【文章內(nèi)容簡介】 管導(dǎo)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(dǎo)通由單片機(jī)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(dāng)蓄電池處于放電狀態(tài)時其電流方向為負(fù)，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(fù)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(fù)擔(dān)，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。 本章小結(jié)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(jìn)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(shè)計提供了依據(jù)。第3章 硬件電路設(shè)計本文為基于單片機(jī)的能量回饋控制系統(tǒng)設(shè)計了硬件電路，采用了功能模塊化設(shè)計方法。將電路按其所實現(xiàn)的功能劃分為單片機(jī)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(shè)計，對子電路分別進(jìn)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(shè)計是一種先進(jìn)的設(shè)計理念，符合自頂向下的工程設(shè)計理念。 總體硬件電路設(shè)計溫度測量量本文為基于單片機(jī)的能量回饋控制系統(tǒng)設(shè)計了硬件電路，采用了功能模塊化設(shè)計方法。將電路按其所實現(xiàn)的功能劃分為單片機(jī)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(shè)計，對子電路分別進(jìn)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(shè)計是一種先進(jìn)的設(shè)計理念，符合自頂向下的工程設(shè)計理念，形成了如下圖31整體設(shè)計框架。AT89C52單片機(jī)RS485 蓄電池組測量電路多路開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換液晶顯示鍵盤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(jī)(2) 測量電路(3) A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行單獨(dú)的詳細(xì)分析和說明。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計單片機(jī)要想工作必須要在XTAL1和XTAL2端口加晶振電路，單片機(jī)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(fù)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(jié)果只是機(jī)器周期時間不同，影響記數(shù)器的記數(shù)初值和運(yùn)算速度。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)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(fù)位電路、電源、接地。(1) 復(fù)位電路論文采用微分型復(fù)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(rèn)為一階躍信號復(fù)位端電壓是由于下拉電阻R1在CPU復(fù)位端引起的電壓值。但在實際應(yīng)用中，VCC不可能為理想的階躍信號。其主要原因有兩點(diǎn)：（1）穩(wěn)壓電源的輸出開關(guān)特性；（2）我們通常在設(shè)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(dǎo)致了VCC不可能為階躍信號特征。從而影響了的復(fù)位電壓的復(fù)位特性。(2) 電源、接地單片機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)由以上晶振電路、復(fù)位電路、電源、接地即可組成單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖34所示。圖34 單片機(jī)最小系統(tǒng) 系統(tǒng)的監(jiān)測電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，該系統(tǒng)擁有10或20路相互獨(dú)立的測量通道。其中的每一路通道都被做成一個單獨(dú)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(zhǔn)功能，這是通過一個穩(wěn)壓管LM336提供基準(zhǔn)電壓來實現(xiàn)的。根據(jù)測量原理設(shè)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(dǎo)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(zhǔn)功能，還要測量基準(zhǔn)端壓U。單片機(jī)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(jìn)行了隔離。其中控制信號A、B經(jīng)光耦后接到了多路開關(guān)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(yīng)管的導(dǎo)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(guān)CD4051的輸出經(jīng)射隨器后接到高速光耦上，進(jìn)行隔離放大后接到A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)、運(yùn)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(jìn)行測量，測量的輸出接到電路板上的多路轉(zhuǎn)換器，選通后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。溫度的測量是由數(shù)字溫度傳感器DSl8820實現(xiàn)的，測量結(jié)果直接送入單片機(jī)內(nèi)部。 電壓、電流檢測電路設(shè)計測量電路輸出信號是模擬信號，要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能送到單片機(jī)進(jìn)行處理。 (1) A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549的簡介模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)有以下幾點(diǎn)：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(zhuǎn)換速率等。綜合考慮系統(tǒng)要求和A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)，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(zhǔn)電壓、高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)誤差達(dá)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(yīng)小于等于1KQ，外部驅(qū)動源的電流容量應(yīng)大于等于10mA。CS—片選信號。低電平有效。DATA OUT—轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhǔn)電壓。通常接+VCC。REF—負(fù)極準(zhǔn)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(jī)的接口電路如圖36所示圖37 單片機(jī)與TLCl549接口電路，它來控制I/O時鐘；，它將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)輸入到單片機(jī)里；，它來控制A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字量，所以不需要A/D轉(zhuǎn)換電路。DSl8B20遵循嚴(yán)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(jìn)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(diǎn)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(jī)的接口電路由DSl8B20的特點(diǎn)。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(dāng)總線為低電平時，電容開始釋放能量。當(dāng)總線再度為高電平時，放電過程結(jié)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(jī)界面設(shè)計 鍵盤輸入電路蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)要對測量值進(jìn)行校準(zhǔn)，讀取溫度序列號，還要設(shè)定報警上下限、本機(jī)地址。而這些操作只能由操作員來完成，因而又設(shè)有密碼。所有這些數(shù)據(jù)都要通過鍵盤輸入到單片機(jī)里。系統(tǒng)中采用的是獨(dú)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(shè)置功能鍵。當(dāng)按下該鍵時，系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，可以進(jìn)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(biāo)向右移動一位ENTER鍵：確認(rèn)鍵。當(dāng)參數(shù)設(shè)定完畢后，按該鍵確定并跳出該設(shè)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(diǎn)陣的全透、正顯STN LCD。它的背景顏色是黃綠色，顯示點(diǎn)為藍(lán)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(dāng)PSB腳接“1”時為選擇8/4位接口方式，而當(dāng)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(diǎn)的中文字型圖像以及128個16*8點(diǎn)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(diǎn)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(dāng)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(jī)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(jī)與液晶顯示接口電路。液晶模塊上的RS、R/W、實現(xiàn)單片機(jī)對液晶模塊的讀寫操作，并根據(jù)具體情況顯示相應(yīng)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(jī)通常是在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)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(jī)下達(dá)命令，以完成一定的操作。這就涉及了單片機(jī)與上位機(jī)的通訊問題。但在本次設(shè)計中我沒有建立上位機(jī)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(jī)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(jī)與上位機(jī)的通訊均采用串行通訊。在串行通訊中，數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信之間的連接要符合一定的接口標(biāo)準(zhǔn)。采用標(biāo)準(zhǔn)接口后，能很方便地把各種計算機(jī)、外部設(shè)備、測量儀器有機(jī)地連接起來，構(gòu)成測量、控制系統(tǒng)，目前常用的通訊標(biāo)準(zhǔn)是RS232和RS485。這兩個標(biāo)準(zhǔn)都是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。RS232標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)在于它的多點(diǎn)總線互連功能，它可以連接1臺主機(jī)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(biāo)準(zhǔn)是利用平衡雙絞線作傳輸線，采用差分信號進(jìn)行傳輸，最大傳輸距離可達(dá)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(dá)177。200mA，RS485標(biāo)準(zhǔn)還允許雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動32個負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定在何時控制發(fā)送器發(fā)送或接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的規(guī)則。在開發(fā)一般的單片應(yīng)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(jī)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(luò)。本系統(tǒng)就是利用MAX485和單片機(jī)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(zhuǎn)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。 DI：驅(qū)動器輸入。B：反相接收器輸入和反相驅(qū)動器輸出。A：同相接收器輸入和同相接收器輸出。VCC：電源正極。