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正文內(nèi)容

基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)設計畢業(yè)設計(編輯修改稿)

2025-07-24 20:02 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 UiUi2,晶體管導通時電壓UC,電流I I2。在蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)中,晶體管的導通由單片機來控制。上述測量是在蓄電池處于充電狀態(tài)時完成的,則電流方向為正。當蓄電池處于放電狀態(tài)時其電流方向為負,對兩組并聯(lián)在一起的電池組的內(nèi)阻ΣRi,電動勢ΣEi,做不同的處理時,可出現(xiàn)不同的情況。甚至在某些情況下,一方可能成為另一方的負載。因此,在各組加電流傳感器,測量各自電流。一般在放電狀態(tài),不檢測Ei,Ri只檢測Ui,以避免增加電池的負擔,如同樣要檢Ei,Ri,選擇好電壓、電流的參考方向,前式仍然有效。注:精密電阻R*的選取。為了使R*起到一定的分流作用,必須選擇合適的電阻值。一般情況下以為12V或者24V,則有:(1) 取I21為500mA[或1A]則R*=Ui/I21=12/=24Ω 或R*= Ui/I21=24/=48Ω電阻瓦數(shù):I2R =UI=12=6W 或I2R =UI=24=12W(2) 取I21為200mA則R* =Ui/I21=12/=60Ω 或R*=24/=120Ω電阻瓦數(shù):I2R =UI=12= 或I2R =UI=24=在使用的時候采用多個電阻并聯(lián),來減小系統(tǒng)誤差。因為測量的時候時間很短,電阻的值會因電阻的發(fā)熱而變化。 電池溫度的測量采用DSl8820數(shù)字溫度傳感器貼于電池外殼進行測量。 電池組端電壓的測量測量采用電阻分壓,線性光耦隔離的方式進行測量。 本章小結本章從該系統(tǒng)監(jiān)測原理、控制算法、測量方法及主控芯片等幾個方面進行了詳盡的闡述,即解決了上一章提出的問題,又為下一章硬件的設計提供了依據(jù)。第3章 硬件電路設計本文為基于單片機的能量回饋控制系統(tǒng)設計了硬件電路,采用了功能模塊化設計方法。將電路按其所實現(xiàn)的功能劃分為單片機最小系統(tǒng)、能實現(xiàn)特定功能的子電路,繪圖采用程序原理圖設計,對子電路分別進行繪制,這樣做的好處是使電路更加清晰明了,層次突出,方便硬件電路的調(diào)試及排錯。此外,模塊化設計是一種先進的設計理念,符合自頂向下的工程設計理念。 總體硬件電路設計本文為基于單片機的能量回饋控制系統(tǒng)設計了硬件電路,采用了功能模塊化設計方法。將電路按其所實現(xiàn)的功能劃分為單片機最小系統(tǒng)、能實現(xiàn)特定功能的子電路,繪圖采用程序原理圖設計,對子電路分別進行繪制,這樣做的好處是使電路更加清晰明了,層次突出,方便硬件電路的調(diào)試及排錯。此外,模塊化設計是一種先進的設計理念,符合自頂向下的工程設計理念,形成了如下圖31整體設計框架。AT89C52單片機RS485 蓄電池組測量電路多路開關A/D轉換鍵盤液晶顯示31 系統(tǒng)硬件電路框圖可以看出,系統(tǒng)中包含了如下功能模塊:(1) 微處理器AT89C52單片機(2) 測量電路(3) A/D轉換電路(4) 鍵盤輸入電路(5) 液晶顯示電路(6) RS485通訊電路下面將對各部分電路進行單獨的詳細分析和說明。 單片機最小系統(tǒng)設計單片機要想工作必須要在XTAL1和XTAL2端口加晶振電路,單片機工作速度也是由晶振電路決定的。典型的晶振電路如圖32所示。圖32 晶振電路 圖33 微分型復位電路在晶振電路中,電路中電容C3和C4對振蕩頻率有微調(diào)作用,通常的取值范圍30177。10pF;石英晶體選擇6MHz或12MHz都可以。其結果只是機器周期時間不同,影響記數(shù)器的記數(shù)初值和運算速度。單片機最小系統(tǒng)包括晶振電路、復位電路、電源、接地。晶振電路已經(jīng)在上一節(jié)介紹了,下面簡單介紹下復位電路、電源、接地。(1) 復位電路論文采用微分型復位電路,電路圖如圖33所示。工作原理:高電平為例,電源上電時,VCC可以認為一階躍信號復位端電壓是由于下拉電阻R1在CPU復位端引起的電壓值。但在實際應用中,VCC不可能為理想的階躍信號。其主要原因有兩點:(1)穩(wěn)壓電源的輸出開關特性;(2)我們通常在設計電路時,為保證電源電壓穩(wěn)定性,往往在電源的輸入端并聯(lián)一個大電容,從而導致了VCC不可能為階躍信號特征。從而影響了的復位電壓的復位特性。(2) 電源、接地單片機AT89C52所選用的是+5V的電源,可直接由穩(wěn)壓電源提供,接地直接接GND。(3) 單片機最小系統(tǒng)由以上晶振電路、復位電路、電源、接地即可組成單片機最小系統(tǒng)如圖34所示。圖34 單片機最小系統(tǒng) 系統(tǒng)的監(jiān)測電路設計根據(jù)設計要求,該系統(tǒng)擁有10或20路相互獨立的測量通道。其中的每一路通道都被做成一個單獨的模塊,實際測量時只需插入即可實現(xiàn)測量。另外,系統(tǒng)具有校準功能,這是通過一個穩(wěn)壓管LM336提供基準電壓來實現(xiàn)的。根據(jù)測量原理設計測量模塊電路如圖35所示。圖35模擬測量電路由測量基本原理知,測量電路要測量的量為:電壓U、U,晶體管導通時電壓U,電流I 、I。因為蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)還具有校準功能,還要測量基準端壓U。單片機對測量模塊的控制信號有4個,其中控制信號A、B、C接在測量模塊上的光耦上,進行了隔離。其中控制信號A、B經(jīng)光耦后接到了多路開關CD4051的控制輸入端A、B上,來選通要測量的量(因只用到了3個輸入故控制輸入端C未用,接地);控制端c經(jīng)光耦后接到一個PNP晶體管的基極以控制場效應管的導通與否。另一個控制信號控制光耦的+5V電源是否接通,這樣可以控制此測量模塊是否工作,實現(xiàn)了各通道的切換。多路開關CD4051的輸出經(jīng)射隨器后接到高速光耦上,進行隔離放大后接到A/D轉換電路進行A/D轉換。多路開關、運算放大器和光耦都有12V供電,若測量的蓄電池是12V,則由蓄電池直接供電,若測量的蓄電池是24V,則經(jīng)過一個穩(wěn)壓電源器件7812,提供12V電源。測量模塊電路中并沒有電流和溫度的測量,電流的測量是采用電流傳感器對充/放流進行測量,測量的輸出接到電路板上的多路轉換器,選通后,進行A/D轉換。溫度的測量是由數(shù)字溫度傳感器DSl8820實現(xiàn)的,測量結果直接送入單片機內(nèi)部。 電壓、電流檢測電路設計測量電路輸出信號是模擬信號,要經(jīng)過A/D轉換才能送到單片機進行處理。 (1) A/D轉換器TLC1549的簡介模數(shù)轉換器的性能指標有以下幾點:分辨率、量化誤差、偏移誤差、滿刻度誤差、線性度、絕對精度、相對精度、穩(wěn)定時間和轉換速率等。綜合考慮系統(tǒng)要求和A/D轉換器的性能指標,該蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)采用的是美國德州儀器公司生產(chǎn)的10位逐次逼近A/O換器TLCl549。它采用CMOS工藝,具有內(nèi)在的采樣和保持,采用差分基準電壓、高阻輸入,抗干擾,可按比例量程校準轉換范圍,總不可調(diào)誤差達到177。1LSB()。圖36是TLCl549的引腳圖,圖36 TLCl549引腳圖TLC1549各引腳及功能含義如下:ANALOG IN—模擬信號輸入。驅(qū)動源阻抗應小于等于1KQ,外部驅(qū)動源的電流容量應大于等于10mA。CS—片選信號。低電平有效。DATA OUT—轉換結果輸出。片選無效時,呈高阻態(tài),片選有效時,在時鐘的作用下,將數(shù)據(jù)從高位到低位依次輸出。I/0OCK—輸入/出時鐘。下條沿輸出數(shù)據(jù)。REF+—正基準電壓。通常接+VCC。REF—負極準電壓。通常接地。VCC—正電源()。GND—模擬信號和數(shù)字信號地。(2) TLCl549與AT89C52的接口電路TLCl549是串行方式輸出數(shù)據(jù),它與單片機的接口電路如圖36所示圖37 單片機與TLCl549接口電路,它來控制I/O時鐘;,它將A/D轉換結構輸入到單片機里;,它來控制A/D轉換器的選通。 溫度測量電路蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)采用數(shù)字式溫度傳感器DSl8B20測量蓄電池的溫度。(1) DSl8B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的可編程單總線數(shù)字溫度傳感器。它的測量范圍為50℃至+125℃,在l0℃至+85℃之內(nèi)的精度小于177?!?。它可直接將溫度值轉換成數(shù)字量,所以不需要A/D轉換電路。DSl8B20遵循嚴格的單線串行通信協(xié)議,每個DS18B20在出廠的時候都用激光進行了調(diào)教,并且具有唯一的64位序列號,因而一條總線上允許掛有多個在不同地點工作的DSl8B20。同一條總線上懸掛的DSl8B20必須分時占用總線,也就是說,測量時在同一時刻只有一個DSl8B20占用總線。(2) DSl8820與單片機的接口電路由DSl8B20的特點。DSl8B20可以從總線上得到能量,所以一般不需外加電源。如DSl8B20與AT89C52的接口電路圖38所示,實現(xiàn)溫度的傳輸,在總線上為高電平時,DS18B20將能量存儲在內(nèi)部的一個電容器中。當總線為低電平時,電容開始釋放能量。當總線再度為高電平時,放電過程結束。在一些情況下,也可以選擇外加一個35.5伏的外加電源為它供電。 圖38 DSl8B20與AT89C52的接口電路 人機界面設計 鍵盤輸入電路蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)要對測量值進行校準,讀取溫度序列號,還要設定報警上下限、本機地址。而這些操作只能由操作員來完成,因而又設有密碼。所有這些數(shù)據(jù)都要通過鍵盤輸入到單片機里。系統(tǒng)中采用的是獨立式鍵盤如圖39,共有5個鍵,它們分別是:SET鍵, 鍵, 鍵, 鍵,ENTER鍵。按鍵說明:SET鍵:設置功能鍵。當按下該鍵時,系統(tǒng)進入設置狀態(tài),可以進行參數(shù)或密碼的修改。、 鍵:加減或上下移動鍵。鍵:右移鍵。此鍵可使光標向右移動一位ENTER鍵:確認鍵。當參數(shù)設定完畢后,按該鍵確定并跳出該設定項。圖39 鍵盤輸入接口電路 液晶顯示電路蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)可以現(xiàn)場顯示蓄電池的各狀態(tài)參數(shù),系統(tǒng)采用了大連東顯電子有限公司生產(chǎn)的液晶模塊EDMl286409。EDMl286409是一種128(w)X64(h)全點陣的全透、正顯STN LCD。它的背景顏色是黃綠色,顯示點為藍黑色。它的輸入數(shù)據(jù)來自MPU的8位并行數(shù)據(jù)接口或串行數(shù)據(jù)接口。 液晶顯示的接口電路EDMl286409提供三種與CPU的接口:8位并行口,4位并行口及串行接口,經(jīng)由外部PSB腳來選擇接口的種類,當PSB腳接“1”時為選擇8/4位接口方式,而當接“0”時為串行接口方式。蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)中為8位接口方式。EDMl286409內(nèi)部自帶了字型產(chǎn)生ROM(中文字型產(chǎn)生ROM:CGROM及半寬字型ROM:HCGROM)提供8192個16*16點的中文字型圖像以及128個16*8點的數(shù)字符號圖像,EDMl286409的字型產(chǎn)生RAM(CGRAM)提供使用者圖像定義(造字)功能,可以提供四組16*16點的自定圖像空間。顯示資料RAM(DDRAM)提供64*2個字節(jié)的空間,最多可以控制4行16字(64個字)的中文字型顯示,當寫入顯示資料RAM時,可以分別顯示CGROM,HGROM與CGROM的字型;EMDl2864—09可以顯示三種字,分別是半寬的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM,三種字型的選擇由在DDRAM中寫入的編碼選擇。EMDl2864—09與單片機通過雙向總線收發(fā)器74LS245連接。其連接電路圖如圖310所示。圖310 單片機與液晶顯示接口電路。液晶模塊上的RS、R/W、實現(xiàn)單片機對液晶模塊的讀寫操作,并根據(jù)具體情況顯示相應的內(nèi)容。 RS485通訊電路在現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)中,單片機通常是在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)并進行相應的控制,而在控制室中也要了解現(xiàn)場的情況,并能對現(xiàn)場的單片機下達命令,以完成一定的操作。這就涉及了單片機與上位機的通訊問題。但在本次設計中我沒有建立上位機模塊,只是留出了端口,便于以后更深層次的探討分析。計算機通訊有串行與并行之分。串行通訊又有同步和異步之分。而串行通訊較并行通訊用到的信號線少,其硬件成本較低,故一般單片機與上位機的通訊均采用串行通訊。在串行通訊中,數(shù)據(jù)終端設備和數(shù)據(jù)通信之間的連接要符合一定的接口標準。采用標準接口后,能很方便地把各種計算機、外部設備、測量儀器有機地連接起來,構成測量、控制系統(tǒng),目前常用的通訊標準是RS232和RS485。這兩個標準都是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制定的數(shù)據(jù)通信標準。RS232標準是單端信號傳輸,接收器和發(fā)送器之間有公共信號地,共模噪聲會耦合到系統(tǒng)中,不適于長距離傳輸。另外,RS485最大的優(yōu)點在于它的多點總線互連功能,它可以連接1臺主機和多臺終端同時通信,由于它是半雙工的方式,只能有一方發(fā)送,一方接收,而且它采用差動電平接收的方法提高抗干擾能力,適合在比較惡劣的環(huán)境下工作。RS485標準是利用平衡雙絞線作傳輸線,采用差分信號進行傳輸,最大傳輸距離可達12km,最大可連接32個接收器和收發(fā)器,接收器最小靈敏度可達177。200mA,RS485標準還允許雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動32個負載設備,負載設備可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器。RS485電路允許公用電話線通信,電路結構是在平衡連接電纜兩端加有終端電阻,在平衡電纜上掛發(fā)送器、接收器、組合收發(fā)器,RS485標準沒有規(guī)定在何時控制發(fā)送器發(fā)送或接收機接收數(shù)據(jù)的規(guī)則。在開發(fā)一般的單片應用系統(tǒng)時,人們都希望能用簡單的電路和通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換。所以常利用單片機本身所提供的簡單串行接口,加上總線驅(qū)動器如MAX485等組合成簡單的RS485通訊網(wǎng)絡。本系統(tǒng)就是利用MAX485和單片機AT89C52組合成的一個RS485通訊電路。MAX485是用于RS485通信的低功率收發(fā)器?。芯片采用單一電源+5V工作,額定電流為300mA,采用半雙工通訊方式,它完成將TTL電平轉換成RS485電平的功芯片中包含有一個驅(qū)動器和一個接收器。圖311為芯片引腳圖,圖311 MAX485芯片引腳圖MAX485芯片各引腳含義如下:R0:接收器輸出端。 RE:接收器輸出使能端。DE:驅(qū)動器輸出使能端。
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