蓄电池智能检测系统设计.doc

1、摘要 I 摘 要 铅酸蓄电池组是许多 交通工具的动力源或应急电源，因此电池组的性能将直接关系到交通工具 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。 由于受环境限制，要求系统简小而且实用，方便对单一电池进行维修和日常的维护 ，因此 本 次设计的是检测一路 蓄电池端电压 的 系统 。 监测系统是以 AT89C51单片机

2、为核心，其 工作性能优良，使用灵活、 功耗低 ，是一个性价比较高的芯片。 数据采集 完成后选用ADC0809 进行电压信号的模数转换， 测量数据在 LCD1602 上 显示，通过 MAX232 电平转换电路将测得的电压数据 传 到 PC 机 上 显示、 存储 。 关键词 ：单片机；铅酸蓄电池；智能检测； 显示；通讯 Abstract II Abstract The lead-acid storage battery group is the drive power supply or contingency power supply for many traffic tools So the

3、performance of the storage battery group is directly related to the normal running of traffic tools It is necessary to measure batteries parameters accurately and frequently in order to enhance their lives， run them reliably and ensure the batteries in the optimal working states In the past the test

4、ing of the storage batteries parameters was completed artificially However this method has many disadvantages Its slow to test batteries artificially， the measurement precision is low， and the surroundings of storage battery cabin are very harmful to peoples health So its very important to design a

5、device which can test batteries automatically Because suffer environmental restrictions, request system, convenient and practical Jane small on a single battery for repair and routine maintenance of the design, so the battery voltage is the system test all the way. Monitoring system based on AT89C51

6、, its work fine performance, use agile, low power consumption, is a high cost performance chip. Data collection after the completion of the ADC0809 voltage signal selection in frequency-field on LCD1602, measurement data display, through MAX232 level measured transform circuit will the voltage uploa

7、d data PC computer display, storage. Key Words： Single chip computer； Lead-acid battery； Intellectual detection system；Display; communication 目录 目 录 摘 要 .I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 铅酸蓄电池的简单介绍 . 1 1.2 铅酸蓄电池检测系统简介 . 3 1.3 进行铅酸蓄电池研究的主要意义 . 3 2 硬件部分主要芯片简介 . 5 2.1 单片机 AT89C51 . 5 2.2 液晶显示芯片 LCD1602 . 8

8、 2.3 模数转换芯片 ADC0809 . 10 2.4 锁存器扩展并行输出口 74LS373 . 12 2.5 电平转换芯片 MAX232 . 14 3 硬件部分设计 . 16 3.1 硬件部分原理框图 . 16 3.2 最小系统电路 . 18 3.3 电压测量电路 . 20 3.4 显示电路 . 21 3.5通讯电路 . 23 4 软件部分设计 . 25 4.1 系统总程序设计 . 25 4.2 电压测量 A/D 转换程序设计 . 26 4.3 显示程序设计 . 29 4.4 通讯程序设计 . 32 结 论 . 34 致 谢 . 35 参考文献 . 36 附录 1 蓄电池智能检测原理图设计

9、 . 37 附录 2 蓄 电池智能检测 PCB 图设计 . 38 附录 3 蓄电池智能检测程序设计 . 39 河北工程大学毕业设计说明书 1 1 绪论 交通工具用 动力蓄电池通常由多节单体电池串联或者并联构成，一般串联的单体电池数可达到十至几十个单体电池电压一般是 12V，总电压在 100V 以上，总容量在 100Ah以上 。本文所阐述的蓄电池性能检测系统在结构设计上可以根据需要增加或减少被检测电 池的数量，具有较高的灵活性 。 蓄电池种类很多，有铅酸蓄电池、铅酸胶体蓄电池、镍氢电池、锉离子电池、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 ，它 分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和

10、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，其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，放电对，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。 铅酸蓄电池组是许多 交通工具 的动力源或应急电源， 例如 火车指挥调度、邮电通信、银行运营 、船用 等必不可少的应急电源。因此电池组的性能将直接关系到系统的可靠运行，火车调度、邮电通信、银行运营 、船用 等。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

11、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入们所关注，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。 1.1 铅酸蓄电池 的简单介绍 基本定义：电能可由多种形式的能量变化得来，其中把化学能转换成电能的装置叫化学

12、电池，一般简称为电池，电池有原电池和蓄电池之分。放电后不能用充电的方式使内部活性物质再生的叫原电池，也称一次性电池。放电后可以用充电的方式使内部活性物质再生，把电能储存为化学能， 需要放电时再次把化学能转为电能的电池，叫蓄电池，也称二次电池。 河北工程大学毕业设计说明书 2 铅酸蓄电池的定义：是蓄电池的一种，主要特点是采用稀硫酸做 电解液，用二氧化铅和绒状铅分别做为电池的正极和负极的一种酸性蓄电池。 关于电池的一些常用语言，充电；蓄电池从其他直流电源获得的电能叫充电。放电：蓄电池对外电路输出电能时叫放电。 放电。浮充放电：蓄电池和其他直流电源并联，对外电路输出电能叫浮充放电。有不间断供电要求的

13、设备，起备用电源作用的蓄电池都处于该种放电状态。电动势：外电路断 开 ，即没有电流通过时在正负极间量得的电位差，叫电池的电动势。端电 压：电路闭合后电池正负极问的电位差叫做电池的电压或端电压。安时容量：电池的容量单位为安时 (Ah)。 自放电：由于电池的局部作用造成的电池自身容量的消耗。使用寿命：电池在保证输出一定容量的情况下进行充放电的次数。电解液：是组成铅酸电池的重要部分，是传导和参加化学反应，其纯度和密度是电池容量和寿命有重要影响。放电率：是以一定的电流放完额定容量所需的时间。对于不同的电池有各其规定的标准放电率。例如 120Ah 电池的容量为 20h 率 120 Ah 意味着电池 12

14、0Ah 20h的电流 (6A)放电能延续 20小时，电池容量为 100。 铅酸蓄电池的分类，按蓄电池极板结构分为：形成式，涂膏式，管式蓄电池。按蓄电池盖和结构分为；开口式，排气式，防酸隔爆式，密封溺控式蓄电池。按蓄电池维护方式分为：普通式，少维护式，免维护式蓄电池。 蓄电池的基本结构如下图 1-1 所示，图中 1、硬橡胶槽； 2、负极板； 3、正极板； 4、隔板； 5、鞍子； 6、汇流排： 7、封口胶； 8、电池槽盖； 9、连接条 g 10、极柱； 11、排气拴。 图 1-1 蓄电池的基本结构 铅酸蓄电池的工作原理，主要分充电和放电两个状态进行，充电过程电能转换成化河北工程大学毕业设计说明书

15、3 学能，放电的时候化学能转化成电能 。 充电时应在外接一直流电源 (充电机或整流器 )，使正、负极板在放电后生成的物质 恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。 放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流 I 同 时在电池内部进行化学反应。 1.2 铅酸蓄电池检测系统简介 电池剩余电量计算，对于单节铅酸蓄电池来说，它的电动势是一个定值，是由它本身的制造工艺和特性确定的。当电池开路时，电池的端电压等于它的电动势；当外接负载后，流过它的电流大小取决于负载大小，但是电池的端电压值随电流增大会略微减小，这是因为电 池有内阻的缘故，所以电池可以用理想电压源

16、和内阻的串联组合来代表，因此我们可以通过检蓄电池的电压来间接知道它的电量。 铅酸蓄电池检测系统是能够实时在线检测蓄电池的端电压。铅酸蓄电池检测系统由三个大部分组成：检测模块，用以测量单个蓄电池的端电压； 显示 模块， 用于 实时显示测得的电压数据 。通信模块， 将单片机与计算机连接，将测得的 数据 传到电脑当中显示 。测量模块主要 是 电压测量，测量铅酸蓄电池的端电压 ，并通过 ADC0809 进行电压的模数转换 。 LCD 显示模块，可以把测量模块测量出来的数据直接显示出来，方便进行系统维护和管理。 通信模块， 用 MAX232 接口将单片机与计算机连接，并将测得的电压值上传到计算机中显示

17、。 1.3 进行铅酸蓄电池研究的主要意义 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，如今交通工具大都装有蓄电池，诸如各式各样的飞机、船用、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运行绝对可靠，这样就对蓄电 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。 美国哥伦比亚的一个著名的预测中心 BATELL机构提出了今后 20年最具发展前景

18、的三项技术： (1)信息技术； (2)化学电源； (3)生物技术。从中可以看出化学电源处于第二位，极 具广阔的发展前景。 其中，铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，也是最早被广泛使用的二次电池。进入 20 世纪 90 年代以后，由于大量新技术，新材料的涌现，再加上信息时河北工程大学毕业设计说明书 4 代 对蓄电池的挑战，人们正力图使铅酸蓄电池取得新的突破。铅酸电池 与其它电池比较，铅酸蓄电池因为具有较高的性能价格比，因而很有竞争优势。 本文涉及的主要是单个小系统的设计，由于对电池检测的时间比较长，同时需要检 测的电池的数量和参数的数目相对比较多，而且每个模块都要检测电压数据，由于受使

19、用的主控制器存储空间限制，很难将这些数据都保存下来，所以希 望可以将检测的数据保存在存储量足够的 PC 机中，方便数据的调用和比较，利用 PC机软件可以进行数据的实时检测，数据的对比分析，实时曲线绘制，数据打印报表本文设计的系统主要特点，响应速度快，可以和上位机进行很好的通讯。 河北工程大学毕业设计说明书 5 2 硬件部分 主要芯片简介 在此次蓄电池电压智能检测设计中主要用到的芯片有 用于主控制器的 单片机AT89C51、 用于实时显示电压测量值的 液晶显示芯片 LCD1602、 用于测量并进行电压 模数转换 的 芯片 ADC080、 用于 锁存器扩展并行输出口 的芯片 74LS373、 用于

20、实现单片机与 PC机通讯的 电平转换芯片 MAX232。 2.1 单片机 AT89C51 单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其数据总线的宽度不断更新，从 8 位、 16 位迅速过渡到 32位、 64位，并且不断提高运算速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力，在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用；单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家 用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现

21、代电子系统中最重要的智能化工具。因此，单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑。 由于 MCS 系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布 局和结构达到最优化，工作也相对稳定。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。 单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和语言也大

22、大简化。单片机的典型代表是 Intel 公司在 20 世纪 80 年代初研制出来的 MCS-51 系列单片机。MCS-51单片机很快在我国得到广泛的推广应用，成为电子系统中最普遍的应用手段，并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表等领域取得了大量应用成果。 MCS-51 系列单片机的优点是价钱便宜 ,I/O 口多 ,程序空间大。因此在测控系统中，使用此单片机是最理想的选择。 AT89C51 是 美国 ATMEL 公司生产的 一种带 4K 字节 FLASH 存储器 （ FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 低功耗 、

23、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称 单片机 。 它 采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051河北工程大学毕业设计说明书 6 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，具有高性价比。 单片机的 主要工作特性是：内含 4KB 字节 的 FLASH 存储器 ，擦写次数 1000 次；内含 128 字节的 RAM；具有 32 根可编程 I/O 线；具有 2 个 16 位可编程定时器；具有 5 个中断源、 5 个中断矢量、 2 级优 先权的中断结构； 具有 1 个全双工的可编程串行通信

24、接口；具有 1个数据指针 DPTR；两种低功耗工作模式， 即 空闲模式和 掉电模式；具有可编程的 3级程序锁定位；工作电源电压为 5（ 1 0.2） V 且典型值为 5V；最高工作频率为24MHZ。 AT89C51 是一个有 40 个引脚的芯片，引脚配置如图 2-1所示。 图 2-1 AT89C51 引脚 AT89C51 芯片的 40 个引脚功能为： 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。当 P0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

25、。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 口作为河北工程大学毕业设计说明书 7 第八位地址接收。 P1 口部分端口引脚及功能如表 2-1 所示。 表 2-1 P1 口特殊功能 P1 口引脚 特殊功能 P1.5 MOSI（用于 ISP 编程）

26、 P1.6 MOSI（用于 ISP 编程） P1.7 SCK（用于 ISP 编程） 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

27、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 AT89C51的一些特殊功能口，如下表 2-2 所示： 表 2-2 P3 口特殊功能 P3 口引脚 特殊功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 （外部中断 0） P3.3 （外部中断 1） P3.4 T0（定时器 0 外部输入） P3.5 T1（定时器 1 外部输入） P3.6 （外部数据存储器写选通） P3.7 （外部数据存储器读选通） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字