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毕业论文-全自动蓄电池容量检测仪的设计

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内容提示: 本科毕业设计说明书 全自动蓄电池容量检测仪的 设计 DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECT CAPACITY OF STORAGE BATTERY INSTRUMENTATION 学院(部):电气与信息工程学院 专业班级: 学生姓名: 指导教师: 年 月 日 I 全自动蓄电池容量检测仪的 设 计 摘 要 本设计是以AT89C51单片机为核心的蓄电池容量检测系统,通过对AT89C51单片机软件编程可以实现以下基本要求:1、通过蓄电池放电测量电池容量;2、测量电压动态值;3、可切换显示电池容量/电压;4...

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本科毕业设计说明书 全自动蓄电池容量检测仪的 设计 DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECT CAPACITY OF STORAGE BATTERY INSTRUMENTATION 学院(部):电气与信息工程学院 专业班级: 学生姓名: 指导教师: 年 月 日 I 全自动蓄电池容量检测仪的 设 计 摘 要 本设计是以AT89C51单片机为核心的蓄电池容量检测系统,通过对AT89C51单片机软件编程可以实现以下基本要求:1、通过蓄电池放电测量电池容量;2、测量电压动态值;3、可切换显示电池容量/电压;4、测量结束后有报警提示。 为了检测蓄电池的端电压,以便显示电压,要进行电压采样,并且采样电路为小电流放电,使所测试的电压值比较准确;为了检测蓄电池的容量,要进行电流采样,并且为大电流放电,放电电流为3A-4.5A,还要求放电电流尽可能恒定。系统的恒流放电电路由集成运算放大器构成,结构简单,调整方便。该恒流放电电路,保证了放电电流的基本恒定,从而保证了容量检测的准确。实时测量并显示电压,放电到10.5V则放电结束。实时显示当前所放出的容量,积分计算出容量,不须人工计算。 采用了Atmel公司的AT89C51单片机,该单片机片内有4K的ROM,不需外接ROM,由它设计制成的数字显示的蓄电池容量检测系统,其整个系统呈现单片化结构,硬件电路构成简单,主要功能均由软件编程实现,因此体积小、可靠性高、测量显示方便、直观、价格低廉。 关键词:铅酸蓄电池 , 容量检测 , 恒流放电 II DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECT CAPACITY OF STORAGE BATTERY INSTRUMENTATION Abstract The design is battery measurement system, of which AT89C51 micro controller as the core, through the software programming of AT89C51 SCM can achieve the following basic requirements: 1, battery capacity measurement by battery discharge; 2, measuring dynamic value of voltage, 3, may switch display the battery capacity / voltage; 4, alarm after the end of a measure. In order to detect the battery voltage, show that voltage, we must sample voltage, and sampling circuit is small current discharge so that test the voltage more accurate; To test the battery capacity, we must sample current, and discharge current is large. Discharge current is 3A-4.5A, also requires discharge current constant as possible. The constant current discharge circuit is composed of Integrated Operational amplifier. Structure is simple, and adjustment is easy. The constant discharge circuit ensure that the discharge current fundamental constant, so as to ensure the accurate of capacity detection. Measure and display voltage by real-time, 10.5 V to the discharge, and the discharge is over. Display capacity by real-time, and calculate the capacity by integration, do not need manual calculations. Using AT89C51 SCM of Atmel, 4K ROM within the SCM, without external ROM, the battery capacity detection system, design made of it, showed its monolithic structure, hardware circuit is simple, the main function work by the software programming. So size is small, it is highly reliable and measurement and showing is convenient, intuitive, price is low. Key words: Lead-acid batteries , Capacity detection ,Constant current discharge i 目 录 摘要(中文) ........................................................ I 摘要(外文) ....................................................... II 1 绪论 .............................................................. 1 1.1 课题研究的目的与意义 ......................................... 1 1.2 国内外研究状况 .............................................. 1 1.3 本设计要完成的工作 .......................................... 3 2 全自动蓄电池容量检测仪的原理简述 .................................. 5 2.1 电池容量检测模块原理简述 ..................................... 5 2.1.1 蓄电池容量检测方法 ..................................... 5 2.1.2 蓄电池容量试验条件及要求 ............................... 7 2.1.3 恒流放电电路的介绍 ..................................... 7 2.2 水浴温度检测模块原理简述 .................................... 8 2.2.1 蓄电池容量与环境温度的关系 ............................. 8 2.2.2 水浴温度控制 PID 算法介绍 ............................... 8 3 硬件设计 ......................................................... 10 3.1 AT89C51 简介 ................................................ 10 3.1.1 主要特性 .............................................. 10 3.1.2 时钟振荡电路和复位电路 ................................ 11 3.2 温度检测硬件设计 ........................................... 12 3.3 温度控制部分硬件设计 ....................................... 13 3.4 电源稳压电路的设计 .......................................... 15 3.5 恒流放电电路的设计 .......................................... 17 3.6 数字显示及键盘电路的设计 ................................... 18 3.7 报警电路及通信模块 ......................................... 21 3.7.1 报警电路的设计 ........................................ 21 3.7.2 通信模块的设计 ........................................ 22 3.8 A/D 和 D/A 接口电路的设计 .................................... 23 4 软件的设计 ....................................................... 26 4.1 主要度量转换 ................................................ 26 4.2 主程序的流程图 ............................................. 30 4.3 A/D 转换程序的设计 .......................................... 31 4.4 键盘扫描程序的设计 .......................................... 32 4.5 数字显示程序的设计 .......................................... 36 4.6 温度控制程序设计 ........................................... 37 5 结论与展望 ....................................................... 38 参考文献 ........................................................... 39 致 谢 .............................................................. 41 1 1 绪论 1.1 课题研究的目的与意义 铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善已成为世界上广泛使用的一种化学电源,具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富(且可再生使用)及造价低廉等优点。主要应用在交通运输、通讯、电力、铁路、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济各个领域,是社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品。随着铅酸蓄电池的广泛应用,如何精确检测蓄电池容量成为广大用户极为关注的问题。GB5008.1标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度25±2℃的水浴中”,由此可见,标准对于试验温度的要求25±2℃范围较为精确,且规定电池、水浴之间的距离,使之在反应过程中不会相互影响。因为蓄电池放电容量与温度的关系密切,标准才规定±2℃的要求,第一,只有在相同的环境条件下的试验结果才具有可比性,可重复性;第二,在放电过程中,蓄电池将化学能转换成电能,是放出能量,蓄电池要从环境中吸热,蓄电池温度下降,为避免影响化学反应的进行,需要有恒温水浴向蓄电池补充热能使其温度恒定。质检部门的监督检验及仲裁检验,工商部门市场监测,教学研究等工作,务求对蓄电池容量检测数据准确无误。务必使试验温度保持在标准要求范围内,才能减少系统误差,得出精确数据,真实反映产品的质量水平。研制蓄电池容量检测系统很有必要。 1.2 国内外研究状况 电池工业是新能源领域的重要组成部分,是全球经济发展的一个新热点,是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的产品。铅酸蓄电池产业是二十一世纪最有发展前途和应用前景的新型绿色能源体系, 同时关系到国家可持续发展战略的实现。近年来,致力于研究蓄电池容量检测仪的研制,铅酸蓄电池技术不断发展,一些产品日臻成熟。 2008 中国仪器仪表与测控技术报告大会论文集中由杨明欣 佘勇孟 芳高 国富等人提出的《全自动蓄电池容量检测仪的设计》以陶瓷加热器(PTC)作为蓄电池放电负载,对蓄电池进行恒流放电测试,通过计算得到待测蓄电池的实际电容量。本设计以单片机作为核心,采用 PID 算法,实现对负载(陶瓷加热器 PTC)阻抗的精确控制,以保证放电电流的恒定。此外,系统还具备欠压、过压报警、20 条放电信息的存储查询以及实时时钟等功能,自动化程度高,有广泛的应用价值。 学术期刊《通信电源技术》2008 年 2 期收录的由高玉峰、刘亚龙、李春 2 平所著的《基于改进型 Boost 电路的铅酸蓄电池容量检测装置设计》,针对铅酸蓄电池容量检测的特点,提出了一种以 Boost 电路为主电路,应用 PI 调节和PWM控制技术实现恒流放电的方案.对传统Boost电路进行改进,解决了启动浪涌电流大和蓄电池误接自保护的问题.阐述了放电电阻的优化设计方法,给出了设计准则.仿真和实验均验证了设计的正确性。 另外,在学术期刊《工业仪表与自动化装置》2011 年 4 期中收录的由贾承谧所著的《全自动蓄电池容量检测仪的研制》。文章介绍研制的全自动蓄电池容量检测仪,该机配有光电隔离型模入、I/O 信号数据采集模块,提供了 USB接口,方便与 PC机相联,操作系统用目前流行的 Windows,对4 路蓄电池容量并行检测,每路可检测单个 6/12/24 V 蓄电池,放电电流从 0.01~80 A 实现程序可控,能精确检测每个蓄电池的容量. 在 2012 年 3 期的《电源技术》学术期刊中由储开斌、陈树越、何宝祥所著的《基于 DSP 的蓄电池容量性能测试仪的设计》中提出了一种基于 DSP 的蓄电池容量性能测试仪的设计方案.以 DSP 为核心,多种控制模块为主要结构,用于测试蓄电池的容量、寿命及配组等相关指标.其中,充放电模块采用线性方案,高精度数据采集采用 DSP 内置 A/D 芯片,实现高精度测量,符合国标对蓄电池的测试要求.可为研究分析和改善使用的蓄电池性能和寿命提供科学依据.该仪器可单机,也可通过 RS-485 进行组网测试,具有较好的市场应用前景. 虽然上述的研究已经逐步实现对蓄电池容量检测的合理化,也有部分已经成为产品,但是由于这种技术的限制以及电池内部能量的不可量化性,其产品仍不能满足要求。针对目前的实际情况,就蓄电池制造厂家、蓄电池测试技术研究机构,以及广大蓄电池维护人员而言,都在积极探索一种快速、准确、可靠、安全的蓄电池测试技术。特别对于广大现场维护工程师而言,这种需求更显迫切。遗憾的是,蓄电池是实现化学与电能之间转换的一种非常复杂的装置。蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程,蓄电池的充电过程是电能转化变为化学能的的过程。从电化学的角度,不能对于使用者提供更多的内部的信息。对它进行快速准确的容量测试是非常困难的。由于目前多是密封蓄电池,型号和规格千变万化,性能也不尽相同,外部只有两个电极接头。对于使用者来说,从外部来看,密封蓄电池是一个“黑箱”,至少是一个“灰箱”。对于蓄电池的设计和制造者同样如此。蓄电池容量测试技术的难点: (1)蓄电池的化学能不能直接测量。 (2)蓄电池化学能本身是一个变量。由于化学反应不完全可逆。化学能随着使用次数和使用时间、储存时间而衰减。 (3)使用容量又与工作温度和充、放电率,充、放电的方法有关,并随着SOC 3 状态等条件在变化。 (4)容量相同的密封蓄电池的负载电压和内阻本身具有离散性。即使对于同一个厂、同期生产的、同型号的蓄电池也是如此,无法避免。而且,对于蓄电池组,使用时间越长,蓄电池个体之间的差异性和离散性越大,会出现两极分化。 (5)难以等效。一般来说,不能使用线性元器件或者其任意的组合来等效蓄电池的内部结构。退一步说,使用非线性元器件的组合,可以等效蓄电池的内部结构,也仅适用于特定的电池和特定的条件。不能适用于各种规格的电池以及同一个电池在不同的使用条件。 1.3 本设计要完成的工作 蓄电池具有良好的可逆性,电压特性平稳等诸多的优点,已经成为社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品,为了真实反其产品的质量水平,精确检测蓄电池容量,GB5008.1 标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度25±2℃的水浴中”。所以全自动容量检测仪工作时必须包括二部分,即蓄电池容量检测部分和水浴恒温控制部分。整个全自动蓄电池检测包括多路电压电流检测模块、水温检测模块、多路模拟开关选通模块、高速 A/D 转换电路模块、计数/定时模块、AT89C51 单片机控制模块、键盘输入模块、LED 显示模块、恒流负载控制模块、恒温调节模块等组成。如图 1.1 所示。 水浴恒温控制部分,由于整个试验期间要求蓄电池均放置在温度 25±2℃的水浴中,所以控制过程中必须及时对温度进行精确控制。首先通过键盘设定恒温经行时的温度值,并且用数码管显示,然后在运行过程中将采样的温度模拟量输入 A/D 转换器中经行模拟-数字装换,再将转换后的数字用数码管显示,最后用单片机输出控制量,D/A 转换后通过光电隔离和驱动电路送到可控硅 SCR控制端,从而控制加热器的通电加热功率。 电池容量检测部分,在容量检测时必须按 20h 率容量、10h 率容量、7min率 27min 率、储备容量的放电要求,即使同一的型号蓄电池的按不同的要求也有不同的放电电流,所以必须选择可控的恒流负载器。首先根据蓄电池的型号和容量检测的要求计算出放电电流,然后选择合适恒流负载器中继电器的开关,在测量期间对多路电压、电流的检测,经过高速多路模拟转换开关和 A/D转换器,将转换的数字用数码管显示,单片机根据键盘的输入值来控制横流负载器的继电器开关。如此可实现 4 路蓄电池容量的高精度检测。 4 电池组多路电压电流检测A/D转换电路键盘浴池水温检测模块时钟电路显示电路恒流电路控制模块光耦驱动加热器双向可控硅AT89C51单片机主控模块 图 1.1 全自动蓄电池容量检测的系统框图 5 2 全自动蓄电池容量检测仪的原理简述 2.1 电池容量检测模块原理简述 2.1.1 蓄电池容量检测方法 1.恒流放电法 恒流放电法即100%C的深度放电,它具有容量测试准确可靠的优点,因此,仍然是目前世界上检测电池性能的最可靠方法。核对放电法即全放电的容量试验,是检测电池容量最直接、最可靠的方法,无论是在线还是离线进行检测,都必须设置备用电源作为防范措施,以保证系统的安全。传统的核对放电设备普遍采用电阻丝进行核对放电,并且是人工操作,程序繁琐,存在一定的人身危险,这种传统的核对放电试验方式正在逐步被淘汰。目前,国内外普遍采用了新型的等效的电子负载,以保证电池组恒流放电。经过数小时后,可以找出最落后的一到几节电池,以落后电池到达终止电压时的放电时间与放电电流来估算其容量,并以此容量作为整组电池的容量。不过它的缺点也很突出,主要表现为: (1)放电时间长,风险大,电池组须脱离系统,蓄电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉,既浪费了电能又费时费力,效率低;少数放电系统采用逆变技术可以将化学能予以回收利用。 (2)进行核对性放电试验,必须具备一定条件,首先,尽可能在市电基本保障的条件下进行;其次,必须有备用电池组。 (3)目前,核对放电只能测试整组电池容量,不能测试每一节单体电池容量,以容量最低的一节作为整组容量,而其他部分电池由于放电深度不够,其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来。 (4)有损蓄电池的容量。由于蓄电池的内部化学反应不是完全可逆的。全深度循环放电的次数是有限的,所以,不宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。但是间隔时间过长,两次核对之间的蓄电池的状态是不确定的。我们会面临两难的选择。密封蓄电池的使用寿命是否终结的主要判据为,电池的剩余容量是否满足机房工作要求,或者满足有关维护规程的要求。国家有关电源维护规程中的恒流放电试验目前仍是唯一被公认的测试剩余容量的最有效方法,它是衡量蓄电池在关键时刻能否发挥作用,确保通信畅通与生产正常的重要手段。 2.不完全放电测试法 对于电池组采用1%~5%C的浅度放电;机房可以没有备用电池组。在放电状态下,对蓄电池组的各单体电池的端电压进行巡检,找出端电压下降最快的一 6 只,将其确认为落后电池,再利用核对放电仪器,对该节电池进行核对放电,检测其容量,即代表该组电池的容量。目前,此法可以较快地判定电池组中部分或者个别落后或劣化电池,但还不足以准确测定电池的好坏程度,包括电池的容量等指标,仅适宜作为一个定性测试的参考。以前有厂家根据客户的需求特点,推出一系列在线测试电池容量的设备与仪器,即在线检测仪或在线巡检仪,但是除了少数情况外,一般都达不到一个很理想的效果。原因是多方面的,其中有蓄电池的生产制造工艺的原因,有蓄电池电化学特性的原因,即容量相同的蓄电池的负载电压本身具有离散性。大量研究实践证明,即便是浅度放电状态,单纯通过电压高低完全不足以判别电池性能的好坏。这种方法的优点是操作简单,风险系数小,并可以快速查找落后电池。不过最大的缺点还是测试精度低,只能作为电池落后状态判定依据,不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。同时测试要求较高,测试情况还不是很理想,尤其是容量测试准确度较低。 3.电导(内阻)测量法 电导测试线是目前主要的日常维护仪器。从测试技术分为交流法和直流法,使用95%以上的电导(内阻)测量仪属于交流法。交流法电导测量是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号,测量出与电压同相位的交流电流值,其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。电导是频率的函数,不同的测试频率下有不同的电导值,电池的容量越小,电池电阻越大,电导值越小。电导法能准确查出完全失效的电池,根据大量的实验分析及研究结果证明,电池的容量只有降低到50%时,内阻或者电导会有所变化,降低到40%以后,会有明显变化,所以,根据电池电导值或者内阻值,可以在一定程度上确定电池的性能。采用电导法测试电池的内阻或电导是判定蓄电池好坏的一种有价值的参考思路,但是问题如下: (1)对于电池的好坏程度,还不能提供准确的数据依据;不足以准确地测算出电池的实际性能指标,尤其是容量指标;不能判断(SOC)容量50%以上的蓄电池的好坏;不能到达国标的要求。根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求,电池组荷电容量达不到80%便应整组淘汰。 (2)不同型号的仪表测量结果的差异性较大,由于各种交流法测量仪的测量频率(15Hz~1000Hz)、测量方法(相位差法、有效值法、调制解调法、比较法等等)和测量电流(1A~10A)相差较大,让使用不同的测量仪对于同一块电池的测量结果相差较大,有时相差一倍。造成用户选择仪表困难,以及对于仪表测量结果的可信度怀疑。目前基于直流法的电导(内阻)测量仪检测水平也未能超出交流法测量仪。电导测量技术虽然测试工作比较简单,但是,由于内阻与容量 7 是非线性的,所以,测试结果不能很好地反映蓄电池的真实健康状况。 4.安时Ah容量法 对于动力蓄电池,蓄电池需要频繁的充电、放电。往往采用Ah容量法。使用Ah容量法记录的电能量,需要知道蓄电池的初始状态和终点SOC;但是初始状态和终点SOC受到下述多种因素的影响,在一般情况下,并不是一个常数。所以安时Ah容量法仅能纪录已经使用或通过电量计的电量,而不能较为准确地预测终点SOC。 而本设计采用恒流放电,该电路由集成运算放大器构成,结构简单,调整方便。该恒流放电电路,保证了放电电流的基本恒定,从而保证了容量检测的准确。 2.1.2 蓄电池容量试验条件及要求 容量( 以启动用铅酸蓄电池为例):储备容量和20 h 率容量。 (1)储备容量试验 1) 整个试验期间,蓄电池均放置在温度为 25 ℃ ±2 ℃ 的水浴中,电 池上缘露出水面不得超过 25 mm,蓄电池之间和蓄电池与水浴壁之间的距离,均不得少于 25 mm。 2) 蓄电池在完全充电结束后 l ~ 5 h 内。当电解液温度达到 25 ℃ ± 2 ℃ 时,以 25 A 电流放电到蓄电池电压达( 10.50 ± 0.05)V 时终止,记录放电持续时间 t(min) 。 (2)20 h 率容量试验 1) 整个试验期间,蓄电池均放置在温度为 25 ℃ ±5 ℃ 的水浴中,蓄电池上缘露出水面不得超过 25 mm,蓄电池之间和蓄电池与水浴壁之间的距离,均不得少于 25 mm。 2) 蓄电池在完全充电结束后 1 ~ 5 h 内,当电解液温度达到 25 ℃ ± 5 ℃ 时,以 I 20 电流放电到蓄电池 端电压达( 10.50 ± 0.05)V 时终止,记录放电持续时间 t 2 ( min) 。 3)20 h 率实际容量按下式计算:C e = I 20 × t 2 [1-0.01(T-25)] 式中: T 为放电终止时中间单体蓄电池电解液温度( 单位为℃ );0. 01 为温度系数。 2.1.3 恒流放电电路的介绍 为了检测蓄电池的容量,需要对电池进行大电流放电,并且要保持电流的基本恒定。随着放电的进行,蓄电池的电压必然要降低,如不加入恒流放电装置而是进行定电阻放电,则放电电流也会随着电压的降低而降低。因此要在放电回路 8 中加入恒流放电装置,补偿降低的电压,使电流基本恒定。 电路由集成运算放大器构成,其结构简单,调整方便,其方框图为: 图 2.1 恒流放电原理框图 2.2 水浴温度检测模块原理简述 2.2.1 蓄电池容量与环境温度的关系 蓄电池的容量是在环境温度为25摄氏度时测定的,当使用环境温度不同时,蓄电池的放电容量(蓄电池内部活性物质的化学反应效率)会有所不同。一般而言,在 40 摄氏度以下温度范围内,温度越低,蓄电池的容量也越小欧;在大于 40 摄氏度的温度范围内,蓄电池的放电容量会有一个峰值,温度高于该峰值时蓄电池的放电容量同样趋于降低。因此,为准备描述一只蓄电池的标准容量,通常在有关标准规定:也就是说, 我国电动自行车蓄电池国家规定:若蓄电池在 25 摄氏度时的相对放电容量为 100%,则-10 摄氏度时的放电容量不得低于 70%。也就是说,以 25 摄氏度为基础,温度每下降 1 摄氏度,蓄电池的放电的容量平均下降量不得低于 0.86%,但温度与容量下降并不是严格的线性关系,同时也与各个厂蓄电池的产品质量标准有关,所以在实际工作中可按下面两种方法估算: 1.温度每下降 1 摄氏度,相对容量下降 0.98%。 2.蓄电池以 2 小时率放电的标准放电时间为 74min,35 摄氏度时放电140min。 2.2.2 水浴温度控制 PID 算法介绍 电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点。例如:其升温单向性是由于电加热的升温、保温主要是通过电阻加热;降温则通常是依靠自然冷却,当温度一旦超调,就无法用控制手段使其降温,因而很难用数字方法建立精确的模型,并确定参数。应用传统的模拟电路控制方法,由于电路复杂,器件太多,往往很难达到理想的控制效果。由于无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数,本设计采用 PID 控制。如图 2.2 为原理框图。 PID 控制技术在现在最为成熟,控制结构简单,参数容易调整,不必求出被控对象的数学模型就可以调节,所以在恒温控制系统中通常采用 PID 算法。PID是比例(proportional)、积分(intergal)和微分(derivative)三者的缩写。PID 调节器的三个基本参数 kp(比例系数)、ki(积分系数)、kd(微分系数)是选择非常重要,它将直接影响一个控制系统的准确性。而三个环节在实际控制中的作用:1、比例调节作用:比例反映系统的偏差,系统一旦出现偏差,比例调 9 节立即产生调节作用,用于减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但过大的比例使系统的稳定性下降,甚至造成系统不稳定;2、积分调节作用:是使系统消除静态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节就停止。积分调节输出为一常值,积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti. Ti 越小,积分时间就越强;反之 Ti 越大,积分时间就越弱。加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢,积分作用常与另两种调节规律结合,组成 PI 调节或 PID 调节;3、微分调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用。在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此微分调节可以改善系统的动态性能。在为时间选择合适的情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪音干扰有放大作用,因此过强的加微分环节,对系统抗干扰不利。此外微分反映的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用的输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成 PI 调节器或 PID 调节器。 大多数温度控制系统均建立在模型上,难以满足加工工艺要求,运用AT89C51 单片机对电阻炉温度实现智能控制,可以解决上述种种不足,从而实现高精度的控制。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史,它以其结构简单、稳定 图 2.2 PID 温度控制原理框图 性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构 和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,因此本次设计应用 PID 控制技术最为有效。 10 3 硬件设计 全自动蓄电池容量检测仪的设计需要用到许多的硬件设施,首先控制器选取单片机 AT89C51。硬件电路包括温度采集模块、时钟电路、双向可控硅控制电路、过零检测电路、+5V 稳压电源电路、+12V 稳压电源电路、恒流控制电路、AD 转换电路、DA 转换电路、显示电路、键盘电路、报警电路、复位电路、通信模块以及 IO 口的扩展电路等. 3.1 AT89C51 简介 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.1.1 主要特性 (1)与MCS-51兼容 (2)4K字节可编程闪烁存储器 (3)寿命:1000写/擦循环 (4)数据保留时间:10年 (5)全静态工作:0Hz-24Hz (6)三级程序存储器锁定 (7)128×8位内部RAM (8)32位可编程I/O线 (9)两个16位定时器/计数器 (10)5个中断源 (11)可编程串行通道 (12)低功耗的闲置和掉电模式 (13)片内振荡器和时钟电路 如图3.1所示: 11 P1 .0P1 .1P1 .2P1 .3P1 .4P1 .5P1 .6P1 .7RST/VpdP3 .0 (RXD)P3 .1 (TXD)P3 .2 (INT0)P3 .3 (INT1)P3 .4 (T0)P3 .5 (T1)P3 .6 (W R)P3 .7 (RD)XTAL2XTAL1VssVccP0 .0P0 .1P0 .2P0 .3P0 .4P0 .5P0 .6P0 .7EA/Vp pALE/PROGPSENP2 .7P2 .6P2 .5P2 .4P2 .3P2 .2P2 .1P2 .0AT89 C5 1 图 3.1 单片机管脚图 3.1.2 时钟振荡电路和复位电路 AT89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚 XTAL1和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起构成自激振荡器,振荡电路参见图 3-2。 外接石英晶体(或陶瓷振荡器)及电容 C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容 C1、C2 虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性,如果使用石英晶体,我们推荐电容使用 30pF±10pF,而如使用陶瓷振荡器建议选择 40pF±10pF。 12 Y6MHC 233 PFC 333 PFGNDCRYXTAL2XTAL1 图 3.2 时钟振荡电路 为确保微机系统中电路稳定可靠工作,复位电路是必不可少的一部分,复位电路的第一功能是上电复位。 单片机在启动时都需要复位,以使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态,并从初态开始工作。89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期(24 个振荡周期)以上,则 CPU 就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有:手动按钮复位和上电复位。如图3.3 所示。 Rz1KRSTCa22uFVCCGNDREST 图 3.3 复位电路 3.2 温度检测硬件设计 温度测量转换部分是整个系统的数据来源,直接影响系统的可靠性。传统的温度测量方法是:温度传感器例如 AD590,将测量的温度转换成模拟电信号,再经过 A/D 转换器把模拟信号转换成数字信号,单片机再对采集的数字信号进行处理。这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂,滤波消噪难度大系统稳定性不高,鉴于这些考虑,本设计采用数字式温度传感器 DS18B20。 13 DS18B20 支持“一线总线”接口,测量温度的范围为-55°C~+125°C,现场温度直接以“一线总线”的数字式传输,大大的提高了系统的抗干扰性。DS18B20 为 3 引脚, DQ 为数字信号输入/输出端;GND 为电源地;VDD 为外接供电电源输入端。 温度采集电路模块如图 3.4 所示。DSB8B20 的 3 脚接系统中单片机的 P1.4口线,用于将采集到的温度送入单片机中处理,2 脚和 3 脚之间接一个 4.7K 上拉电阻,即可完成温度采集部分硬件电路。DS18B20 内部结构主要由四部分组成:64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 123DS1820 GNDVCCDSR14.7KVCCP1.4 图 3.4 温度采样电路 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量,以 12 位转化为例:用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以 0.0625℃/LSB 形式表达,其中 S 为符号位。数据转换如下表 3.1。 表 表 0 3.1 DS18B20 温度数据转换表 LS Byte Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 MS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 S S S S S 26 25 24 这是 12 位转化后得到的 12 位数据,存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中,二进制中的前面 5 位是符号位,如果测得的温度大于 0,这 5 位为 0,只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度;如果温度小于 0,这 5 位为 1,测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。 3.3 温度控制部分硬件设计 14 随着铅酸蓄电池的广泛应用,人们对蓄电池容量检测的精度越来越高。由此可见,标准对于试验温度的要求 25±2℃范围较为精确,且规定电池、水浴之间的距离,使之在反应过程中不会相互影响。因为蓄电池放电容量与温度的关系密切,标准才规定±2℃的要求。只有在相同的环境条件下的试验结果才具有可比性,可重复性;另外,在放电过程中,蓄电池将化学能转换成电能,是放出能量,蓄电池要从环境中吸热,蓄电池温度下降,为避免影响化学反应的进行,需要有恒温水浴向蓄电池补充热能使其温度恒定。所以对水浴温度必须经行精确的控制,本设计通过单片机控制双向可控硅的导通角来控制加热器的电压,从而实现对水浴为温度的精确控制。 该模块用到了单片机和双向可控硅,可控硅可以直接接在 220V 交流电路上,但是单片机采用低电压供电,因此需要采用以一定的隔离措施,将 220V 和5V 弱点隔离,系统使用 MOC3051 作为弱电和强电的隔离。MOC3051 系列光电可控硅驱动器是美国摩托罗拉公司推出的器件,该器件的显著特点是大大加强了静态 dv/dt 能力。输入与输出采用光电隔离,绝缘电压可达 7500V,触发电流为 15mA。该系列可以用来驱动工作电压为 220V 的交流双向可控硅。该调压电路通过单片机控制双向可控硅的导通角来实现的,为了达到精确控制,整个电路包括可控硅控制电路和过零检测电路。 ECIN-IN+Q3MOC3 051C1加热器R210 kQ4TRIACVCCV2P1 .2R35.1kR54.7kR45.1k 图 3.5 温度输出控制电路 15 ECIN-IN+Q2TIL117ECIN-IN+Q1TIL117R1200kGNDV1T ATC4584INT1 图 3.6 过零检测电路 图中 MOC3051 是用以可靠驱动可控硅并实现强弱电的隔离,单片机的 P1.2负责驱动光耦。控制可控硅的导通和关断。如图 3.5 所示,在加热回路中,可控硅的导通角变化会改变加热器端的电压,V2 是外供交流 220V 电源的接入口。为了精确控制可控硅的导通角,电路加入了过零检测电路,如图 3.6 所示,交流电源从 V1 引入并送入二片光耦,注意光耦的输入端是反相的。这样使得交流电压过零时,无论是从正电压变为负电压还是从负电压变为正电压,都能够在光耦的输出端 C 上得到一个正向的阶跃信号。经过斯密特触发器 TC4584 整形并反相输出到单片机外部中断 INT1 引脚上,作为中断触发信号。单片机由此信号获得每个正弦周期内的二个过零点。 该系统的核心是通过单片机控制双向可控硅的导通角来实现调压。在每个交流电压的过零点,通过过零检测电路给单片机外部中断引脚发出中断信号,单片机获得控制周期的起点信号,控制可控硅关断,并启动定时器。在定时器定时结束后才改变双向可控硅的控制端的驱动信号,开启可控硅。假设定时器的定时时间为 T,则在交流电压的一个正弦周期 20ms 内。可控硅导通的时间即为 20ms-2T。 而定时时间 T 却是由水浴温度和标准温度的差值决定的。 3.4 电源稳压电路的设计 为了达到设计要求的精确度和避免测试过程中的电源之间的影响,所各个芯片或者模块必须要用稳压电源经行供电。设计用的 AT89C51 和 DS18B20 的供电电压均为 5V,另外反相放大器的供电电压为 12V,所以本设计基于 LM7805 和LM7812 实现 5V 和 12V 的电源模块。 二个稳压电源模块的组成比较类似。电源电路可分为三大块:变压部分、 16 整流滤波部分、稳压部分。变压部分其实就是一个变压器,变压器作用是将 220V的交流电压变换成我们所需的电压 9V。然后再送去整流和滤波 。 整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压;滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份,合之成为平滑的直流电压。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及变压整流。稳压电路中我使用的是“三端固定输出集成稳压器”,稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时,维持输出直流电压的稳定。集成稳压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉,因而适合在此设计中应用。 图 3.7 是用三端式稳压器 LM7812 构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品(也叫整流堆,型号为 2W06),当然也可以自已用四个速流二极管(如,IN4001)组成。滤波电容 C1、C2 一般选取几百~几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时,在输入端必须接入电容器 C3(数值为 0.33μF ),以抵消线路的电感效应,防止产生自激振荡。输出端电容 C4(0.1μF)用以滤除输出端的高频信号,改善电路的暂态响应。 1234D1BRIDGE1C922 00C310 0T1TRANS1C20.1C40.1AC 220 V5VGNDGND+5 V VinL1LM7 805 图 3.7 基于 LM7812 的稳压电源电路 5V 的稳压电源电路于此类似,采用了集成稳压器 LM7805,电容的选取上有些不同,但原理是相同的。 1234D2BRIDGE1C5100C7100T2TRANS1C60.33C80.1GNDVin +12VL2LM781212V AC 220VGND 17 图 3.8 基于 LM7805 的稳压电源电路 3.5 恒流放电电路的设计 为了检测蓄电池的容量,需要对电池进行大电流放电,并且要保持电流的基本恒定。随着放电的进行,蓄电池的电压必然要降低,如不加入恒流放电装置而是进行定电阻放电,则放电电流也会随着电压的降低而降低。因此要在放电回路中加入恒流放电装置,补偿降低的电压,使电流基本恒定。 电路原理图如图3.9,比较放大环节由两个运算放大器构成(1片324),采用+12V,单电源供电,R a 为负载电阻,Rs为取样电阻。Q5与Q6三极管构成调整环节。可调电源提供基准电源,输入信号Ei为蓄电池的电压。电压随着放电时间的延长而减小。它经过负载电阻、调整环节后在取样电阻上形成取样电压。该电压与基准电压比较并经放大环节放大后,经控制调整环节使电路电流恒定。 AR1OPAMPAR2OPAMPQ5PNPQ6PNPAR3OPAMPAR4OPAMPRb1kRc1kRa2Re1kRi6.2kRf100kRg1kRh1kRj16kRs0.33Rd1kRm1kRn2kIN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0Vref(-)D2IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLOCKVccVref(+)GNDD1ADC0809CSWR1AGNDD3D2D1D0VrefRfbDGNDVccILEWR2XFERD4D5D6D7Iout1Iout2DAC083212VGND5V5VGNDUsUbEiE 图 3.9 恒流放电电路原理图 若由于输入电压的减小而使负载电流减小,则取样电压必然减小,从而使取样电压Us与基准电压E的差值(Us—E)减小。由于AR3为反相放大器,因此,输出电压Ub必然升高,从而使Us升高,保证了放电电流的恒定。恒流过程表示为:Ei↓→I L ↓→U S ↓→(Us—E)↓→Ub=K(U S —E)↑→Us↑。 18 由于检查不同种类的蓄电池时,要求放电电流的大小不同,因此电路的放电电流值必须是可调的,该电路节基准电压E是由单片机P1.3输出控制信号通过8位的DA转换器DAC0832,在经过同相放大器放大作为基准电压,所以通过单片机调节基准电压E,则改变了Us与E的比较值,从而就改变了恒流放电的电流值。 电路元器件的参数: R a :(E min -3)/I a ,其中E min 为蓄电池的放电终止电压,I a 为放电电流。 蓄电池的终止电压为10.5V,I a 为3-4.5A,取R a =2Ω。 R S :0.33Ω;Ri:6.2K;R g :1K;R j :16K;R e :1K;R f :100K;R h :1K。 Rm:1k,Rn:2k。 3.6 数字显示及键盘电路的设计 在单片机家族的众多成员中,MCS-51 系列单片机以其优越的性能、成熟的技术、高可靠性和高性价比,占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场,并成为国内单片机应用领域中的主流机型。 MCS-51 单片机的并行口有 P0、P1、P2 和 P3,由于 P0 口是地址/数据总线口,P2 口是高 8 位地址线,P3 口具有第二功能,这样,真正可以作为双 向 I/O口应用的就只有 P1 口了。这在大多数应用中是不够的,因此,大部分 MCS-51单片机应用系统设计都不可避免的需要对 P0 口进行扩展。 由于 MCS-51 单片机的外部 RAM 和 I/O 口是统一编址的,因此,可以把单片机外部 64K 字节 RAM 空间的一部分作为扩展外围 I/O 口的地址空间。这样,单片机就可以像访问外部 RAM 存储器单元那样访问外部的 P0 口接口芯片,以对P0 口进行读/写操作。用于 P0 口扩展的专用芯片很多。如 8255 可编程 并行 P0口扩展芯片、8155 可编程并行 P0 口扩展芯片等。本设计采用的是 8155 经行的扩展,如图 3.10 所示。 19 PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CERDWRIO/MALETMROUTTMRINRESETVccVss8155P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VpdP3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6(WR)P3.7(RD)XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0AT89C51NORGND+5V+5V 图 3.10 I/O 口的扩展接口电路 在二种显示的方法中,静态显示亮度高,编程容易,管理也比较简单,但占用的I/O口资源较多,为了简化电路,降低成本,数字显示采用动态显示方式。所谓动态显示,就是单片机定时地对显示器件扫描。在这种方法中,显示器件分时工作,每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉暂留现象,所以,仍感觉到所有的器件都在“同时”显示。这种显示方法的优点是使用硬件少,因而价格低;但占用机时多,只要单片机不执行显示程序,就立刻停止显示。动态显示的亮度与导通电流有关,也与点亮时间和间隔时间的比例有关。 20 Q290 15Q390 15Q490 15R20 1KR19 1KR21 1KGND PA4PA5PA6PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7ab fcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpGND9DS1DPY_7-SEG_ DPab fcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpGND9DS2DPY_7-SEG_ DPab fcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpGND9DS3DPY_7-SEG_ DP 图3.11 数字显示电路原理图 图3.11为89C51单片机扩展芯片8155和三位共阴极显示器的接口电路。8155的PA4、PA5、PA6口作为扫描口,由于单片机I/O口的驱动能力有限,所以要通过三极管9015经行电流放大,然后接显示器公共端,同时起着开关控制的作用;经过IO的扩展8155芯片的B口作为段数据口。 键盘实际上是有排练成矩阵形成的一系列按键开关组成的,它是单片机系统中最常见的人机联系的一种输入设备。用户可以通过键盘向 CPU 输入数据、地址和命令。 矩阵式键盘模式以 N 个端口连接控制 N*N 个按键 实时在 LED 数码管上显示按键信息。显示按键信息 省下了很多的 I/O 端口为他用 相反 独立式按键虽编程简单 但占用 I/O 口资源较多 不适合在按键较多的场合应用。并且在实际应用中经常要用到输入数字、字母、符号等操作功能 如电子密码锁、电话机键盘、计算器按键等 至少都需要 12 到 16 个按键。矩阵式键盘又称行列键盘 它是用 N 条 I/O 线作为行线 N 条 I/O 线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为 N*N 个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中 I/O 口的利用率。 最常见的键盘布局如图 3.15 般由 16 个按键组成 在单片机中正好可以用一个 P 口实现 16个按键功能 这也是在单片机系统中最常用的形式 本设计就采用这个键盘模式。 硬件电路设计图 3.13 示。把单片机的扩展芯片 8155 的 A 口连接到“4*4 21 行列式键盘”其中 PA0-PA3 作为行线,PC0-PC3 作为列线,把 8155 的 PB 端口连接到共阴极“静态数码显示模块”区域中对应的 a 到 g 端口上 系统首先通过 CPU 对全部键盘进行扫描,即把第一根行线置为“0”状态其余行线置于“1”状态读入输入缓冲器的状态,若其状态全为“1”表明该行无键按下,再将第二根行线置为“0”状态同样读入输入缓冲器的状态如其状态也全为“1”则置第一根行线置为“0”状态以此类推。如读入输入缓冲器的状态不...

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