基于单片机的蓄电池在线状态监测系统.doc

基于单片机的蓄电池在线状态监测系统.doc

《基于单片机的蓄电池在线状态监测系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的蓄电池在线状态监测系统.doc（42页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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

重庆交通大学

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。

目录

前言 2

摘要..…………………………………………………………………………………………………….I

ABSTRACT II

第一章绪论 1

1.1蓄电池的工作原......................................................1

1.2蓄电池的发展现状.....................................................1

1.3蓄电池检测在国内外的发展............................................2

1.4当前蓄电池的主要检测技术............................................4

1.5蓄电池在线监测的课题意义............................................4

第二章芯片部分的介绍 6

2.1单片机89C51 6

2.2A/D转换器TLC549 8

2.3温度传感器DS18B20....................................................9

第三章设计的主要思路 12

3.1在线监测的主要任务 12

3.2单片机最小系统设计...................................................12

3.3系统框图 13

第四章系统采样部分电路设计 15

4.1电压采集部分 15

4.2电流采集部分 16

4.3温度采集部分 18

第五章LCD显示部分及通信电路设计 21

5.1LCD原件简介及接线 21

5.2通信部分电路设计 24

第六章总电路图及程序流程图 27

7.1总电路图 27

7.2程序流程图 27

第七章总结与体会 33

谢辞 34

参考文献 35

附录 36

2012届电气工程与自动化专业毕业设计

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（EEPROM），具有8k的内部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。

ABSTRACT

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

Thelead-acidstoragebatterygroupisthedrivepowersupplyorcontingencypowersupplyformanymachines.Sotheperformanceofthestoragebatterygroupisdirectlyrelatedtothenormalrunningofmanydevice.Itisnecessarytomeasurebatteries’parametersaccuratelyandfrequentlyinordertoenhancetheirlives.

ThemonitorsystemistotakeAT89C51asthecore,itschipadoptthecraftofCMOSandfacestomonolithicmachinewithmemorystructure.Itimpliesthequickcleaningofthe8insidethebreaksource.Theprogrammablestringgoestoweave,stillhavingthesparetimeanddroppingtogiveorgetanelectricshocktheway.Itsintegrateddegreeishigh,thespeedisquickthepowerconsumedislowspeciallysuitableforthecontrolsystemofmanymethods,datacollection.Thissystemcanmeasure10roadsor20roadstheelectricvoltageofelectriccurrentetc.

Keywords:

single-chipcomputer;battery;detection.

KEYWORDS：

Microcontroller;battery;Intelligentdetection;hardwaredesign;

i

2012届电气工程与自动化专业毕业设计

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（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。

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蓄电池检测在国内外的发展

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。

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。

1.4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。

片内有128B的RAM数据存储器,4KB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,无内置看门狗,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口是一个内部提供上拉电阻的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，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的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，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。

这是由于内部上拉的缘故。

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，它利用内部上拉优势，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内容。

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个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，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A