1、本科毕业论文（20届）DC48V铅酸电池数据采集系统所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要DC48V铅酸电池放电特性为电容特性和电压特性，作为供电装置，随运行时间变化，电池总电压和各单体电池电压参数也有较大变化，而这些参数的变化往往也影响着所供设备的运行状况，因此建立数据采集系统，采集其放电过程中的电压数据，分析其数据变化，对于充分发挥其电能，维持机械正常运行有重要意义。对于单体电池的采集，本文首先参考了几种常见的电池电压采集电路，通过总结比较后设计出了最适合本课题的电池数据采集电路，即利用24块AD转换芯片ADC7888单独采集24个单体电池的电
2、压值，由于芯片STM32F103RB的I/O口有限，本文通过利用三块三八译码器与芯片STM32F103RB连接扩展其I/O接口，然后与24块电压采集单片机相连，这样STM32F103RB即可通过译码器，间接控制了前端24块单片机所采集到的电压信号的输入顺序，完成单体电池电压的实时采集。这种方法采样精度高，且控制系统和电池组通过光耦和电池组进行隔离，安全可靠。当然，其缺陷是每节电池都需配备一篇AD转换芯片，成本较高。不过，由于这种采样电路的精度较高，允许采用较低精度如8位的AD转换芯片，因此其整体价格依然可以控制在较合理的范围之内。关键词铅酸电池；单片机；数据采集；译码器。IIDC48VVRLA
3、DATAACQUISITIONSYSTEMABSTRACT【ABSTRACT】DC48VLEADACIDBATTERYASPOWERSUPPLYDEVICE,DISCHARGEPROPERTIESWITHRUNNINGTIMECHANGE,BATTERYTOTALVOLTAGEANDMONOMERBATTERYVOLTAGEPARAMETERSALSOHAVEBIGGERDIFFERENCE,ANDTHESEPARAMETERSVARIATIONSOFTENALSOAFFECTTHEOPERATIONSTATUSOFTHESUPPLIEDEQUIPMENT,THEREBYESTABLISHIN
4、GADATAACQUISITIONSYSTEM,COLLECTINGTHEPARAMETERS,ANALYZINGTHEVOLTAGEDATASCHANGESHAVEAIMPORTANTMEANINGTOMAKEFULLUSEOFITSNORMALOPERATIONOFELECTRICPOWERANDMAINTAININGMACHINERYNORMALOPERATIONFORTHECOLLECTIONOFSINGLECELLS,THISPAPERREFERTOSOMECOMMONBATTERYVOLTAGEACQUISITIONCIRCUITDESIGNSANDBYCOMPARINGTHESE
5、DESIGNS,DESIGNINGTHEMOSTSUITABLEONEFORTHEDATAACQUISITIONCIRCUITTHEBATTERYISSUETHATISUSINGCHIPSSTM32R103B,BYESTABLISHINGASOFTWAREPROGRAM,ANDDESIGNING,COMPARINGVARIOUSEXTERNALACQUISITIONCIRCUIT,USING24PIECESOFADC7888SCMSTOCOLLECTANDUSINGTHREEDECODERTOCONTROLDESIGNINGACOMPARATIVELYPERFECTLEADACIDBATTER
6、YVOLTAGEACQUISITIONCIRCUITTHISMETHODHASAHIGHACCURACY,CONTROLLINGSYSTEMANDTHEBATTERYPACKTHROUGHLIGHTDECOUPLINGANDBATTERYPACKISOLATIONISSAFEANDRELIABLEOFCOURSE,THEDEFECTISEACHSECTIONMUSTBEEQUIPPEDWITHANARTICLEBATTERY,WITHHIGHCOSTONADTRANSFORMCHIPHOWEVER,DUETOTHESAMPLINGCIRCUITWITHHIGHPRECISIONANDALLOW
7、EDTHEUSEOFLOWACCURACYSUCHAS8ADTRANSFORMCHIP,SOITSOVERALLPRICESSTILLCANCONTROLINRELATIVELYREASONABLERANGE【KEYWORDS】VRLA；SCM；DATAACQUISITIONDECODER。III目录摘要IABSTRACTII1概述111铅酸电池发展现状1111国内现状1112国外铅酸电池发展现状212单片机数据采集2121单片机数据采集系统的组成3122单片机数据采集与处理的主要内容4123程序控制数据采集系统4124单片机数据采集处理的方法5125单片机数据采集系统的发展51374LS13
8、8614本课题的研究目的及意义82系统总体方案设计921总体框架设计922STM32F103RB芯片介绍10211DMA10212RTC实时时钟和后备寄存器10213ADC模拟/数字转换器113硬件部分设计1231电池单体电压测量的方法12311共模测量法12312继电器切换采样法13313开关切换法13314V/F转换无触点采样法14315浮动地测量法1432电池端压测量研究设计16321端压测量设计16322内心芯片选通信号的产生19323采样时钟信号204软件部分设计235总结及展望2651总结2652展望26参考文献28致谢错误未定义书签。11概述11铅酸电池发展现状111国内现状1基
9、本情况。到目前为止，铅酸蓄电池产业在我国已形成了产品覆盖范围广，企业集群区域稳定以及生产技术质量体系完善的产业模式，该行业的生产经营保持了非常好的发展，经济效益也得到了明显提高。到2011年1月为止，我国的铅酸蓄电池生产企业已达1600家（获得生产许可证企业达1400家）其中年产值越10亿元以上的大型企业有35家，年产值超亿元的中型企业有200家，小型企业有1400家，上市公司有15家。2010年行业内总产值约1500亿元，产品销售收入高达1100亿元，而年出口额约25亿美1。22010年铅酸电池行业主要经济指标1表120010年铅酸电池工业产值及分列动力型蓄电池（亿元）汽车型蓄电池（亿元）电
10、信电力蓄电池（亿元）出口蓄电池（亿元）其他类型蓄电池（亿元）总计（亿元）5003501701801201500表22005年与2010年铅酸电池行业主要经济指标对比年份蓄电池总产量（万KVAH）工业总产值（亿元）工业销售总值（亿元）工业增加值（亿元）主因业务收入（亿元）利润总额（亿元）2005年606570067545685532010年1150012001098126103072增长率（）89716118057363产业地位。目前在世界上最大的铅酸电池生产、消耗和出口国就是中国。20052010年期间我国铅酸电池行业产值年平均增长速度约为14。2010年我国铅酸电池行业总产量达11500万K
11、VAH，几乎占到了当年全球铅酸电池总量的L3。2010年我国电解铅总量为280万吨，占我国精铅年总产量的约75。再生的铅用量为190万吨，同时从图中可以看出，在2010年，我国铅酸蓄电池直接出口额180亿元。铅酸蓄电池产业的产业链包括其铅锌矿的采集、冶炼、硫酸、外壳、隔扳及设备、2贸易、科研以及其他零部件等等，其产业链是十分巨大的，其中直接从事铅酸电池产业制造的达26万人，产业链从业相关人员达200万2。近年来，为了提高本行业的技术水平，我国通过不断地技术引进国外先进技术，消化吸收以及国外优秀的公司在中国来投资建厂，我国的铅酸电池主要产品（摩托车用电池，汽车用电池等）的制造技术已经接近于甚至已
12、经达到了国际先进水平。同时在某些方面我国的技术甚至已经超越了欧美发达国家，处于世界先进水平，如深循环动力电池制造技术。但我国铅酸蓄电池的质量由于受到原材料质量和管理水平及人员素质以及制造设备精度等因素的影响，和水平与发达国家相比，还是要落后十年左右。112国外铅酸电池发展现状由于目前在世界上，再生铅在所有金属中回收率最高，同时在过去的时间里，由于铅酸电池的大量生产，也给整个世界带来的严重的环境污染，因此与中国注重铅蓄电池的生产相比，目前西方发达国家已由过去的大量开发铅酸电池，到现在的开始将重点转移到电池回收上目前再生铅在世界的产量已经超过了原生铅产量。在美国，废蓄电池回收和冶炼的主管机构是蓄电
13、池协会，其与环保局共同制定了一系列的法令和标准，把废蓄电池作为危险废物管理，严令禁止随便处置，规定铅酸电池生产厂商要承担起回收废弃电池的任务额，否则将受到惩罚。而对于一般公众，也严格禁止其随意丢弃，否则将重罚3。在澳大利铅酸蓄电池生产厂家要负责召回、收集铅酸蓄电池，并包好成捆，用专用运输工具送到再生铅工厂，并支付一定的危险废物处置费再生铅工厂收取处置费及加工费后再把再生铅返还给给铅酸蓄电池厂。在法国，20世纪80年代末以前，回收工作大都由废旧品收购者来完成。但是，这种收集方式存在着随意倒酸和酸泄漏的问题，在环保安全方面存在很大隐患。于是，一种有组织、同时更加遵守环保规则的回收制度得到了发展。这
14、种回收方式需要遵循某些操作流程首先将密封的塑料桶交给顾客，用以储存电池；然后用安装有活动后栏板的卡车将塑料捅运送到一个叫做“专用场地”的堆积平台，平台上安装有防漏装置，防止酸液流出废旧电池用密封的、抗酸的桶装盛送给电池制作工人。12单片机数据采集为了获得电池数据，必须用相应的设备对其进行采集，而目前，使用最多的便是利用单片机进行数据采集，然后利用VC使采集的数据显示于电脑上，以下是目前单片机采集电池数据的一些基础知识。3121单片机数据采集系统的组成所谓单片机就是单片微型计算机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）,单片微型计算机的核心是微处理器MPU，与一般微型计算机所不同的是它
15、将微处理器，内存，I/O接口，中断逻辑，定时器/计数器等集成到一个集成电路芯片上，有的单片机还集成了A/D，D/A转换器等电路5。其组成结构如图11所示图11单片机组成框图一般的顺序控制采集系是由数据采集单元，A/D转换单元，D/A转换单元，数据传输单元，数据处理单元，键盘/显示电路等几部分组成。而现在的数据采集系统正从传统的顺序控制采集系统进入到程序控制数据采集系统，这种采集系统则是由硬件和软件两部分构成，硬件指的是连同单片微机在内的全部电子线路，而软件包括监控管理程序及各功能模块应用软件。对于硬件，如图12，其为一集散式数据采集系统图，从图中可看出，单片机数据采集处理系统的硬件由监控计算机
16、单元，数据处理单元，总线隔离器单元，接收单片机，数据采集单元组成。4图12集散式数据采集系统而对于软件，在数据采集系统中，为了维持系统的正常工作，一般应至少具有以下几个常用的功能软件（1）初始化程序用于系统参数的初始化以及数据采集系统各插板接口的初始化。（2）系统的监控程序主要用于系统的初始启动和系统调试时的简单查错。（3）采集程序该程序通常可以固化在ROM中，是一个根据采集格式对数据进行采集的程序。根据系统需要，一个系统可配备多个不同采集格式的程序，以使系统适应多种工作情况。（4）命令控制程序它是根据操作人员发出的命令，对数据采集系统的工作状态和工作方式进行控制的程序。（5）输出处理程序对采
17、集到的数据进行处理，然后进行输出。122MCU数据采集处理的主要内容（1）数据采集主要讲一些非电量的参数转化成电量参数，或者将一些大的电压转化成可以接受的电压信号。（2）数据记录主要是将采集的到的数据储存起来，当前储存大量数据的一种有效方式是磁记录。（3）数据处理就是对采集过来的数据进行预处理、数据检验与分析（再加工）等等。123MCU程序控制数据采集程序控制数据采集系统主要由以下几个部分组成总线、控制器、帧格式产生器以及远控采集单元。其中通常可以改变的系统参数包括采集点和采样率；增益；帧格式和数据字长。为了将各个远控采集单元放置在各个被采集部位，本系统采用的是分散远置的方法，其具有数个远程控
18、制采集单元。通过地址线、时钟线以及数据线每个远控采集单元能够5与控制器相连。通过地址线以总采样率控制器能够向各个远控采集单元传输信道地址码。微处理单片机数据采集系统的基本结构如下图13。图13微处理单片机数据采集系统构成图124MCU数据采集处理的常用方法数据采集系统通常用来测量和记录两种方式得到的信号，包括由传感器得到的信号以及直接测量的电学量的信号。数据采集应所测得的信号合理地组合在一起，然后将其利用VC显示在计算机上，其中将非电量转换为电量的问题则涉及到传感器的选择与应用问题。通常，我们所采集到的数据，是所测对象的某些物理量经过放大或衰减、编码、传输、采样等之后所表现出来的数据形式。对于
19、数据处理来说，其主要目的是将这些数据形式重新恢复回以前的形式，同时尽可能的表示出它们的变化过程。除此之外，以上各个环节中由于设备性能限制，以及外界干扰的影响，均会多多少少地在采集到的数据引入中产生一定的误差，故而对于数据处理来说，采取各种方法最大限度的消除减少这些误差，以得到更加精确的数据是它的另一项非常重要的目标。除了上面两项重要任务，数据处理还有一项任务，就是数据处理要对数据本身进行一定的变换和加工，从而能够得到某些更能够描述该数据内在特征的二次数据。125MCU数据采集系统的发展随着数据采集系统被广泛的利用，在特定的行业要获得较精确的采样数据，都需要对该系统进行特殊的要求如由于工业现场环
20、境恶劣，很多设备（比如变频器）都是对6数据采集产生很大干扰的干扰源；而且一般的采集器都有多路信号输入，它们地线相连会导致干扰通过地线进入正在采集的信号，使得数据采集不准确，因此数据采集器的抗干扰设计十分重要。所以,在数据采集系统的发展过程中,为满足特定的要求,数据采集系统的发展方向主要由（1）系统抗干扰性,保证获得的数据较精确。（2）实时通信,保证数据处理单元能较快的得到要处理的数据，提高了主机的运行效率。（3）高速数据采集,一般数字信号的获得需要对模拟信号进行采集，这就需要高速、高性能的A/D转换相适应。（4）低功耗性,适合与电池供电和空间受限的工作环境以及便携式场合6。1374LS1387
21、4LS138为3线8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，其74LS138工作原理如下当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/G2A和/G2B）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。74LS138的作用的利用G1、/G2A和/G2B可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。图14用与非门组成的3线8线译码器74LS1387图1574LS138译码器内部电路表33线8线译码器74LS138的功能表无论从逻辑图还是功能表我
22、们都可以看到74LS138的八个输出管脚，任何时刻要么全为高电平1芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出管脚全为高电平1。如果出现两个输出管脚在同一个时间为0的情况，说明该芯片已经损坏。当附加控制门的输出为高电平（S1）时，可由逻辑图写出。8图1774LS138逻辑图由上式可以看出，在同一个时间又是这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。71LS138有三个附加的控制端。当输出为高电平（S1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表3所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译
23、码器的功能。带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在图17电路中如果把作为“数据”输入端（在同一个时间），而将作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把叫做地址输入了。例如当101时，门的输入端除了接至输出端的一个以外全是高电平，因此的数据以反码的形式从输出，而不会被送到其他任何一个输出端上。14本课题的研究目的及意义铅酸蓄电池由法国人普兰特于1859年发明，到目前经历了近150多年的发展历程5。在这1050多年里，人们对它进行了不断的研究改造，使其得到的极大的发展。1881年，富莱于布鲁希用铅的氧化物以及硫酸水溶液混合制成了铅膏涂在了铅
24、板上，较好的防止了活性物质的脱落，而1882年，由于铅俤合金板栅的使用，大大提高了铅酸电池强度，进一步增加了铅酸电池的寿命；接着20世纪20年代发明并使用了胶体电解液；20世纪70年代又成功电解液不冒酸、不溢液、不流动、不需添液加水同时安全免维护的阀控式铅酸蓄电池，其于20世纪90年代成为了铅酸电池的主流2。到目前，阀控式密封铅酸电池经过不断的完善，技术已经趋于了成熟。DC48V铅酸电池放电特性作为电容特性和电压特性，作为供电装置，随运行时间变化，电池的总电压和各单体电池电压有较大区别，而这些参数的变化往往也影响着所供设备的运行状况将工作情况，因此建立数据采集系统，采集其放电过程中的数据，分析
25、其数据变化，对于充分发挥其电能，维持机械正常运行有重要意义。92系统总体方案设计21总体框架设计对于本次电压数据采集系统，其采集对象为DC48V铅酸电池，该电池由24块单体电池组成，每块单体电池电压2V，其完全放电情况下电压可降至15V，而充电完成情况下，电压最高可达至25V。系统设计包括三方面，第一是判定该单体电池对应的编号顺序（该顺序事先由个人排好），第二是测量第一部判定单体电池的电压，第三是采集整个24节电池总电压。整体框架如下图图21采集系统框架在本次采集实验中，我们使用的是芯片为STM32F103RB的ARM芯片，通过该芯片控制外部电路去测试相应的24块电池的某一个电池，再通过该芯片
26、的A/D口接收采集到的对应的单体电池的电压，对于总电压，可通过编辑程序将采集来的各单体电池相加即可得电池组的总电压。其具体介绍如下。1022STM32F103RB芯片介绍图22芯片结构本文所采用的STM32F103RB芯片，其内核采用的是高性能的ARMCORTEXM332位RISC，内置高速存储器，包括128K字节的闪存和20K字节的SRAM,芯片的工作频率是72MHZ，I/O端口十分丰富，同时连接到两条APB总线的外设总共包括了12个ADC、1个PWM定时器以及3个通用的16位定时器，除此之外该芯片还包含了先进和标准的通信接口3个USART接口、2个I2C接口和SPI接口、1USB接口和1C
27、AN接口。另外该供电电压范围在20V至36V之间,温度范围在40C至85C之间、扩展温度范围在40C至105C之间7。211DMA比较灵敏的DMA能够控制存储器到存储器、存储器到设备以及设备到存储器，DMA控制器支持环形缓冲区的管理的数据传输，能够防止控制器发送到缓冲区结尾时所出现的中断状况。DMA用于主要的外设包括以下几种SPI、IC、TIMX、USART、和ADC，基本和高级控制定器后备寄存器与RTC实时时钟又叫RTC,后备寄存器与RTC通过一个开关供电，当供电电压有效时，该开11关选择供电电压供电，不然就用引脚供电。后备寄存器可以用于当关闭供电电压的情况下，保存用户应用数据，数据大小为3
28、0个字节。后备寄存器和实时时钟不会被系统或电源复位源复位；当从待机模式唤醒时，也不会被复位。RTC具有的计数器是连续运行的，其可能够利用一些特定的软件实现日历以及时钟功能，实现该功能后，利用软件其还能实现闹钟中断和阶段性中断等功能。212ADC模拟/数字转换器STM32F103RB的每个ADC共用多达16个外部通道，由于通道数量多，因此其能够实现单次扫描数的转换，而其总共内嵌了2个12位的ADC。ADC接口上的其他逻辑功能包括（1）单次采样（2）交叉的保持和采样（3）同步的保持和采样（4）模拟/数字转换器能够使用DMA由标准定时器（TIM1）所产生的东西，可以分别内部级联到ADC的开始触发和输
29、入触发，应用程序能使AD转换与时钟同步。123硬件部分设计31单体电池电压测量的常见方法针对本课题，我们需要测量铅酸电池组单体电池的电压，从目前的研究情况来看，单体电池电压采集的常用方法包括共模测量法、差模测量法等等。而对于差模测量法通常又分为开关切换法、V/F转换无触电采样法以及浮动地技术测量法。本部分对上述几种方法作了详细的介绍，并针对各自具体的情况指出各自的优缺点及应用情况。311共模测量法对于共模测量法，简单来说就是首先测量单体电池两端的对于某一参考点位的电势差，然后再将两电势差想减即可得该单体电池电压8。在笔记本电脑中常用的电池数据采集方法就是这种方法。下图31所示的就是共模测量法，
30、AD转换芯片只需要将AB两点各自对应的电势差采集到，然后将两点的电势差相减即可获得E1电池的单体电压从原理来说这种方式实现起来是很简单的，但是缺点也很明显，就是精度不够。例如，24节单体电池组成的电池组，其每节电池的标称电压为2V，单节电池测量精度假设为05，那么也就是说单体电池测量的绝对误差为10MV,如果测量整个电池组，则24节串联起来的绝对误差将是154V，对于这样大的误差，在很多情况下事实上是不允许的。因此，这种方法只能应用在单体电池数量较少同时对精度要求不高的情况下。13图31共模测量法312继电器切换采样法对于差模测量法，也就是利用电子或者电器元件来对单体电池进行选通，然后直接测量
31、每一个单体电池，这种方法一般应用在单体电池数量多且对数据测量精度要求较高的环境下。继电器切换采样法就是差模测量方式中的一种传统的效果相对好的继电器采样法电路图如图31所示，该电路是用继电器和大的电解电容来隔离处理的。图32传统继电器切换单体电池电压测量法其基本的工作原理如下首先为了对电解电容进行充电，将开关闭合到1出，然后测量时把开关闭合到2处。把电解电容与铅酸电池分离开来，这样的话测量电解电容上的电压就是铅酸单体电池上的电压了，这个方法从原理来说也很简单，同时价格也不高，不过由于继电器工作起来慢，同时电解电容充放电次数过多，会逐渐降低该系统的可靠性和使用寿命。313开关切换法开关测量法也是差
32、模测量法中的一种，对于该种方法，事实上只需要一块AD采集芯片就可以这种方法仅用一片AD芯片就可以测量所有单体铅酸电池的电压了，其原理图如图33所示，当你需要测量某一单体电池电压时，只需要关闭相应单体电池对应的开关即可联通电路，测出电压。尽管这种方法，十分简单，所需要的费用也很低，但是由于使用了大量的开关，因此其可靠性和精度不高，同时所需要的人力也很多，控制比较困难。14图33开关切换法314V/F转换无触点采样法该方法的原理如下图34所示，同样其也属于差模采集电路，该方法原理如下对于电池组中每节单节电池采用分别采样，取每节电池的端电压经过分压后作为V/F转换的输入，分压电阻的分散性可以通过V/
33、F转换电路调整。V/F转换信号输出通过光电隔离器件送到模拟开关，处理器通过控制模拟开关采集频率信号。数据采集电路与数据处理电路采用光电隔离和变压器隔离技术，实现两者之间电气上的隔离10。对于本方法，其缺点是精度不高，响应的速度低、线性度在小信号范围内比较差。315浮动地测量法一般来说模拟开关的工作电压是比较低的，而由对于电池组来说，其总电压往往能达到很高的电压，因此经常会高于模拟开关的工作电压，故需要使低电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测量正常进行在测量过程中，窗口比较器会自动的判断当前的地电位是否在允许的范围内。如果在合适的范围了，则启动AD进行测量但如果不在合理范围内，则利用控制器启
34、动DA对地电位行浮动控制。该方法具体电路图如下图1535所示。图34V/F转换无触点采样法图35伏地测量法如图所示，每次工作时，先由模拟开关选通使其被测电池两端的电位信号接入测试电路，该信号进入差分放大器的同时，也在进入窗口比较器，进入窗口比较器，该信16号会和固定电位VR比较。最后通过从窗口比较器输出的开关量状态就可识别出当前测量的地电位会不会太高还是太低，还是测量的结果刚好在合理范围内相对于VR对于这种方法虽尽管其测量精度很高，但是由于地电位经常会受到现场环境的影响，因此对地电位控制也就不能达到是很精确的地步，因此也就会影响整个系统的测量精度。32电池端压测量研究设计本文使用的测量方法是直
35、接测量法，即给24节单体铅酸电池分别个配一个AD转换芯片，总共24块，通过AD转换芯片的A/D转换功能将电池的电压信号转换成电压数字信号，为了测量的精度考虑，再在电路与单片机间加一光耦电路，经过光祸隔离，再将数字信号送入到芯片STM32F103RB中处理。示意图如图36所示本文所采用的AD转换芯片是ADC7888，该芯片具有8位的串行转换，同时带内部电压基准，该转换芯片具有用法简单，且能够和同系列的10位、12位AD转换芯片管脚完全兼容等等优点。图36本文所用的直接采样示意图在上图36中单片机向AD转换芯片发送控制和时钟信号，AD转换芯片向单片机传送转换结果，中间单片机通过光耦电路和ADC78
36、88芯片进行电气隔离并接收数字信号。321端压测量设计每一节单体电池的测量电路如图37所示17图37单节电池测量图在图37中U29A表示的是运放LM358，它的供电电压从3V到30V，范围十分的广泛，该运放将电路的输出电压的全部反馈给反相输入端，从而形成了上图37中的电压跟随器。电路所引入的电压串联负反馈的反馈系数等于1，因此其输出电压等于输入的电压。由于ADC7888转换芯片的供电电压范围在235V515V11，这里我们设定其供电电压为5V。为了使得24节铅酸电池对应的每片ADC7888转换芯片的供电电压一致，本设计利用了稳压管LM4O40的输出做为转换芯片ADC7888的供电电压。由于每节
37、铅酸电池电压范围在15V到25V之间，故不需要分压。设定LM358的供电输入为5V，同样经过三端稳压管后接到运放LM358的VCC端上。在这里需要注意的一点是，由于24节铅酸电池串联后，总电压较大，同时每节电池的参考电压电位都不一样，因此不能将所有的LM358的VCC端都接到一起，正确的做法是将其接到相应的每节单体铅酸电池的负端。18图38译码器扩展图19322内心芯片选通信号的产生在本文研究的数据采集系统中，每个采集系统需要采集24节单体电池的电压信号，而我们所采用的控制单元STM32F103RB的I/O口资源十分有限。系统需要对STM32F103RB进行I/O扩展。本文采用的是译码法，采用
38、的译码器是74LS138，每片译码器能够相应的选择8个地址，所以3块74LS138译码器就可以控制24个电压数据。采样原理图如图38所示。STM32芯片的PA3、PA4、PA5口用来产生第1到第8节铅酸电池的片选信号然后PA6、PA7、PA8接口用来产生第9到第16节铅酸电池的片选信号最后利用PA9、PA10、PA11接口来产生第17到第24节单体电池的片选信号。将STM32F103RB的PA12设置为所有4片译码器的使能端G2，G1端直接连VCC，只有当G2为电平时，该译码器才能够工作。表4是74LS138译码器相应的真值表，从该表中我们可以看出，如果选中了哪一节电池，则由译码器所给出的对应
39、地电平信号为低电平。输入输入使能选择G1G2CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7XLHHHHHHHHHXLLLLLLLLXXLLLLHHHHXXLLHHLLHHXXLHLHLHLHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHHL表474LS138真值表12本来能够利用该信号作为ADC7588的选通信号，但每节单体电池的负极由于不是连接在一起，同时在电池与单片机之间也需要进行相应的隔离，所以本设计采用了TLP5214来进行控制芯片与外部电路的光耦隔离。由于一共有24节单体电池，所以需
40、要6片对应地TLP5214，每片中有4个光耦单元。该光耦隔离的原理图如图39例如选通了第一节单体电池，则其对应的译码器端口将会被拉低，C1变为低电平，二极管与副边三极管也将同时导通，CS1信号瞬间将会被拉到B12，第一片的转换芯片ADC7888被选通，然后开始工作。20323采集时钟信号图39ADC7888转换芯片片选信号的产生21图310时钟信号的产生22由于每片转换芯片ADC7888都需要一个时钟信号，然而每一块ADC7888转换芯片又都是没有共地的，所以依然需要24路时钟信号。在这里，我们将STM32芯片的PC1端口固定设置为时钟信号的发生端口，在光耦的原边一起发送CLOCK信号，至于采
41、样哪节单体电池的电压信号，则是由选通信号控制。在光耦副边，发射极接在对应的每节单体电池的负端。其原理如图310所示。小结相对于其他的外部采集电路来说，本系统所设计的方案不仅采样的精度高，同时单片机控制系统与电池组通过光耦和进行了隔离，非常的安全可靠。当然，由于每节单体电池的电压采集都使用了一片相应的AD转换芯片，因此其成本也较高。但是，也由于这种采用每块转换芯片采集电压的方法精度很高，允许利用较低精度的较便宜的AD转换芯片，因而该系统的整体价格仍然可以控制在比较合理的，能够接受的范围之内。234软件部分设计311采样流程图采样部分的软件流程图如图311所示，采样控制器控制了24个AD转换芯片对
42、24路信号进行一个一个单独的采样，同时将数据存放到指定的的数据单元。采样不断进行直到遇到串行中断程序，其中中断子程序将会让所有的采样数据按照上位机的要求传输到上位机的通讯程序中。程序我们是通过DMA端口来读取ADC的结果的，具体的设计程序如下VOIDADC_LNITVOIDGPIOACRLOXOOOOOOOFSETPINLANALOGINPUTSEESTM32INITCRCCAHBENRL1CMARUNSIGNEDLONG/SETCHNLMEMORYADDRESS/DMA_CHANNELLCPARUNSIGNEDLONG/SETCHNLPERIPHERAL24ADDRESSDMA_CHANNE
43、LLCNDTR3/TRANSMIT3WORDS/DMA_CHANNELLCCROX00002520/CONFIGUREDMACHANNEL1DMA_CHANNELLCCROX000025AO/CONFIGUREDMACHANNEL1/CIRCULARMODE,MEMORYINCREMENTMODE/MEMORY/ENABLEDMACHANNEL/RCCAPB2ENRL19/ENABLEPERIPERALCLOCKFORADCL/ADCLSQRLOX00200000/ATTHREECONVERSIONS/ADCLSQR3310I25I10/SETORDERTOCHNLCHN2CHN3/ADCLS
44、MPR259I56I53/SETSAMPLETIME55,5CYCLES/ADCLCRLEXOEOOEIOO/USEINDEPENDANTMODE,SCANMODE/ADCLCR2OXOOOE0103/DATAALIGNRIGHT,CONTCONVERSION/EXTSELSWSTART/ENABLEADC,DMAMODE/ADCLCR21OX00500000/STARTSWCONVERSION/25轶件运后,我们调节电位器R7在液HBH屏上可以看到电压显示。265总结及展望51总结本文围绕铅酸电池及其电压数据采集进行了比较全面的了解以及研究，主要内容包括以下几方面（1）本文对铅酸电池发展历史
45、和现状做了比较细致的介绍，包括其在国内的发展现状及国外的发展情况，从中可以看出，在中国国内，铅酸电池生产量巨大，并且依然拥有着巨大的发展前景，但同时，在巨大铅酸电池产量下，环境污染以及铅能源的短缺也就此产生，因此按照可持续发展以及对环境的保护，我们应该学习国外的铅回收制度和技术，这样才能更好的合理的发展铅酸电池。（2）在我国铅酸电池产量及利用巨大的背景下，对铅酸电池性能的研究也成为了关注的焦点，针对铅酸电池的应用，我们设计了一种DC48V的铅酸电池的电压数据采集系统，整个系统分两大部分硬件部分和软件部分。硬件部分，建立外部电路，首先通过STM32F103RB芯片控制3块三八译码器，然后用过3块
46、三八译码器控制24块单片机分别正对24块单体电池进行电压的采集。软件方面，利用KEILC软件，针对STM32F103RB芯片和三八译码器，建立相应的中断控制程序以及电压采集程序。相对于其他的外部采集电路来说，本系统所设计的方案不仅采样的精度高，同时单片机控制系统与电池组通过光耦和进行了隔离，非常的安全可靠。当然，由于每节单体电池的电压采集都使用了一片相应的AD转换芯片，因此其成本也较高。但是，也由于这种采用每块转换芯片采集电压的方法精度很高，允许利用较低精度的较便宜的AD转换芯片，因而该系统的整体价格仍然可以控制在比较合理的，能够接受的范围之内。52展望“十二五”至2020年这段时期是我国坚持
47、可持续发展，加大推进循环经济发展，实现工业新型化，建立资源节约型和环境保护型社会的重要时刻。在这段时间，国民经济稳定健康快速发展给新能源和电动汽车产业带来了很好的环境基础。在十二五期间，我国的铅酸蓄电池产业的主要发展领域包括如下一些方面，可再生能源领域和新能源领域，产业结构和生产秩序领域，以及技术创新领域等等。近年来对于铅酸电池的数据采集系统的开发研究已经越来越成熟，其被广泛应用于铅酸电池工作的各种场合，如电动汽车中，因此也对电动汽车的产业化进程起到的很大的推动作用。由于本人知识有限，故本文的系统设计依然需要进一步的改善，首先是配备的单片27机过多，其费用成本也较高，不适合于大规模广泛的应用，
48、另一方面，使用过多的单片机和译码器也导致了电路比较的复杂，这对以后电路的检查维修也带来了较大的麻烦，所以下一步也需要做一个比较完善的电路检测装置，以方便随时检查电路的工作稳定情况。28参考文献1陈红，重新认识铅酸电池技术进步明显成本优势依旧HTTP/AUTOQQCOM/A/20100713/000300HTMOL，2010年07月13日2李超铅酸电池前景光明J中国金属通报，2010年第20期4375623王伟祯铅酸电池行业概况中国电池工业协会高工曹国庆演讲摘要J绿色动力，20102082214钱晓捷微机原理与接口技术基于IA32处理器和32位汇编语言M机械工业出版社20103565杨绍国微机原
49、理、接口与网络实用技术M成都电子科技大学出版社1996年9月6顾淑平微机原理及MCS51单片机应用M北京煤炭工业出版社199155767陈玉璞刘福彦铅酸电池研究现状J沈阳师范学院学报，19982372528唐元春基于单片机控制的铅酸电池充电器J电源世界，2008971109孙德文,叶春微机原理及其应用M上海上海交通大学出版社19911238710方立友微机原理与汇编语言实用教程M北京清华大学出版社200743111何小海,严华微机原理与接口技术M北京科学出版社200642012刘力基于单片机的健身器数据采集与分析系统设计J机电产品开发与创新，2010646913郑贤标姜伟周见行裘信国基于PROTEUS的单片机数据采集系统仿真J机电工程，2010第1期576214史晓楠使用C8051F32X带USB接口的单片机进行数据采集和USB接口通信一C8051F32X主要性能及I/O口应用实例J,PRACTICALELECTRONICS,2010年01期435215李国勇俞达石刚杨明基于CAN总线的数据采集系统设计J,仪表技术,2010年01期13714016JESSVALENCIANO,FRANCISCOTRINIDAD,MELCHORFERNNDEZTHEINFLUENCEOF
