情况,图片中抵抗R7,R8,R9和R10的抵抗会选择适当的抵抗。但是要得到相同的索引,R7和R10,R9和R8的价格必须是一样的。还有两个INA2321的放大器在同一个条件下(温度等)。同样的放大系数。

  图3.4差分放大电路

  3.6幅相检测电路

  该系统使用的芯片可以接收两个插入的数字幅值与两个提取的信号之间的相位差。

  外设ADB302绑定方案如图3.5所示。

  图3.5幅相检测电路

  R1和R2是输入电阻。R3是UREF输出的负荷。C1和C4是AC输入用电容,C2和C3是过滤电容,C5和C6是电源退耦电容。

  3.7模数转换模块

  3.7.1模数转换芯片AD0809

  AD0B09芯片引脚如图3.6所示。

  图3.6 AD0809芯片引脚

  (1)A/D传感器的功能是把模拟电信号转换成数字。

  A/D转换器的工作电压:+5V;由于芯片没有刻录,所以一般都必须加载640KHz以下和100KHz以上的刻录信号。模拟多工开关一般使用8个模拟开关和3位网址锁定。由存储和解码器组成的变换开关,地址置换将ADDC,ADDB和ADDA置换后,通过解码器回路在电路中选择其中之一,添加到A/D变换部分后进行转换。

  (2)ADC芯片控制信号

  启动转换信号(START):CPU为ADC芯片提供转换信号,CPU从阳脉冲的下降边缘开始。

  退出信号(EOC):当转换开始时,EOC立刻降低,直到转换结束。EOC输出高分辨率来通知CPU已完成转换。

  允许输出信号(OE):ADC转换完成后,转换结果将保存在输出错误中,无法传送给数据客车。当CPU获取数据时,将会发出OE信号,从而打开芯片内部3状态输出按钮并输出数据。

  (3)别针功能

  D7-D0:8位数据输出线

  IN7-IN0:八个模拟输入端子

  ADDC,ADDB,ADDA:3位地址输入线的作用将在通过状态下从8个模拟输入中选择一个。

  ALE:地球同步信号,输入,活动高。

  START:开始转换的信号,输入,高水平的效果。

  EOC:当提示/D转换结束时,输出A/D转换结束时,端子将会显示较低等级的高等级,这是转换中的信号。

  OE:这些数据允许输出信号和输入,只有在高水平下才有效。完成转换后,将在端口输入高分辨率窗口,并达到需要输出的数字数量。

  时钟:时钟输入时钟。时钟频率不得超过最高频率。

  REF(+),REF(-):标准电压。

  Vcc:电源单元+5V

  而模拟输入与数字输出的关系是VREF(+)=5V,如果是VREF,则N=(VIN-VREF(-)×256/(VREF+)-VREF(-)。(-)=0V,在输入模拟电压为2.5V时,已转换成数字N=128,即二进制数:10000000B

  3.7.2 ADC0809与单片机的接口电路

  ADC0809芯片与MCU电路连线如图3.7所示

  图3.7 ADC0809与单片机的连接图

  MCU的P2.3 P2.4与P2.5连接ADD A、ADD B与ADD C可选择要转换的模拟频道。如果您的数字转换为OUTPUT ENABLE,连接到MCU的P1端口,则微控制器将读取已转换的数据。

  3.8液晶显示

  3.8.1 LCD1602介绍

  文字液晶显示器模块是一种供显示文字,数字,符号等特别使用的圆点矩阵LCD。现在一般使用16*1,16*2,20*2和40*2线条。此设计使用16*2(16行和2行)模块。1602可显示一般使用的内部文字(包括阿拉伯数字、英文大小文字、共同符号及日语加纳等),并可显示自定义文字(由单一或多字符、符号、图案等最多可以生成8个自定义字符)。

  3.8.2 LCD1602与单片机的接口电路

  LCD1602与MCU的连线如图3.8所示。

  图3.8 LCD1602与单片机的连接

  控制信号由单片机P2.0-P2.2控制,数据从P0.0-P0.7导入。使用P2.0选择是否使用数据寄存器或命令寄存器,P2.2使用芯片able终端,P2.1控制芯片是否执行读写任务。液晶显示屏模块是慢显示设备,在执行每一个命令前,您必须先检查模块在使用时的标志是否低,以便显示该模块不是正在使用。否则命令将无效。

  4系统软件设计

  4.1蓄电池自动监测系统软件设计

  在设计进程时,我们必须了解我们设计的系统的特点。根据既定要求,我们知道软件设计在开始前必须经过严格的数据校对,否则检测的容量最后有不正确甚至出现非常低级的失误,因此无法有作用地测试电池。在校准过程中,应包括参考电压的输入和电流范围的输入;蜂鸣器报警的上限和下限也必须预先设置,其中温度上限,电压内阻的上限和下限需要设置。除了确保除了测量精度之外,我们还必须设置基本数值,如使用的地址、读出和写入记录温度的顺序符号、还有通信波特率等,在使用电池自主动跟踪系统时,我们还必须对电池的当前状态进行一些必要的测量,然后对测量结果进行一系列校准,然后对获得的数据进行测量和校准。计算电池的电动势值和电池的内阻,并通过液晶显示器显示。由于我们设计的系统可以测量多个通道,因此选择要在显示器上显示的数据通道需要我们使用键盘来完成显示器的显示。同时,我们按成的成果还应该能够直接明确所有每一个数值的测量值是否超过了标准。如果超过限制,我们需要控制蜂鸣器自动报警,以实现对工作机械的调整和维护。该系统还具有与主机通信的功能。

  4.2程序流程图

  系统通过软硬件相互结合运行,该操作系统软件采用C语言程序,采用范围化编程方法。具体程序流程方法如下如图4.2所示:

  图4.2系统程序流程图

  参数的上估计主要针对温度,因为电池的最大轴承热度为60℃,因此当超过钟设定的时间,就会振铃。

  4.2.1温度读入部分程序设计

  DRL8B20可以将测得的热度以多个字书存储在芯片的里面存储器中。由于其通信方式,当总线路上有多个dslBb20时,我们必须首先明白DslBb20主控形状,这样他才能不一样权利,即BS1BB20占用总线路的不一样功率。因此,当有多个系统DS18B20时,我们必须读取系统中的所有DSLBB20,然后读取保存在设计内存中。

  Ds1b2O有两种通知类型:注册和B0M指挥。通知日志指的是ds1b2O的某些记忆行为,包括记录和变换温度的行为,以及向上和向下行为边框但是,如果DslBb20想要输入特定通知,它必须使用BOM通知并一起注册该任务来完成该要求。此外,BOM包括我们设计的温度检查程序图如图4.3所示。

  图4.3测温程序流程图

  4.2.2电流电压读入程序

  由于是用敏件容量的,并且电压由准确电阻的局部电压获得,因此仅包括资料完成。

  图4.4电流电压读入流程图

  4.2.3通讯部分程序设计

  我们设计的自动电池检测系统要求系统能够与上述计算机通信。对于通信模式,我们完成的单微计算机有四种模式。电池操作我们选择其中一种通信方法。对于此模式,我们选择模式3。通信模式是非对称发射器。计时操作,作为前必须装备,在模式3的准备下,在通信过程中为:L位启动器,编程、1位止点、8位信息点。

  当SCM和计算机顶部通信时,我们必须根据相同的通信条文,必须明确帧的次数、排版、接触信息、资料的不对排查等。

  通信设计流的图表如下图4.5所示

  图4.5程序流程图(什么程序的流程图)

  4.2.4显示部分程序设计

  程序的主要框架是LCD的编程。开始,我们必须让液晶屏范围进入初始化界面,然后液晶显示可以说明我们采取的资料。然而,装备进入日常加班情况时,我们还要的是液晶的下部可以显示向对应的预定义的操作流程。根据液晶模组的说明,可以进行编辑,说明的程序流量图如图4.6所示。