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单片机为核心 其工作性能
2、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 目录 目录 摘 要 I Abstract .II1 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 2.3 模数转换芯片 A
3、DC0809 . 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 . 37 附录 2 蓄电池智能
4、检测 PCB 图设计 . 38 附录 3 蓄电池智能检测程序设计. 39 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
5、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
6、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
7、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。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
8、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 120Ah意味着电池 120Ah20h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
9、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 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
10、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
11、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。 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
12、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
13、 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
14、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。 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 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
15、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。
16、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-
17、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FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低功耗、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 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
18、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 510.2V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
19、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。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 F
20、LASH 编程和校验时P1 口作为 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 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
21、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.
22、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 河北工程大学毕业设计说明书 8 节。在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲。在平时ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的
23、是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时 ALE 只有在执行 MOVXMOVC指令是 ALE才起作用。另外 该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效。 /PSEN 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间 每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时 这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP 当/EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时/EA 将内部锁定为 RESET 当/EA
24、端保持高电平时 此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源VPP 。 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 TAL2 来自反向振荡器的输出。 2.2 液晶显示芯片 LCD1602 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点 在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 字符型液晶显示模块是专门用于显示字母、数字、符号等点阵 LCD 这里介绍的字符型液晶模块是一种用 57 点阵图形来显示字符的液晶显示器 根据显示的内容可以分为 1 行 16 个字、2 行 16 个字、2 行 20 个字等。 1602 液晶模块
25、内部的字符发生存储器 CGROM) 已经存储了 160 个不同的点阵字符图形。这些字符有 阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等 每一个字符都有一个固定的代码 比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B41H 显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来 我们就能看到字母“A” 。 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。说明1 为高电平、0 为低电平 指令 1 清显示 指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置 指令 2 光标复位 光标返回到地址 00H 指令 3 光标和显示模式设置 I/D
26、 光标移动方向 高电平右移 低电 平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效 低电平则无效 指令 4 显示开关控制。D 控制整体显示的开与关 高电平表示开显示 低电平表示关显示 C 控制光标的开与关 高电平表示有光标 低电平表示无光标 B 控制光标 9 是否闪烁 高电平闪烁 低电平不闪烁 。 指令 5 光标或显示移位 S/C 高电平时移动显示的文字 低电平时移动光标。指令 6 功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线 低电平时为 8 位总线。 指令 7 字符发生器 RAM 地址设置。 指令 8DDRAM 地址设置。 指令 9 读忙信号和光标地址 BF 为忙标志位 高电平表示忙
27、 此时模块不能接收命令或者数据 如果为低电平表示不忙。 指令 10 写数据。 指令 11 读数据。 N 低电平时为单行显示 高电平时双行显示。 F: 低电平时显示 5x7 的点阵字符 高电平时显示 5x10 的点阵字符 有些模块是 DL 高电平时为 8 位总线 低电平时为 4 位总线。 LCD1602 的操作控制表如下 2-3 表所示 表 2-3 1602 操作控制表 操作控制表操作 读状态 写指令 读数据 写数据 输入 RS=0 RW=1 E=1 RS=0 RW=0 D07=指令码E=H 脉冲 RS=1 RW=1 E=1 RS=1 RW=0 D07=数据E=H 脉冲 LCD1602 采用标准
28、 16 脚 带背光 接口 如下图 2-2 所示。 图 2-2 LCD1602 引脚 河北工程大学毕业设计说明书 10 LCD1602 各引脚功能如下 VSSVSS 为电源地。 VDDVDD 接 5V 电源正极。 V0V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源时对比度最高 对比度过高时会产生“鬼影” 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 。 RSRS 为寄存器选择 高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 RWRW 为读写信号线 高电平(1)时进行读操作 低电平(0)时进行写操作。当RS 和RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS
29、 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据。 E(或 EN)E( 或 EN)端为使能(enable)端,当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令。 D0D7D0D7 为 8 位双向数据端。 BLABLA 为背光正极。 BLKBLK 为背光负极。 2.3 模数转换芯片 ADC0809 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器 可以和单片机直接接口。它的主要特点如下 逐次比较型 单电源供电 具有三态输出锁存 输出 TTL 兼容 无需外部进行 0
30、点和满度调整8 位分辨率 最大非线性误差0.4LSB 。 ADC0809 的内部逻辑结构如下图 2-3 所示ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量 当 OE 端为高电平时 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 河北工程大学毕业设计说明书 11 图 2-3 ADC0809 内部结构逻辑 ADC0809 的工作过程:首先输入 3 位地址 并使 ALE=1 将地址存入地址锁存器中此地址经译码选通
31、 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位下降沿启动 AD 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 直到AD 转换完成EOC 变为高电平 指示 AD 转换结束 结果数据已存入锁存器 这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时 输出三态门打开 转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成 因为只有确认完成后 才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 1 定时传送方式 对于一种 A/D 转换其来说 转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC
32、0809 转换时间为 128s 相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器周期。可据此设计一个延时子程序A/D 转换启动后即调用此子程序 延迟时间一到 转换肯定已经完成了 接着就可进行数据传送。 2 查询方式 A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号 例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查询方式 测试 EOC 的状态 即可确认转换是否完成 并接着进行数据传送。 3 中断方式 把表明转换完成的状态信号EOC 作为中断请求信号 以中断方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式 只要一旦确定转换完成 即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时OE 信号即有效 把
33、转换数据送上数据总线 供单片机接 河北工程大学毕业设计说明书 12 受。 如下图 2-4 所示是 ADC0809 引脚结构图 图 2-4 ADC0809 引脚图 ADC0809 各脚功能如下 D7-D08 位数字量输出引脚。 IN0-IN78 位模拟量输入引脚。 VCC+5V 工作电压。 GND 地。 REF+ 参考电压正端。 REF- 参考电压负端。 STARTA/D 转换启动信号输入端。 ALE 地址锁存允许信号输入端。 以上两种信号用于启动 A/D 转换 。 EOC 转换结束信号输出引脚 开始转换时为低电平 当转换结束时为高电平。 OE 输出允许控制端 用以打开三态数据输出锁存器。 C
34、LK 时钟信号输入端 一般为 500KHz 。 A、B、C 地址输入线。 2.4 锁存器扩展并行输出口 74LS373 74LS373 为三态输出的 8D 透明锁存器, 373 的输出端 O0O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时O0O7 为正常逻辑状态 可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时O0O7 呈高阻态 即不驱动总线 也不为总线的负载 但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时O随数据 D 而变。当 LE 为低电平时O 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触 河北工程大学毕业设计说明书 13 发器的输入滞后作用使交流和直流噪声抗扰度
35、被改善 400mV。下图 2-6 所示为74LS373 的引脚图 图 2-6 74LS373 引脚图 74LS373 的引脚功能说明如下 VCC+5V 工作电压。 GND 地。 1D8D8 位数据输入端。 E 三态允许控制端 低电平有效 。 LE 锁存允许端。 1Q8Q:8 位数据输出锁存端。 如下图 2-6 所示为 74LS373 的内部逻辑图。 河北工程大学毕业设计说明书 14 图 2-6 74LS373 的内部逻辑图 2.5 电平转换芯片 MAX232 MAX232 接收器的输入为 RS232 电平 输出为TTL/CMOS 电平。不使用的输入输出端可以悬空。其输入端内置 5K 的下拉电
36、阻 当输入端悬空时 被下拉至低电平经过反相器 输出端为高电平。MAX232 的引脚分布如图 2-7 所示。 图 2-7 MAX232引脚图 河北工程大学毕业设计说明书 15 MAX232 的引脚功能说明如下 T1IN、T1OUT 发送器 T1 输入、输出端。 T2IN、T2OUT 发送器 T2 输入、输出端。 R1IN、R1OUT 接收器 R1 输入、输出端。 R2IN、R2OUT 接收器 R2 输入、输出端。 C1+、C1-MAX232 正电压倍增器 0.1f 电容正负连接端。 C2+、C2-MAX232 负电压倍增器 0.1f 电容正负连接端。 V+、V-MAX232 电平正负输出端口
37、正端通过 0.1f 电容接至 VCC 负端通过0.1f电容接地。 MAX232 含有两个 RS-232 发送驱动器和接受驱动器 其中发送器的输入为TTL/CMOS电平 输出为 RS-232 电平。当 MAX232 的工作电压为+5V,而 RS-232 接收端负载为 5K时 发送器的输出电压为8V 左右 空载时在V+-0.6V- 之间变化。MAX232 的两个发送器若只用一个发送器 另一个发送器输入输出端可以悬空。从 MAX232 的组成原理图 2-8 可以看出 发送器的输入端内置 400K 的上拉电阻 当输入端悬空时被上拉至 Vcc 经过反相器 输出端为低电平。上拉电阻耗电仅为 15A 所以悬
38、空时的功耗很低。 图 2-8 MAX232 的结构组成 河北工程大学毕业设计说明书 16 3 硬件部分设计 蓄电池作为交通工具的后备电源 在整个交通工具供电系统中起着非常重要的作用 主要体现为在启动柴油机时 供给起动马达电流 使起动马达转动来带动柴油机起动 当柴油机停止转动或缓慢转动 发电机不能供电给各用电设备时 可由蓄电池供电当发电机转速较高时 吸储发电机所发出的过剩电能 以备后用。 铅酸蓄电池自身特性要求 外部尺寸 高 1093mm 长 656mm 宽 366mm 重量5kg士 688 甙块) 极板 正极 46 块 负极 48 块 电解液 采用密度 1270 士00059cm 的稀硫酸溶
39、液 液面位于极板上的高度为 601mm 最高为 75ram 充好电的蓄电池电势约为 2122V 蓄电池内最高工作温度可达 500 度。 由以上我们可以看出来 我们设计的系统要满足交通工具的需要 因为交通工具蓄电池本身数量多 体积大 并且要求系统要足够的稳定和可靠 可以在交通工具上相对恶劣的环境中正常运行。因此我们设计的系统 应用运行稳定的配件 数据连接上位机存储空间大 放弃传统的检测密度的方法 进行电压标定估算电池剩余电量极大的简化了硬件系统。 3.1 硬件部分原理框图 为了方便安装调试和维护 因此要求检测系统的体积相对比较小 结构比较简单如图 3-1 所示 电池的电压检测参数被检测后再经过
40、A/D 模数转换输入到主控制器 由主控制器进行相应的数据处理之后送到 LCD 显示电路进行电压数据的实时数据显示 通讯电路连接单片机与 PC 机 实现它们之间的数据通讯。留出的数据输出端口用于连接单片机和设计当中所用到的其他功能器件。 图 3-1 主机流程 主控制器AT89C51电压 A/D 转换电路8 位 I/O 口LCD 显示电路复位电路通讯电路 河北工程大学毕业设计说明书 17 数据采集流程图如图 3-2 所示蓄电池作为被控对象经检测元件采集后将物理量传给传感器 由传感器通过信号处理将物理信号转换为电信号传给 A/D 转换器再有 A/D转换器将模拟的电信号转换成数字信号后直接送到单片机
41、。因此我们可以看出在电压数据采集的过程中经过的两次信号的转变 用到了两种转换器件 传感器和 A/D转换器。 图 3-2 数据采集流程 电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器 其特点是可为专用集成电路ASIC 、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。 一般来说 这类模块称为负载点 (POL) 电源供应系统或使用点电源供应系统 (PUPS)。由于模块式结构的优点甚多 因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。 尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供
42、电系统的不断推广,模块电源的增幅已经超出了一次电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用,模块电源功率密度越来越大,转换效率越来越高,应用也越来越简单。 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件 边开发开关变频技术两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类DC/DC变换器现已实现模块化 且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化并已得到用户的认可 但 AC/DC 的模块化 因其自身的特性使得在模块化的进程中遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 本设计中所用到的电源电路如
43、下图 3-3 所示 由一个变压器 T、一个 IN4007 型号的整流桥 VD、一个 220/25V 的电解电容 C2 和一个 12V 的稳压管 DW 构成。电路功能220V交流电压经过变压器 T 降压、整流桥 VD 整流、电解电容 C2 滤波、稳压管 DW 稳压后输出稳定的 5V 直流电压供控制电路工作。 被控对象A/D 转换器传感器CPU物理量电信号数字信号 河北工程大学毕业设计说明书 18 图 3-3 电源电路 系统主机部分蓄电池智能检测总体电路原理图设计见附录 1 所示 电路 PCB 图设计见附录 2 所示。设计的主电路图的核心部分采用的是单片机 AT89C51 检测出的模拟电压值经过
44、分压电路后直接送到 A/D 转换器 ADC0809 进行模数转换 经单片机数据处理后送到 LCD 进行显示。检测出的主要数据电压值 既可以在 LCD 上显示 也可以通过和单片机相连的 MAX232 接口上传 PC 机进行数据显示与存储。 3.2 最小系统电路 单片机最小系统是在以 MCS-51 单片机为基础上扩展 使其能更方便地运用于测试系统中 不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点 而且可以大幅度提高被测试的技术指标 从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点 称为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件 在工业生产中称为必不可少的器件
45、 尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。 目前的单片机开发系统只能够仿真单片机 却没有给用户提供一个通用的最小系统。根据设计的要求 需要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。其应用特点是 全部 I/O 口线均可供用户使用 内部存储器容量有限 只有4KB 地址空间 应用系统开发具有特殊性。 本设计中主控机系统采用了 Atmel 公司生产的 AT89C51 单片机 芯片本身就是一个最小系统。在能满足系统打性能要求的情况下 可优先考虑采用此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用 AT89C51 单片机构成最小系统时只要将单片机接上复位电路和晶振电路即可。单片机最小系统电路图 3-4
46、 所示。 220C225VDW12VVDIN4007T220V 河北工程大学毕业设计说明书 19 图 3-4 单片机最小系统图 在单片机的最小系统中有 4 个双向的 8 位并行 I/O 端口 分别记作 P0、P1、P2、P3 都可以用于数据的输出和输入P3 口具有第二功能为系统提供一些控制信号。 时钟电路用于产生 MCS-51 单片机工作所必须的时钟控制信号 内部电路在时钟信号的控制下 严格地按时序指令工作。MCS-51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器 该高增益反向放大器的输入端为芯片的引脚 XTAL1 输出端为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容 就构成了一个稳定的
47、自激振荡器。电路中的微调电容通常选择为 30pF 左右 该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率为 11.0592MHz。 AT89C51 的复位端是一个史密特触发输入 高电平有效。复位电路实现复位是利用电容充电来完成的。当按键按下的接电瞬间RST 端得电位与 VCC 相同随着充电电流的减少RST 的电位逐渐下降 只要保证 RST 端若由低电平上升到高电平并持续两个机器周期 即 24 个晶振周期 系统将实现一次复位操作。电路中通常选择C3=10F, R1=200,R2=10K.80C51 单片机复位的目的是使 CPU 和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态 并从这个状态开始工作。复位后 河北工程大学毕业设计说明书 2
