1、石家庄铁道学院毕业设计2008 届 电气与电子工程分院专 业 自 动 化 学 号 20041667 学生姓名 张 义 顺 指导教师 邓 晓 燕 完成日期 2008 年 5 月 25 日Design of Lead-acid Battery CapacityDetection System 铅酸蓄电池容量检测系统的设计毕业设计成绩单学生姓名 张义顺 学号 20041667 班级 电 0402-2班 专业 自动化毕业设计题目 铅酸蓄电池容量检测系统的设计指导教师姓名 邓晓燕指导教师职称 教授评 定 成 绩指导教师 得分评阅人 得分答辩小组组长 得分成绩：院长签字：年 月 日毕业设计任务书题 目 铅
2、酸蓄电池容量检测系统的设计学生姓名 张义顺 学号 20041667 班级 电 0402-2 班 专业 自动化承担指导任务单位 电气与电子工程分院 导师姓名 邓晓燕 导师职称 教授一、设计内容1、设计以单片机为核心的蓄电池测量系统。2、设计硬件电路。3、软件编程。二、基本要求1、通过放电方法测试电池容量。2、实时显示电池容量（安时） 。3、实时显示电池电压（V ） 。4、测量结束后有报警提示。三、主要技术指标1、放电电流为 34.5A。2、测量放电电流，电流与时间积分为安时。3、实时测量电压，放电到 10.5V 则放电结束，显示闪烁最后数据。4、三位数码管显示，切换显示电压/安时。四、应收集的资
3、料及参考文献1、51 单片机方面的知识及其接口技术。2、铅酸蓄电池方面的资料。3、模电、数字滤波、数电控制电路等资料。五、进度计划第 1 周第 4 周 调研、搜集资料、初步设计。第 5 周第 8 周 绘制原理图，制作板图。第 9 周第 12 周 编写软件，系统调试。第 13 周第 14 周 完成论文。教研室主任签字 时 间 2008 年 2 月 26 日毕业设计开题报告题 目 铅酸蓄电池容量测试系统的设计学生姓名 张义顺 学号 20041667 班级 电 0402-2 班 专业 自动化一、研究背景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，2006年，美国十大科技计划中有两
4、项为电池项目，铅酸蓄电池行业销售总额的三分之一，与电力、交通、信息等产业发展息息相关，在汽车、叉车等运输工具和大型不间断供电电源系统中处于控制地位，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，铅酸蓄电池技术不断发展，产品日臻成熟。起动电池结构逐步优化升级，免维护蓄电池广泛使用、仍然是军用、民用交通运输装备的重要电源装置，为我国成为世界主要汽车生产国起到重要支撑作用。阀控电池、胶体电池等作为备用电源、大型储备电源的核心部件，其生产已成为国民经济发展中重要的基础性产业。铅酸蓄电池行业大
5、有可为。随着铅酸蓄电池的广泛应用，如何判定蓄电池的容量成为广大用户极为关注的问题。二、国内外研究现状目前，蓄电池剩余容量的检测方法很多，如检测电解液密度法、高电率放电法、湿度法、利用蓄电池阻抗法等。电解液密度在充电过程中逐渐变高，放电过程中逐渐降低。通过测量电解液的密度可判断蓄电池的充放电程度。此方法可以实现电池容量的直接显示，被普遍用在电池监测技术中。但由于电解液扩散速度较慢，在充电或放电后较长时间才能达到稳定状态。高电率放电法是通过测量大负荷下的端电压来判断蓄电池的剩余容量。它是模拟启动机启动时的负载，测出蓄电池在大电流放电时的端电压，根据端电压变化来判定蓄电池的技术状态。此方法能检测蓄电
6、池有无故障及向启动机供电的能力，但不能测量正在充电和刚充完电的蓄电池，因其电能消耗大，有一定危险。湿度法是借助固体电化学湿度传感器，在蓄电池充放电过程中，将电解液相对湿度变化转化为传感器阻抗值的变化来确定蓄电池的容量。但湿度传感器目前尚无应用实例。阻抗法是利用蓄电池充电过程中阻抗值升高，放电过程中阻抗值降低的特性，从被测量电池的频率响应数据预示电池的容量。过程繁琐，所以这种方法用得较少。三、主要工作和所采用方法通过调研和搜集资料，完成对铅酸蓄电池的初步认识，之后再通过自我学习，从所借阅的资料以及互联网上的知识，独立完成原理图的绘制和版图的制作，随后进入软件编写阶段，在老师的指导下完成系统的调试
7、最终完成论文。通过放电方法测试电池容量，测量放电电流，电流与时间积分为安时。四、本次设计预计达到的效果设计出一个以单片机为核心的铅酸蓄电池容量测试系统，通过放电可测试其容量，当电压达到10.5V时放电结束，并且实时显示电池电压与容量，测量结束后有报警提示。指导教师签字 时 间 2008 年 3 月 10 日摘 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
8、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
9、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AbstractThe 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 dyna
10、mic 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 batte
11、ry 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 d
12、ischarge 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
13、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
14、 reliable and measurement and showing is convenient, intuitive, price is low.Key words: Lead-acid batteries Capacity detection Constant current discharge目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的目的及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 当前蓄电池容量测试技术现状 .11.2.2 快速容量测试技术的难点分析 .31.2.3 容量测试技术解决的方向 .41.3 论文研究内容及创新点 .4第 2 章 铅酸蓄电池 .52.1 工作原
15、理 .52.1.1 放电中的化学变化 .52.1.2 充电中的化学变化 .52.2 蓄电池的容量 .62.2.1 放电中电压下降 .62.2.2 蓄电池之容量表示 .62.2.3 蓄电池温度与容量 .72.2.4 放电量与寿命 .72.2.5 放电量与比重 .72.2.6 放电状态与内部阻抗 .72.2.7 放电中的温度 .82.3 影响铅酸蓄电池容量的因素 .82.3.l 蓄电池生产工艺对电池容量的影响 .82.3.2 蓄电池使用时的因素对电池容量的影响 .10第 3 章 AT89C51 单片机结构及功能简介 .133.1 AT89C51 简介 .133.2 主要特性 .133.3 管脚说明
16、 .133.4 时钟振荡器 .15第 4 章 硬件设计 .174.1 采样电路的设计 .174.1.1 设计思路 .174.1.2 设计方案 .174.1.3 原理图 .184.2 恒流放电电路的设计 .184.2.1 设计思路 .184.2.2 设计方案 .184.2.3 原理图 .194.2.4 工作原理 .194.3 数字显示电路的设计 .204.3.1 设计思路 .204.3.2 设计方案 .204.3.3 原理图 .204.4 AD 接口电路的设计 .214.4.1 设计思路 .214.4.2 ADC0809 简介 .214.4.3 设计方案 .224.4.4 原理图 .23第 5
17、章 软件设计 .245.1 主要算法 .245.1.1 电压 .245.1.2 电流 .245.1.3 容量 .245.2 主程序设计 .265.3 AD 转换程序的设计 .275.4 数字显示程序设计 .28第 6 章 结论与展望 .31参考文献 .32致 谢 .33附 录 .34石家庄铁道学院毕业设计1第 1 章 绪论1.1 课题研究的目的及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
18、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 252的水浴中”，由此可见，标准对于试验温度的要求252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
19、。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 国内外研究现状1.2.1 当前蓄电池容量测试技术现状1.核对放电法核对放电法即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，
20、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：石家庄铁道学院毕业设计2(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
21、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核对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
22、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
23、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
