基于单片机的蓄电池监测专业系统设计.doc

1 引言蓄电池作为一个供电方便、安全可靠直流电源广泛应用于电力、石化、通讯等领域，为取得较高电压，常见多节蓄电池串联工作方法。因为单体蓄电池特征差异，在运行一段时间后，电池组中部分电池性能变差，进而失效，造成电池组整体性能下降，造成整个系统可靠性降低，且蓄电池是一个化学反应装置，内部化学反应不易立即发觉，所以有必需对蓄电池运行状态进行实时在线监测。1.1 本课题研究意义铅酸蓄电池(Lead Acid Battery，LAB)作为一个化学电源，自1860年普兰特(Plante)首次发明了实用蓄电池以来，尤其是多年来伴随阀控式铅酸蓄电池(Valve Regulated LAB，VRLAB)出现，蓄电池以其价格低廉、易于浮充使用、电能效率高、电源独立性好、可移动等优点被广泛应用于发电厂、变电站、邮电通讯系统、汽车、船舶、铁路客车等各个领域。在UPS系统中，蓄电池组作为储能元件，是系统极其关键组成部分，它优劣直接关系到整个UPS系统可靠性，然而蓄电池却是整个UPS系统中平均无故障时间最短器件。现在伴随国民经济快速发展，电力系统和通信系统发挥着越来越关键作用，由蓄电池组、充电浮充电装置和馈电支路开关和熔断器等组成直流系统是发电厂、变电站和通信基站中一个关键组成部分，其工作情况好坏直接影响到电力系统和通信系统安全、可靠和高效运行。而蓄电池组作为直流系统向外供电唯一设备，为电力系统和通信系统中信号装置、继电保护装置和控制装置等关键负载提供工作电源，其性能好坏直接关系到电力系统和通信系统安全可靠性。所以为了确保用电设备即使在交流电源全部中止情况下也能正常安全连续运行，必需确保蓄电池组运行状态性能良好，在发生火电中止时能够有足够放电容量，所以重视和加强对蓄电池维护工作，尤其是对蓄电池实施实时在线监测意义重大。11.2 中国外发展情况伴随科学技术发展，尤其是单片机和计算机在智能化控制方面应用，和在变电站综合自动化系统等方面研究深入，相关蓄电池自动化监测问题也提到日程上来。近几年以来，大家开始研究蓄电池自动化监测。蓄电池监测系统中，关键内容是对单电池电压监测。其中，相关温度和电流测量全部属常规测量，而且在这些方面测量技术全部已成熟。在电压测量方法上，对单个电压量测量方法很简单。其中，最关键是怎样测量电池组中串联在一起单体电池电压。在处理怎样测量单体电池电压问题上，大家进行了大量研究工作。有些人提出用继电器来切换电池组中每只电池。用触点式继电器切换缺点是：体积大、成本高、寿命短、速度慢，且其电压值计算比较麻烦；有些人提出另外一个方法：在多路输入信号选择上采取模拟开关进行选通，在模拟信号转换上采取可编程定时器V/F转换器。其中，在处理输入信号电压高于芯片最大工作电压问题上存在技术难点，且采取V/F 转换作为A/D转换器。其缺点是响应速度慢、在小信号范围内线性度差、精度低。相关在线测量单只电池电压方法，还有些人提出用光电隔离器件和大电解电容器组成采样，保持电路来测量蓄电池组中单只电池电压。此电路缺点是：在A/D转换过程中，电容上电压能发生改变，使其精度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯片等器件动作延迟等原因，决定采样时间长等缺点。中国研制并投产ZXJ24/2-1型蓄电池组智能监测仪，采取浮动地技术测量蓄电池组中各单体电池电压，测量结果比较正确，但也存在模拟开关切换和各器件不一致性问题对浮动地电位影响，从而使测量结果偏差加大2。美国BMS（Battery Monitoring System）蓄电池监测系统技术发展于电力应用工业。1989年，美国电力研究所和国家电能研究企业合作，共同研究了无人值守场站（PBWC）铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。经过4年研究和开发，耗资200万美元，于1994年完成样机现场试验。测定参数包含：电池组电压、单体电压、（浮充电）维持电流、电池内部温度、电池组环境温度、电解液比重、电解液液面高度和电极利用情况等。其方法是采取安装在每一只电池上多传感器电池监测模块（叫“电池监测器”，是真空密封）。这种模块经过光缆将状态数据传输到蓄电池组监测器，每一电池组监测器可监测256个单电池。远程控制中心经过MODEMS和公用电话线对电池组监测器进行监测，可监测电池组监测器数量不受限制。控制中心PC机能定时查询全部运行组监测器，下载并处理储存数据，存放和显示电池状态及其趋势信息，能取得每一节电池参数。3其关键特征是利用特定传感器对电池组每个电池进行独立监测。单电池电压测量是使用传统一个直接带有稳压A/D转换器。电池组电压测量是用一个和电池组连接滑动变阻器和带有稳压参考A/D转换器（由电池组供电）。电池组电流测量用霍尔效应磁域传感器来测量。电池内部温度测量通常是用直接和电池壁接触固态集成电路温度传感器来测量，而且同外部环境如气流和阳光这么热效应隔离。电池组温度测量是用一样装置来测量。为了描述电池组周围空气平均温度，传感器通常在电池组支架上。此项研究结果应用于电厂、变电站、通信、电动车辆及医疗等领域。相关BMS蓄电池监测有多个监测目标。所以，监测关键也有差异，在监测方法和手段上大家进行了大量研究和探索。在圣巴巴拉某区电车上，使用了VRLA蓄电池作为电源。4同时在蓄电池上安装有BMS蓄电池监测系统，以评价蓄电池运行情况。BMS能够向操作人员提供相关剩下电量信息及电池性能靠近极限状态时报警状态。一样关键是，为对电池状态进行分析和维护，将数据进行统计。这里使用电池单电压是12V。此BMS数据采集系统包含16路单电压通道、测量一个显示电池温度及环境温度4路温度通道、电池组电压和电流通道。A/D采样速率是每秒40个采样点，精度好于0.1%。电源供电部分使用了DC/DC变换器。此BMS经过取得电池数据来分析电池和车辆运行情况。在韩国，有些人研究光伏系统中蓄电池状态监测。铅酸蓄电池作为独立光伏系统能量储存设备，可预防过分放电和过分充电，对延长整个系统服务寿命很关键。蓄电池组监测内容有：单电池电压、电池组电压、经过电池组电流及电解液比重等。每一个被选择单电池电压使用一个便携式数据采集系统监测。这个系统中有一个20个通道扫描器、一个数字多路选择器及一个笔记本电脑。电解液比重是经过数字比重计测量。研究监测系统不仅要监测以上这些内容，而且采取了一个“电流中止技术”，以测量电池组充电时电池内部电阻。依据单电压和电流关系，经过连续测量内部电阻以监测电池老化趋势。5国外有些人研究VMS（VRLA Battery Management System）阀控密封铅酸蓄电池管理系统。这个管理系统不是简单监测蓄电池，而是设计成含有管理和控制蓄电池功效。此系统目标是改变蓄电池“恒压充电”方法。因为恒压充电方法不能满足不一样蓄电池所需不一样充电电流。系统监测内容包含：单电池电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中测量电池组总电压。VMS中包含了BMS，它是在监测基础上对蓄电池进行分析，并进行管理和控制。这么更有利于对蓄电池维护，延长蓄电池使用寿命6。1.3 蓄电池组管理系统功效蓄电池电池组监测系统要负担电池组系统管理，首先确保电池组正常运做，显示电池动态响应并立即报警，使操作人员随时全部能掌握蓄电池情况。其次要避免出现意想不到多种事故。蓄电池电池组监测系统通常采取优异微处理器进行控制，经过标准通讯接口和控制模块对电池组进行管理，它基础功效包含以下多个方面内容：1)蓄电池电池组管理监视电池组双向总电压和电流、电池组温升，并经过液晶或其它显示装置，动态显示总电压、电流、温升改变，避免电池组过放，使电池组不会受到人为损坏。2)单节电池管理对电池组中单节电池管理，能够立即发觉单节电池电状态，对单节电池动态电压和温度改变进行实时测量，方便立即发觉单节电池存在问题，并采取有效防范方法。3)剩下电量估量和故障诊疗电池组监测系统应含有对剩下电量估量和故障诊疗功效，能够有效地反应和显示剩下电量，能够早期预报动力电池组故障和隐患。2 设计要求及系统框图2.1 控制要求UPS电源是电力、通信、银行等行业必备电源，要求其稳定可靠。蓄电池是UPS系统关键组成部分，它优劣直接关系到整个UPS系统可靠性。正确估计蓄电池临界失效期,对提升UPS系统可靠性含相关键意义。本设计是基于单片机蓄电池在线监测电路系统设计。其关键任务是完成蓄电池各个参数（电压、电流、温度、剩下电量）采集，而且能够显示输出，当各参数超限时，产生声光报警。设计过程中要有理论分析，选择适宜器件；利用Protel绘制电路；编辑对应程序；经过仿真器来测试系统可行性；根据学校相关文件要求完成毕业设计前期材料。2.2 系统框图 蓄电池监测系统最基础作用是监测电池工作状态：电池电压、电流和温度，估计蓄电池SOC，管理电池工作情况，避免出现过放电、过热，对出现故障应能立即报警，方便最大程度地利用电池存放能力和循环寿命。依据系统需求分析，设计关键分为两部分：数据采集和数据处理，这两部分全部需要硬件和软件相互配合才能完成。蓄电池电压、电流及温度等数据参数经采样电路得到后送单片机，经单片机运算处理，进行LCD显示、和上位机通讯等操作。信号采样电路选择DS2438蓄电池监测专用芯片，对单体电池电压、电流、温度等信号参数进行测量；单片机经过连接键盘，能够设置产生报警限值，同时能够实现显示数据切换；当参数值超限时，自动进行声光报警。设计中加入硬件看门狗电路，进行保护。结构框图图2.1所表示。电池电压、电流、温度等信号采集电路89C51 单 片 机键盘单元LCD显示电路声光报警输出单元串行通讯接口看门狗电路图2.1 系统框图本设计中模块单元功效以下：1)单体电池电压、电流、温度等信号采集电路：将被监测蓄电池单体电池电压、温度等信号进行采集，而且送到单片机内；2)键盘单元：设定报警上下限值，并对显示内容进行切换；3)89C51单片机：对接收到二进制信号进行对应处理，并产生对应控制信号；4)LCD显示电路：显示电压、电流、温度等参数值；5)报警输出单元：当所测数据超出上限值或低于下限值时，产生声光报警；6)串行通讯接口：实现和上位机通信连接； 7)看门狗电路：对单片机系统进行保护。 3 系统硬件设计针对12V蓄电池系统进行设计，考虑到应尽可能降低成本和避免复杂硬件电路，主控器采取低功耗、高性能CMOS8位单片机AT89C51；信号采集单元采取专用蓄电池监测芯片DS2438,芯片为单总线结构，大大简化了采样电路；工作所需要+5V电源是经过蓄电池单体电压经过三端稳压器LM7805得到；显示器选择1602字符型液晶显示器；选择发光二极管和蜂鸣器实现报警输出，操作人员能够经过系统中键盘来设定报警限值，和显示数据切换；看门狗电路选择X25045芯片；单片机能够将采集到数据经过串行接口电路送到PC机进行数据显示。所以本设计硬件系统分为5个模块：单片机最小系统、信号采集电路、显示电路、声光报警和键盘电路、看门狗保护电路。下面对硬件电路作具体设计。3.1 单片机最小系统AT89C51单片机芯片内集成了计算机基础功效部件，已含有了很强功效。一块芯片就是外加振荡电路和复位电路就是一个完整最小微机系统，连线图图3.1所表示。图3.1 最小系统接线图3.1.1 微处理器介绍本系统中微控制器采取了AT89C51，AT89C51是美国ATMEL企业生产，其内部包含一个8位80C51微处理器(CPU)、256字节数据存放器RAM/SFR、4K程序存放器Flash ROM、4个8位并行I/O端口P0-P3、1个全双工UART串行I/O口、两个16位定时器/计数器、含有5个中止源两个中止优先级中止控制系统、片内振荡器和时钟产生电路（石英晶体和微调电容需外接，最高许可振荡频率为24MHz），和8051相比，含有节电工作方法，其封装引脚图图3.2所表示，下面分类介绍其引脚。 图3.2 AT89C51封装图1）电源引脚VCC和VSSVCC(40脚)：电源端，为5V。VSS(20脚)：接地端。2）时钟引脚XTAL1、XTAL2时钟引脚外接晶体和片内反相放大器组成一个振荡器，它提供单片机时钟控制信号。时钟引脚也能够外接晶体振荡器。XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容一端。在89C51片内它是振荡电路反向放大器输出端，振荡电路频率就是晶体固有频率。若须采取外部时钟电路，则该引脚悬空。XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容另一端。在片内，它是振荡电路反相放大器输入端。在采取外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。3）控制引脚这类引脚提供控制信号，有还含有复用功效。RESET（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚外加上两个机器周期高电平将使单片机复位。此引脚和VSS引脚之间连接一个约10K下拉电阻，和引脚之间连接一个约10F电容，以确保可靠复位。在单片机正常工作时，此引脚为0.5V低电平。ALE/PROG（30脚）：当访问单片机外部存放器时，ALE（地址锁存器）输出脉冲负跳沿用于16位地址低8位锁存信号。即使不访问外部存放器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡频率1/6。不过，每当访问外部数据存放器时（即从程序存放器取来MOVX类指令），在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。所以，严格来说，用户不能用ALE做时钟源或定时。ALE端能够驱动（吸收或输出电流）8个TTL负载。PSEN（29脚）：此脚输出是单片机访问外部存放器读选通信号。在由外部存放器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存放器时（即从程序存放器取来指令是MOVX类指令），这两次有效PSEN信号将不出现。PSEN能够驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL负载。EA/PROG(31脚)：当EA端保持高电平时，单片机访问内部Flash ROM程序存放器，当PC（程序计数器）值超出0FFFH时，单片机将自动转向实施外部程序存放器内程序。当EA接低电平时，则只访问外部程序存放器，而不管是否有内部程序存放器。4）I/O口引脚P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载。P1口：8位准双向I/O口，可带4个LSTTL负载。P2口：8位准双向I/O口，和地址总线（高8位）复用，可带4个LSTTL负载。P3口：8位准双向I/O口，双工能复用口。P1口、P2口、P3口各I/O口线片内全部有固定上拉电阻，故称为准双向I/O口。P0口线内无固定上拉电阻，由两个MOS管串接，即可开漏输出，又可处于高阻“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。3.1.2 复位电路复位电路采取了上电复位和手动复位相结合方法。在通电瞬间，电容C经过电阻R2充电，RST端出现正脉冲，用以复位。只要电源上升时间不超出1ms，就能够实现自动上电复位。手动复位就是经过按下按钮开关S，使单片机进入复位状态。3.1.3 振荡电路为满足需要，本振荡电路采取12MHz晶体，和微调电容配合，外接于引脚XTAL1和XTAL2之间。3.2 信号采集单元本单元采取DS2438单总线智能电池监测芯片完成对电池目前多种信号状态监测，包含目前电池电压、电流、温度、剩下电量等参数。DS2438芯片能够自动采集这些信号参数，并将其放在SRAMEEPROM中， 51单片机依据需要发出命令读取这些参数，然后处理这些参数，软件编程比较困难，硬件电路简单是以复杂软件编程为代价。3.2.1 DS2438芯片介绍DS2438是Dallas企业推出智能电池监视器芯片。该器件是为了处理便携式电子产品电池工作状志实时监测而推出，含有功效强大、体积小、硬件接线简单等优点。1） DS2438管脚图及功效DS2438采取SOIC表面贴装封装形式，其外形及引脚排列图3.3所表示，表3.1说明了DS2438各引脚功效。 图3.3 DS2438封装表3.1 DS2438引脚功效引脚号引脚名称功效描述1GND接地2VSENS+电池测量电流输入（+）3VSENS-电池测量电流输出（-）4VAD通用电压A/D输入端5VDD供电电压（2.410V）6，7NC悬空不接8DQ数据输入输出、单总线、开漏2)DS2438性能特点：a) 是单总线器件，仅用一根传输线便能实现电源和数据双向传输；b) 芯片内部集成一13位温度传感器，其分辨率能够达成O.03125；c) 含有10位电流A/D转换器，能够实现对电池充放电电流测量；d) 含有10位二通道电压A/D转换器，能够实现对电池电压测量；e) 芯片内部有40字节用户存放器，方便用户存放信息；f) 芯片内部有逝去时间计时器，能够对电池充放电时间进行统计；g) 芯片内部含有充放电电流累加器，当芯片每27.46ms采样一次电池电流时，依据该值正负加减入电流累加器寄存器中，而且还设置两个累加器分别就充电电流和放电电流进行累加；h) 工作温度范围为-40+80。3）DS2438内部结构框图DS2438作为一款专门用于采集多个电池状态参数集成芯片，其内部结构框图图3.4所表示： 图3.4 DS2438内部结构框图由图3.4 DS2438内部结构框图可知DS2438由单总线接口、电压电流A/D转换器、温度传感器、时钟电路、40字节EEPROM及和上述硬件相关寄存器组成。其中电压A/D转换器输入能够编程为由VDD电源端输入或VAD输入端输入，以满足VDD电源端及外部输入模拟量VAD测量要求。3.2.2 DS2438存放空间1）DS2438存放结构DS2438上64字节存放空间分成8页，每页8个字节，该内存空间从数据访问方法上能够分成RAM(高速暂存)和SRAMIEEPROM(非易失ROM)两部分。高速暂存RAM用于确保单总线通讯时数据一致性：数据首先写入DS2438高速暂存RAM，当数据被确定后，经过ROM复制命令将暂存页数据写入到对应SRAM/EEPROM保护空间中。DS2438存放空间内包含部分特殊功效寄存器和供用户使用存放单元，它们通常在存放空间第0页。DS2438存放空间第1页为电流累加器、逝去时间计数器和电流赔偿单元；第2页包含非易失性时间和充电时间标识；第37页是40字节提供给用户使用EEPROM，可用于保留用户数据。2）DS2438寄存器DS2438芯片全部寄存器全部映射到上述存放器中，同时对DS2438操作全部是经过寄存器进行。下面对存放器空间第0页中特殊功效寄存器进行具体叙述。DS2438存放器第0页结构如表3.2所表示。 表3.2 DS2438存放器第0页结构字节序号寄存器 名称内容读写特征易失 特征DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00状态配置XADBNVBTBADEECAIAD读非易失1温度低位000读非易失2温度高位S读非易失3电压低位读非易失4电压高位000000读非易失5电流低位读非易失6电流高位SSSSSSS读非易失7阈值TH2TH1000000读/写易失a) 状态/标志寄存器状态/标志寄存器决定了DS2438工作状态，单片机经过对特殊功效寄存器进行读/写操作，可实现DS2438多种功效，所以在对其进行操作之前，必需对这一寄存器进行初始化，即对对应控制位进行写操作。状态寄存器在存放器00页第0字节，该寄存器用于DS2438功效控制，其中各位默认值为1，含义以下：)IAD为电流A/D控制位。IAD=I，启用电流A/D和ICA，且以32Hz速率测量电流；IAD=0，禁用电流A/D和ICA；)CA为电流累加器配置位。CA=1，启用CCA/DCA存放数据且可从第7页恢复数据；CA=0，禁用CCA/DCA，第7页可用于一般EEPROM存放；)EE为隐蔽电流累加器位。EE=1，将CCA/DCA计数器数据隐蔽到EEPROM，电量每增加0.32，目前计数器加1：EE=0，CCA/DCA计数器数据将不隐蔽到EEPROM；)AD为电压A/D输入选择位。AD=1，电压A/D选择由VDD端输入；AD=0，电压A/D选择由VAD端输入；)TB为温度转换忙标志位。TB=1，温度转换正在进行；TB=0，温度转换结束；)NVB为非易失存放忙标志位。NVB=1，在从可擦除区复制到EEPROM存放过程中；NVB=0，非易失存放空闲状态。一次EEPROM存放占用210ms；)为A/D转换标志位，ADB=1，电压A/D转换正在进行；ADB=0，转换结束或无测量。一次A/D转换占用约10ms；)X为不定位。b) 电流寄存器DS2438内含一个可有效测量流入、流出电池块电流模数转换器，电流测量是经过测量电流取样电阻RSENS两端电压来间接测量流过电池电流。采取10位ADC，其分辨率为O.005C，电流测量值结果放在2字节电流寄存器中，其中电流测量符号位S，用于指示充电或放电。c) 电流积分累加寄存器DS2438对电池剩下电量测量是借助其内部电流积分累加器(ICA)实现。ICA存放是流入、流出电池总电流净累加值，所以，存放在这个寄存器内值可用于计算电池剩下电量。d) 电压寄存器存放采集电压值。它电压输入范围是010V，且电压ADC输入，可经过状态/结构寄存器AD位来选择由VDD输入或由VAD输入。电压A/D转换结果放在2字节电压寄存器中，单位为mV。e) 温度寄存器存放采集电池温度值。可在-55+125范围内以0.03125分辨率测量温度值，温度值为补码形式经过2字节温度寄存器输出。其中符号位S指示温度值为正或负；S=0，温度值为正；S=1，温度值为负。f) 消逝时间统计寄存器消逝时间统计寄存器统计相对于内部基按时间电池充电完成、其脱离系统正确时刻，便于用户了解电池使用情况，正确地使用和维护电池。3.2.3 数据采集板电路信号采集板电路包含四部分：+5V工作电源、电压采集、电流采集和DS2438单片机通讯电路。其电路图图3.5所表示。 图3.5 信号采集模块1）+5V工作电源电路每节蓄电池全部有自己独立采集板，蓄电池电压经LM7805三端稳压芯片稳压滤波后输出5V电压，给本身采集板提供电源。2）电压采集电路蓄电池在浮充状态下电压为12.8V，充电是电压最大可达成16V左右，而DS2438芯片电压测量范围为010V，所以需经精密电阻R3、R4分压,再经过R5、C10滤波电路滤波后输入DS2438VAD,当DS2438接收到单片机发出电压转换命令时,片内ADC转换器将对VAD管脚上电压进行数字转换,转换时间为2 ms左右。转换结果将被保留在两字节电压寄存器中。当单片机发出读取数据指令时,测量数据即从DS2438DQ端传送出去。因为DS2438其分辨率为0.01V，所以蓄电池实际电压可由下式计算得出:U=电压寄存器值*0.01 *(1 + R3/R4)(单位为V)。3）电流采集电路 串联工作电池组流经每个电池电流是相同, 电流测量只需要一个采集板。在DS2438中,电流是经过测量外部传感电阻两端电压来实现。外部传感电阻R7接于 Vsens+ 和Vsens-两管脚间 ,同时,Vsens-端接R6、C11低通滤波电路, 用以消除尖峰电流干扰,其中R6=100k,C11 =0.1F。因为Vsens+和Vsens-两管脚许可输入电压范围为-122 mV+122 mV , 所以DS2438能测量电流很小(毫安级) ,而电池组中电流通常为十多个安培至几十个安培,需要电流传感器进行转换。系统采取了由LAM企业生产多量程电流传感器LA-28NP,原边电流提供了5A25A间5种选择,可经过不一样接线方法灵活设置,副边电流为25mA ,采样电阻R7取4.7。实际电流=(K*电流寄存器绝对值)/R7*4096 ,K为互感器变比,取决于电流寄存器符号位。4）DS2438和单片机通讯电路单片机采取8位AT89C51，单片机和采样板之间采取单总线通信SBC(Single Bus Communication)处理方案。由SBC组成单总线通信系统为主从结构，单片机作为主机，多片DS2438作为节点(从机)，总线由一根信号线组成，既可传输时钟，又能双向传输数据。在该总线上能够挂接多个测控对象。这种单总线技术含有线路简单，硬件开销少，便于总线扩展和维护等优点。其传输速率可达成110Kbit/s，在不扩充情况下，总线距离最远可达成600m，经扩充以后可达成2500m。因为各监测板不共地，所以发送和接收信号全部需经中速光电耦合器6N135进行隔离,因为DS2438输出电流较小，不能驱动光电耦合器，故增加了驱动/缓冲器74LS07。DS2438数据输出端DQ为漏极开路，所以需增加上拉电阻R7。数字信号在传输过程中抗干扰能力强，所以提升了测量精度。各检测板并行工作，能够同时监测电池组中各单体蓄电池状态。3.3 显示电路设计本设计中采取两种方法进行显示：液晶显示和上位机显示。其中液晶显示选择用1602液晶显示器，能够直观地显示出目前被测电池电压、电流、温度及剩下电量，除能显示数字外还能够显示汉字。同时用户可依据需要，利用AT89C51UART串口，经过串口线和上位机相连，利用上位机显示，使人机界面变得愈加友好。当被测电池状态过警戒线时，智能系统经过蜂鸣器发出声音报警，同时显示中也会给出警示信号，提醒用户做出对应处理。下面对两种显示方法分别进行介绍。3.3.1 1602液晶显示液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是一个被动发光型显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线经过方向特征，而达成白底黑字或黑底白字或蓝底白字显示目标。液晶显示器含有体积小、重量轻、分辨率高、功耗低、抗干扰能力强、驱动电压低等优点，所以被广泛地应用在智能仪器、数字仪表、控制系统及人类生活多种显示领域中。1）1602液晶显示特点a) 1602液晶显示器为若干个5*8或5*11点阵显示字符。每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距全部为一个点宽度；b) 1602液晶主控制驱动电路为HDD4780或其它全兼容电路，如SED278（SEIKOEPSON），KS0066(SAMSUNG),NJU6408(NER JAPN RADIO)；c) 含有字符发生器ROM可显示192种字符（160个5*7点阵式字符和32个5*10点阵字符）；d) 含有64个字符自定义字符RAM，可自定义8个5*8点阵字符或4个5*11点阵字符；e) 含有80个字节RAM；f) 单+5V电源供电。2）1602液晶显示器引脚功效1602工作过程可简析为：液晶显示模块经数据总线接收外部微处理器MCU发来指令和数据，并存入内部指令和数据寄存器中，在这些指令控制下，行、列驱动器对128*64点阵LCD显示器进行控制，从而实现所需信息显示。1602液晶显示模块各外部引脚名称、功效和使用方法见表3.3。表3.3 1602液晶显示器引脚功效引脚号符号状态功效1VSS电源地2VDD+5V逻辑电源3V0对比度控制，经过1K电阻接地4RS输入寄存器选择，1：数据；0:指令5R/W输入读写操作选择，1：读；0：写6E输入使能信号，高电平或是下降沿有效7D0三态数据总线（LSB）8D1三态数据总线9D2三态数据总线10D3三态数据总线11D4三态数据总线12D5三态数据总线13D6三态数据总线14D7三态数据总线（MSB）15LEDA输入背光+5V有些液晶没有背光，有些引脚和此不一样16LEDK输入背光地线3）1602和单片机接线1602液晶显示器和单片机接线图图3.6所表示。 1602和单片机接线图3.3.2 上位机显示本系统测量数据可经过串口线将数据送到上位机进行显示，所以需要接口让单片机和上位机进行通信。现在，通信方法关键分为两种：串行通信(RS-232C、RS-422A、RS-485、USB)和并行通信。RS-232C标准定义了25根引线，对于通常双向通信，只需使用串行输入RXD、串行输出TXD和地线GND。RS-232C标准电平采取负逻辑，要求+3+15V之间任意电平为逻辑“0”电平，-3-15V之间任意电平为逻辑“1”电平，和TTL和CMOS电平是不一样。在接口电路和计算机接口芯片中大全部为TTL或CMOS电平，所以在通信时，必需进行电平转换，方便和RS-232C标准电平匹配，MAX232芯片能够完成电平转换这一工作。因为MAX232含有驱动能力，所以不需要外加驱动电路。采取MAX232接口硬件接口电路图3.7所表示。 图3.7 串行通讯接口电路3.4 键盘和声光报警电路3.4.1 键盘电路设计键盘是单片机系统中一个很关键部分，它能实现向计算机输入数据、传送命令等功效，是人工干估计算机关键手段。通常情况下，键盘是由一组规则排列按键组成，一个按键实际上是一个开关元件。其关键功效是把机械上通断转换为电气上逻辑关系（0和1）。常见种类有：独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键工作不会影响其它I/O口线状态，多用于所需按键不多场所。在本系统中，设计需要用到09十个数字键，应采取矩阵式键盘。43键盘结构以下图3.8所表示。 图3.8 键盘电路图中所表示列线经过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，全部行和列线断开，列线呈高电平。当键盘上某个键闭合，该键所对应行线和列线短路。假如把列线接到微机输入口，行线接到微机输出口，那么在微机控制下，使行线P2.3输出为低电平，其它三根行线P2.4、P2.5、P2.6全部为高电平，然后微机经过输入口读列线状态，假如P2.0、P2.1、P2.2全部为高电平，则P2.3这一行上没有闭合键，假如读出行线状态不全为高电平，则为低电平列线和行线P2.3相交键处于闭合状态；图9 44矩阵键盘结构假如P2.3这一行上没有键闭合，接着使行线P2.4为低电平，其它行线为高电平。用一样方法检验P2.4这一行上有没有闭合键，以这类推，最终使P2.6为低电平，其它行线为高电平，检验P2.6这一行上有没有键闭合。这种逐行逐列地检验键盘状态过程称为对键盘一次扫描。这是识别键盘最常见方法，其控制方法即：先判定是否有键按下；如有，再判定哪一个键按下，并得到键码值，然后依据键码值转向不一样功效程序。3.4.2 声光报警电路作为能够进行蓄电池各个数据参数检测设备，声光报警电路部分不可缺乏，当检测到电池状态不在正常范围就应该经过声光方法发出警报，预防过放电引发电池损害和发生意外事故。其电路图3.9所表示。 图3.9 声光报警电路本设计中声光报警部分包含蜂鸣器和红、绿、黄、蓝四个LED报警指示灯。单片机本身I/O驱动能力不是很高，所以对蜂鸣器驱动需要加入一个PNP三极管，这么能够使蜂鸣器声音愈加响亮，起到愈加好报警作用。三极管基极电路确保了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，避免了误报警发生。因为动态显示比静态显示更能吸引人视线，所以本设计发光二极管采取动态闪烁方法，红色二极管闪烁代表电压检测超限，绿色二极管闪烁表示电流检测超限，黄色二极管闪烁表示温度检测超限，蓝色二极管闪烁表示剩下容量超限。不管哪种数据参数超限，蜂鸣器全部产生声音报警。3.5 硬件看门狗电路微处理器在运行中会受到多种多样干扰，如电源及空间电磁干扰，当其超出抗干扰极限时，就有可能引发微处理器死机或程序跑飞。尤其在实际应用环境中，更轻易受到复杂干扰源干扰影响。在系统中加入看门狗电路就能够很好预防这类情况发生。该系统中使用是XICOR企业生产可编程看门狗定时器X25045。它集合了看门狗定时器、电源监测电路和512*8串行EEPROM。所以X25045含有以下功效：1)看门狗定时器：看门狗定时器对微控制器提供了独立保护系统。当系统故障时，在可选超时周期以后，X25045看门狗将从RESET信号做出响应。用户能够从三个预置值选择此周期。一旦选定，即使在电源周期改变以后，此周期也不改变。2)电源监测：利用X25045低Vcc检测电路，能够保护系统，使之免受低电压情况影响。当Vcc降到最小Vcc转换点时，系统复位。复位一直确保到Vcc返回且稳定时为止。3)串行存放：X25045存放器部分是COMS4096位串行EEPROM，它内部按512*8来组织。X25045特点是含有简单三总线工作串行外接口(SPI)和软件协议。图3.10为芯片引脚图。 图3.10 X25045芯片引脚图各引脚含义以下：CS：片选输入 S0：串行输出SCK：串行时钟输入 SI：串行输入WP：写保护输入 RESET：复位输出Vcc：电源 Vss：地因单片机没有SPI接口，则必需经过移位方法实现单片机和X25043通讯。图3.11为单片机和X25045接口电路。 图3.11 硬件看门狗电路单片机P3.4引脚和片选相连，它控制X25045选通；P3.5引脚和X25045串行输出相连，P3.3引脚和X25045串行输入相连，这两个端口实现单片机和X25045数据通讯。P3.2引脚和X25045时钟输入相连，控制串行输入输出时序。单片机RST引脚和X25045RESET引脚相连，RESET复位信号可使单片机复位。硬件总原理图见篇末附图。4 系统软件设计系统硬件电路设计完成以后，就要进行软件设计和调试。假如没有软件来控制硬件电路和外围设备，系统仍然是不完善。在监控系统中，软件编制需要符合以下基础要求：1) 易了解、易维护。通常是指软件系统轻易阅读和了解，轻易发觉和纠正错误，轻易修改和补充。因为检测控制系统复杂性，设计人员极难在短时间内就对整个系统了解无误，应用软件设计和调试不可能一次就完成，有些问题是在运行中逐步暴露出来，这就要求编制软件轻易了解和完善。2) 实时性。实时性是监测控