基于单片机的蓄电池自动监测系统设计毕业设计论文.docx

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基于单片机的蓄电池自动监测系统设计毕业设计论文

基于单片机的蓄电池自动监测系统设计

摘要

蓄电池作为电力系统的后备电源，其维护工作对保证电力系统的安全运行具有重要的意义，对蓄电池实施在线监测并及时发现失效电池，是蓄电池维护工作的重中之重，本课题的主要任务就是重新设计一种新型蓄电池在线智能监测仪，能实现对蓄电池无论在浮充状态还是在充放电过程中的状态监测。

该监测系统是以AT89C52单片机为核心，其芯片是采用CMOS工艺以及面向寄存器结构的单片机。

它含有8K字节快檫写可编程/檫除只读存储器（EEPROM），具有256字节的内部RAM；3个16位定时记数器；32个可编成程的I/O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10路或20路蓄电池端电压、电池端电压、电池温度、充放电电流等，数据采集电路采用模块化设计，可根据蓄电池个数确定模块数量，每个模块可测量一组，对测量的值采用惯性滤波法和积分、微分等控制理论进行滤波和校准。

该系统采用了大连东台电子有限公司生产的EDMl2864-09图形点阵液晶显示模块，能直观了解失效的电池信息。

该系统利用集抗外干扰复位热启动的看门狗、电源监测电路和串行存储于一身的XICOR公司生产的可编程看门狗定时器X25043，为整个系统提供了安全保障，同时，通讯电路可进行RS-485的通讯，通过单片机串行通讯接口，可以执行与上位机或PC机进行数据传输，供维护人员对检测参数做进一步的分析。

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。

关键词蓄电池；监测系统；单片机；看门狗

TheAutomaticMonitorSystemofStorageBattery

BasedonSingleChip

Abstract

Thestoragebatteryisthesparepowersupplyofthepowersystem．Itismeaningfultocarryouttheon-linemonitor．Themainmissionofthistopicistore-designanewkindofstoragebatterywithon-lineintelligentmonitor．Itcanmonitorwhetherinthefloatpositionorduringdischargetheappearance．

ThemonitorsystemistotakeAT89C52asthecore,itschipadoptsthecraftofCMOSandfacestomonolithicmachinewithmemorystructure．Itimpliesthequickcleaningofthe8KwordEEPROM,256wordstanzathree16settlerecorders,32programmableI/Oport,6insidethebreaksource,Theprogrammablestringgoestoweave,stillhavingthesparetimeanddroppingtogiveorgetanelectricshocktheway．Itsintegrateddegreeishigh,thespeedisquick,thepowerconsumedislowspeciallysuitableforthecontrolsystemofmanymethods'datacollection．

Thissystemcanmeasure10roadsor20roadstheelectricvoltageofstoragebatteries,batteryelectricvoltage,batterytemperatureandrefreshanddischargeelectriccurrentetc．Thedatacollectionelectriccircuitadoptsmolddesign．ThatsystemadoptsthesketchesEDMl2864-09withaLCDmanifestationmoldproducedbytheelectroniclimitedcompanyofDalianTongtai．Itcankeepthebatteryinformationofunderstandingexpiration．ThatsystemmakesuseofthewatchdogX25043,providingthesafetyguaranteeforthewholesystem,atthesametime,thecommunicationelectriccircuitcancarryonthecommunicationoftheRS-485．Itcancarryoutdata’sdeliverywiththeinterfaceofuppermachineorPCmachine,inordertosupportthepersonneltodothefurtheranalysistotheexaminationparameter．Theautomationdegreeofnewstoragebatterymonitorsystemishigh,man-machineinterfaceamity,andthenbeeasytotheoperation,andthewholestructurecredibilitygood,theaccuracyishigh．Itcanraisetheproductionefficiencygreatly．

KeywordStoragebattery;Monitorsystem;SinglechipofAT89C52;Watchdog

第1章绪论

1.1课题背景

　当今世界经济面临破解新旧问题的重大挑战，形势发展更趋复杂。

再观中国，经过30多年高速增长，原有的增长模式已显后劲不足和不可持续。

新的环保能源将是未来几年中国发展的重头戏，我国今后的能源总的目标应该是建设能源生态体系，促进能源生态文明，能源生态体系是社会生态文明建设的重要基础。

在这个关键时期，思考发展规律，甄别问题根源，做到趋利避害对今后发展至关重要。

特别是在金融和经济危机之后，各国都在努力寻找经济新增长点，提升经济和产业竞争力。

美国总统奥巴马上任伊始就推出了大规模经济刺激计划，力争将新能源、电动汽车等新兴产业打造成国民经济的新支柱产业，计划在10年内投入1500亿美元用于新能源开发。

以汽车制造行业为例，采用相对清洁能源为动力的新一代环保汽车正在成为日本汽车业发展新方向。

日本各大汽车公司相继推出纯电动汽车，市场反响良好。

纯电动汽车还带动车载电池、电池充电站等多个配套产业，并成为未来智能城市构想的重要一环。

电动汽车还给日本智能电网建设带来新思路，即把汽车蓄电池同样用于智能电网的蓄电功能。

在蓄电池应用中，铅酸蓄电池目前使用的最为广泛。

世界第三大铅酸蓄电池制造商汤浅公司（GSYuasaCorp）称，因中国、印度、南非汽车销售量增加，今年全球对铅酸蓄电池的需求量可能会上升2.6%，由去年的3.8亿组上升至3.9亿组。

去年中国及其他新兴市场汽车销量超过预期，因此铅酸蓄电池的实际需求比3.8亿组可能还多。

1.1.1电池的主要性能指标

（1）容量

铅酸蓄电池的容量是指其在一定条件下所能放出的电量，它是衡量一只蓄电池优劣的主要指标，它标志着蓄电池储存能量的多少。

容量的计算单位为安培每小时。

电池容量一般分为两种：

一是理论容量，是根据法拉第电解定理计算的容量，即假设极板活性物质全部反应所能放出的电量；二是实际容量，即在一定条件下，蓄电池实际能放出的电量。

实际电量只是理论电量的50%左右。

另外，不同的使用条件下，蓄电池容量也不同。

蓄电池的容量通常定义为：

蓄电池在特定的放电速率下有效的安时数。

当蓄电池放电至终了电压时，可以认为其有效电量已全部消耗。

蓄电池进行放电时，容量等于放电电流和放电时间的乘积。

在实际的应用中还经常涉及到额定容量的概念，额定容量是指在规定的工作条件下，蓄电池能放出的最低电量。

固定型铅蓄电池的规定工作条件为：

10小时率电流放电，电解液温度为25℃，放电终了电压为1.8V。

（2）静止电动势

蓄电池静止（即不充电也不放电）相当长一段时间后，其内部电解液扩散过程停止，极板附近的电解液浓度于其他各部分的浓度相等，此时电池处于开路状况，用高阻抗电压表（没有电流通过电池）在常温下测得的正负极板间的电位差就是蓄电池的静止电动势。

蓄电池的电动势与电解液密度有关，一般电解液密度越大，电动势就越高。

另外蓄电池电动势还和电解液的温度有关，但是温度的影响不是很大。

电极材料确定后，电动势可用经验公式占钮85+d15决定。

d15是在15℃时极板微孔内部电解液的密度。

蓄电池静止时，极板微孔内部与容器中的电解液的密度相同。

只有d15在1.05-1.30之间时，上式才准确。

（3）端电压

蓄电池的端电压是在正负极上实际测得的电压。

蓄电池的工作状态不同，端电压也不同。

当蓄电池不工作，即不向用电设备供电时，蓄电池的端电压等于它的电动势。

当蓄电池向外供电时，它的端电压将小于电动势，等于电动势减去内部电压降，即U=E-IR。

当蓄电池处于充电状态时，它的端电压就是充电电源加在正负极上的电压，其值大于电动势，等于电动势加上内部电压降，即U=E+IR。

蓄

电池的端电压不仅和电池的电动势有关，而且与充放电电流、内阻和充放电时间有关。

（4）内阻

铅酸蓄电池的内阻分为金属性电阻和电化学性电阻。

金属性电阻包括终端、夹板、栅格以及栅格与涂胶之间的电阻，电化学性电阻包括涂胶、电解液和隔板的电阻。

1.1.2国内蓄电池监测系统现状

在国内蓄电池监测系统中，对单体电池电压的监测成为主要内容，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，在小信号范围内线性度差、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。

国内研制并投产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，在对蓄电池内阻测量的问题上，人们也进行了诸多的研究与实验。

1.1.3国外蓄电池监测系统研究现状

由于内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内阻测量的开发工作，以便通过内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内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20～30HZ60H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（BatteryMonitoringSystem）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、（浮充电）维持电流、电池内部温度、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（叫“电池监测器”，是真空密封的）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和公司电话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（由电池组供电）电池组电流的测量用霍尔效应磁域传感器来测量。

电池内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阳光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（VRLABatteryManagementSystem）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。

系统监测的内容包括：

单电池电压、电池内部温度、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。

1.2蓄电池技术的发展与方向

除环保领域应用之外，其他很多特殊场合也都用到铅酸蓄电池。

随着信息、能源、电子技术的快速发展，越来越多的场合都需要保证不间断的供电，阀控式铅酸电池（ValueRegulatedLead-Acid）简称VRAL，VRAL蓄电池的使用已经趋于广泛，与普通的铅酸蓄电池相比VRAL电池由于采用了内部氧复合技术，大大缓解了电解液的损耗，而且具有体积小防爆、电压稳定、无污染、重量轻、放电性能高、维护量小等优点，所以深受各个行业的青睐，尤其是在电力系统中，VRAL蓄电池作为电厂、变电站都拥有直流电力供应系统。

此系统的主要作用是为继电保护装置、信号装置、照明装置等重要负载提供直流电源。

由于这些重要负载绝对不允许断电情况发生，而单靠电网供电无法保证做到这一些，因此作为后备电源的蓄电池便成为确保设备正常运行的最后一道防线。

平时，直流系统中的蓄电池组处于浮充电备用状态，当交流电失电时，蓄电池便向执行机构和检测装置提供能量，同时也为控制装置、信号发生装置、自动装置、保护装置及通信装置等提供能量。

此外，蓄电池还被广泛应用于邮电、通信、交通、船舶、航空航天、应急照明等诸多领域中，作为储存电能的装置。

可见，蓄电池在工业系统中具有特殊的作用和意义。

蓄电池作为电力系统的后备电源，其维护工作对保证电力系统的安全运行具有重要的意义。

对蓄电池实施在线监测并及时发现失效电池，是蓄电池维护工作的重中之重。

但是，从目前VRAL蓄电池的使用和维护状况来看，存在着诸多的缺点和问题。

主要表现在对其维护保养方面重视不足，因为VRLA蓄电池进入市场初期就被称为“免维护”电池，致使很多用户在使用中未能像对防酸隔爆蓄电池那样，对VRLA蓄电池予以足够的重视，导致了电池的运行寿命达不到预期值甚至失效的现象发生，给各系统安全可靠运行带来严重威胁。

因此，针对阀控式铅酸蓄电池结构的特殊性，充分发挥蓄电池作为后备电源的作用，在运行中可靠检测蓄电池性能，以便对蓄电池进行维护，保证电力系统的正常运行变得十分困难又十分迫切，必须对蓄电池组进行有效的全面监测。

目前蓄电池监测系统所监测的主要参数是蓄电池端电压、电池内阻、温度、充放电电流等。

在这种情况下，本课题拟设计一种新型蓄电池在线智能监测仪，能实现对蓄电池无论在浮充状态还是在充放电过程中的实时、准确工作状态监测。

按照对本课题设想，预期达到以下性能测试结果：

可以测量10路或20路蓄电池端电压、电池端电压、电池温度、充放电电流等，数据采集电路采用模块化设计，可根据蓄电池个数确定模块数量，每个模块可测量一组，对测量的值采用惯性滤波法和积分、微分等控制理论进行滤波和校准。

该系统采用了大连东台电子有限公司生产的EDMl2864-09图形点阵液晶显示模块，能直观了解失效的电池信息。

该系统利用集抗外干扰复位热启动的看门狗、电源监测电路和串行存储于一身的XICOR公司生产的可编程看门狗定时器X25043，为整个系统提供了安全保障，同时，通讯电路可进行RS-485的通讯，通过单片机串行通讯接口，可以执行与上位机或PC机进行数据传输，供维护人员对检测参数做进一步的分析。

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。

1.3本课题来源及技术指标

（1）设计一个基于单片机的新型蓄电池在线智能监测系统；

（2）该系统应包括：

单片机控制系统、测量电路、RS-485通讯电路、液晶显示电路、A/D转换电路；

（3）完成功能：

实现对蓄电池无论在浮充状态还是充放电状态过程中的监测；

（4）硬件电路的设计及硬件电路图绘制；

（5）软件编程及功能调试。

1.4本文所做的主要工作

本课题拟采用软硬件相结合组成实际控制系统。

利用相关知识对VRLA蓄电池的工作原理和失效机理进行理论分析。

在此基础上，完成对控制算法的设计。

在硬件电路设计上，要实现系统各个功能模块的正确设计及连接。

在软件编程方面，采用AT89C52单片机完成主控程序编写，实现对蓄电池进行快速有效地监控。

本课题主要分为以下几个具体实现步骤：

1.整理要运用的知识：

（1）掌握单片机的基本工作原理及指令系统；

（2）掌握MCS-51单片机应用系统开发方法；

（3）熟练应用Protel软件绘制原理图及印刷电路板图。

2.查阅设计中需要的资料

（1）VRLA蓄电池的工作原理和失效机理。

（2）设计蓄电池监测控制算法。

（3）设计系统的数据采集、控制、显示等功能模块。

（4）采用AT89C52单片机编程，实现控制思想。

3.将各个单元融合到一起，对其可兼容性进行观测，每一部的融入对整个系统进行调试，从而达到一个总体的效果。

同时对电路板、原理图进行绘制。

第2章系统总体设计与算法确定

2.1监测系统总体设计原理

蓄电池监测的目的不仅要确定蓄电池当时的状态，而且要可靠预测此后一段时间内蓄电池的状态，从而满足监测时蓄电池性能的要求。

蓄电池的充电状态能反映它所能输出能量的大小。

正常情况是充满电时所能输出的能量与蓄电池的额定容量相近。

（1）负载测试

长期以来，确定蓄电池充电状态的唯一方法就是负载测试，即给蓄电池加上已知的负载，记录其放电特性，然后与蓄电池的标准放电特性相比较，从而得出其容量大小。

然而，要可靠确定蓄电池的实际容量，只能采用深度放电，即放电至其终了。

实际上，作为应急电源往往不允许这么做，因为其结果是蓄电池无电可供，而且蓄电池深度放电和再恢复到充满电状态都需要很长时间。

负载测试只能确定当时蓄电池的充电状态，而不能可靠预测此后蓄电池的充电状态。

另外，经常进行负载测试会加速蓄电池的老化。

因此，一般隋况下尽量不做负载测试。

（2）测量电解液的比重

由蓄电池的充放电原理可以看出，蓄电池的电解液密度反映了蓄电池的充放电程度。

因而，可以通过测量电解液的比重来确定蓄电池的容量。

但是，其真实性不如负载测试，而且免维护铅酸蓄电池为密封结构，无法测量电解液的比重。

（3）测量单元电池的端电压

精确测量单元电池的端电压时，如果电压偏离标准值或平均值超出规定的极限范围，则表明蓄电池存在缺陷或充电不足。

由于免维护铅酸蓄电池固有的电压偏差较大，端电压的测量将不能精确的反应电池的特性。

（4）测量内阻

新的研究表明，可以利用测量阻抗来评估和预测蓄电池的性能，因为蓄电池内部阻抗与蓄电池的容量及完好性有着密切的关系，据证明，金属性电阻的增加使得蓄电池的容量减小，因为放电电流在增加的电阻上产生了一个额外的电压降，使蓄电池的端电压提早达到了终止电压，从而使蓄电池应有的容量放不出来。

电化学性电阻的增加本是不能影响蓄电池的容量，但导致电化学性电阻增加的原因—活性物质的损失和电解液的干涸使得蓄电池存储的能量减少，反映在其能持续提供的电动势减少，使端电压提早达到终止电压，容量也就减少了。

根据有关资料介绍，极板和电解液的欧姆电阻占铅酸蓄电池总欧姆内阻的80％以上。

在蓄电池的老化进程中，极板的硫酸化、活性物质的脱落、电解液的干涸等随时间推移而加剧，这些变化会导致蓄电池容量的减少，同时使蓄电池欧姆内阻呈逐渐增加的趋势。

由此可见，蓄电池欧姆内阻可作为表示其容量和完好性的有效指标。

在蓄电池的老化过程中，其内阻的上升明显早于充电时端电压的提高，直到内阻上升了60%以上时，端电压才有明显的增大，而端电压的增大正是电解液干涸的表现，因此，内阻具有很好的预测性。

也正因为这个重要原因，这种方法越来越受人们重视。

（5）测量温度

蓄电池内部温度对其性能有很大影响，即温度上升时，电解液的运动速度增大，获得动能增加，因此渗透力加强，电解液电阻减小。

电化学反应增强，这些都使蓄电池容量增大。

当电解液的温度在10～35℃的范围内变化时，每变化10℃，则其容量变化约0.8％。

所以，在判断蓄电池的性能时，要考虑温度的影响，故温度的测量不可少。

对免维护铅酸蓄电池而言，更是如此，因为在充电过程中存在氧的再化合，而产生的额外热量会使温度上升，因而影响更大。

（6）其它方法

蓄电池的完好性取决于其老化状况，涉及其结构的所有方面。

观察电解液的液面高度、板栅的腐蚀情况、正极活性物质的脱落和变形等，是评估蓄电池完好性的重要方法。

免维护铅酸蓄电池的容器一般是不透明的，这些方法也不适用。

2.2主控芯片的选择

通过MCS-51单片机内部的逻辑结构图掌握，单片机内部的逻辑结构及各个部件的功能与特点。

即中央处理器（CPU）、内部数据存储器、内部程序存储器