电池监控系统设计毕业设计.docx

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电池监控系统设计毕业设计

电池监控系统设计

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22～28％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AT89S52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（EEPROM），具有8k的内部RAM;3个16位定时记数器;32个可编成程的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。

Abstract

Energycanbechangedinvariousformsofenergy,oneofthem,thechemicalenergyintoelectricalenergyconversiondevicecalledchemicalbatteries,thegeneralreferredtoasbatteries,batterycellsandbatteriesaretheoriginaldivision.Dischargecannotbeusedafterthemannerofchargingtheinternalregenerationofactivesubstancescalledprimarycells,alsoknownasaone-timebattery.Canbeusedafterdischargerechargeableinternalactivityoftheestablishmentofrenewablematerial,theenergystoredaschemicalenergy,theneedtodischargethechemicalenergytoelectricalenergyisconvertedtothebattery,calledthebattery,alsoknownassecondarybatteries.

Thelead-acidstoragebatterygroupisthedrivepowersupplyorcontingencypowersupplyformanymachines.Sotheperformanceofthestoragebatterygroupisdirectlyrelatedtothenormalrunningofmanydevice.Itisnecessarytomeasurebatteries’parametersaccuratelyandfrequentlyinordertoenhancetheirlives.

ThemonitorsystemistotakeAT89S52asthecore,itschipadoptthecraftofCMOSandfacestomonolithicmachinewithmemorystructure.Itimpliesthequickcleaningofthe8insidethebreaksource.Theprogrammablestringgoestoweave,stillhavingthesparetimeanddroppingtogiveorgetanelectricshocktheway.Itsintegrateddegreeishigh,thespeedisquickthepowerconsumedislowspeciallysuitableforthecontrolsystemofmanymethods,datacollection.Thissystemcanmeasure10roadsor20roadstheelectricvoltageofelectriccurrentetc.

Keywords:

single-chipcomputer;battery;detection.

1绪论

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LCD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。

本文涉及的主要是单个小系统的设计，由于需要检测的电池的数量和参数的数目相对比较多，而且每个模块都要检测电压、电流、温度等数据，由于受使用的主控制器存储空间限制，很难将这些数据都保存下来，所以将检测的数据保存在存储量足够的上位机中。

1.1概述

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。

镍镉电池是前几年使用最为普遍的充电电池。

它的优点主要是价格便宜，缺点是其自放电率较高，存在记忆效应，且会对环境产生污染，因此也将逐渐地退出市场。

通常可以充放电1000次左右。

近两年来，重量更轻容量更大的镍氢电池得到了更为普遍的使用。

在手机、数码相机、数码摄像机等便携式设备中都能见到镍氢电池的身影。

镍氢电池的容量比镍镉电池高1.5－2倍，且具有不污染环境、价格便宜、性能好等优点。

镍氢电池的自放电率大概为20％左右。

同其他充电电池相比较，锂电池具有最高的能量/重量、能量/体积比、无记忆效应等优点。

但是锂电池成本高而且充电器要求也是最高的。

如果对锂电池充电不当的话，很容易损坏电池，甚至产生电池爆炸。

最具代表的蓄电池是铅酸蓄电池，它是许多船用的动力源或应急电源，也是火车指挥调度、邮电通信、银行运营等必不可少的应急电源。

因此它的性能将直接关系到系统的可靠运行，火车调度、邮电通信、银行运营等。

我们平时见到的大的蓄电池多为铅蓄电池。

1.2课题的意义

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,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。

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，如今交通工具大都装有蓄电池，诸如各式各样的飞机、船用、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运行绝对可靠，这样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。

1.3蓄电池的发展现状

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、适用范围广、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15％～40％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、应用范围更广，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，作为应用范围最广、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。

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。

2.蓄电池检测系统总体设计

2.1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（二氧化铅）和负极板活性物质（海绵状纯铅）在电解液（稀硫酸溶液）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2.1）

图2.1蓄电池工作示意图

2.2当前蓄电池的主要检测方法

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。

2.3铅酸蓄电池检测系统

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LCD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，数据连接上位机存储空间大，放弃传统的检测密度的方法，进行电压标定估算电池剩余电量。

极大的简化了下位机硬件系统。

2.4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，如图2.2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2.2系统框图

数据采集流程（图2.3），如图2.3所示温度以及电压电流等信号经检测元件采集后通过信号处理，然后经A/D转换后直接送到单片机。

图2.3数据采集流程图

3系统硬件设计

3.1器件选择

系统主控主控选用集成度高、速度快、功耗低，特别适合于多路数据采集的AT89S52,电压和电流分别通过选择精密电阻做分压和通过精密电阻提供参考电压来采集，并用精密度高的TLC549做A/D转换，输入单片机，系统温度的采集用DS18B20.显示用带字库的LCD12864显示系统各个参数。

系统与上位机通讯用MAX485来进行。

3.2主控单片机AT89S52

主控制器选用AT89S52，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能:

8k字节Flash，256字节RAM，32个I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

由于AT89S52单片机功能强大、性能卓越，价格低廉，市场的拥有量很大，容易采购，因而在众多领域得到了广泛的应用。

图3.1单片机引脚图

引脚描述

Vcc:

电源

Vss:

地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例

如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN:

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

AT89S52有6个中断源：

两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。

每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。

IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。

IE.6位是不可用的。

对于AT89S52，IE.5位也是不能用的。

用户软件不应给这些位写1。

它们为AT89系列新产品预留。

定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。

程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。

实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。

定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。

它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。

然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。

3.3AD转换器件TLC549

TLC549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，3～6V。

封装及引脚简单，低功耗：

最大15mW，5V供电时输入范围：

0～5V，输入输出完全兼容TTL和CMOS电路，全部非校准误差，工作温度范围：

0℃～70℃（TLC549）、-40℃～85℃（TLC549I）。

TLC549引脚图如图3.2

图3.2TLC外部引脚图

TLC549内部含有系统时钟.当CS为高时，数据输出（DATAOUT）端处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起。

这种控制作用允许用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路（片）A/D并用是的I/O控制端口。

一组通常的控制时序为:

（1）将/CS置低。

内部电路在测得/CS下降沿后，再等待两个内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（D7）输出到DATAOUT端上。

（2）前四个I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2，3，4和第5个位（D6，DS，D4，D3），片上采样保持电路在第4个I/OCLOCK下降沿开始采样模拟输入。

（3）接下来的3个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6，7，8（D2，Dl，D9）个转移位。

（4）最后一片上采样保持电路在第8个I/OCLOCK周期下降沿将移出第6，7，8（D2，D1，D0）个转换位。

保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部始终周期的A/D转换。

第8个I/OCLOCK后，/CS必须为高，或I/OCLOCK保持一个低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。

3.4电压采集部分

蓄电池的电压采集电路如下图经精密电阻R6，R7分压后由电容C12滤波，然后送入8位串行AD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AT89552的P2.4脚，并由单片机的P2.3、P2.5控制TLC549的读写，P2.3提供片选信号，P2.5提供时钟信号，TLC549的基准电压VREF+接+5伏，REF-接地，通过单片机AT89S52计算后得到蓄电池的实际电压，送入LCD12864进行显示;