检测系统电路.docx

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检测系统电路

3.1总体设计

电池在线检测仪设计分为硬件系统设计和软件系统设计。

硬件系统设计经过了三代的升级和完善，主要考虑了五个方面的问题

能的采用了功能强的芯片，以简化电路，贯彻了器件解决的思想;（

系统修改和扩展，在硬件资源和设计上留有一定冗余;（3）以软代硬

很多硬件做到的，软件也能做到，只要软件上能做到的，就用软件实

了成本，提高可靠性和灵活性:

（4）硬件设计的同时，考虑了系统总

软件编程、机箱面板、配线、器件封装、印刷线路板、接插件、操作

等;（5）贯彻了抗干扰设计思想。

图3.1所示为电池在线检测仪硬件系统总体结构。

组成如下:

ATMEGA128单片机

32K字节并行总线EZPROM扩展28C256

电压监控电路

MAX232串行通信电路

2套7135A/D转换电路

柔性键盘/液晶显示人机交流回路

电池电压检测输入通道

工作电流检测输入通道

浮充电流检测输入通道

环境温度检测输入通道

连锁保护温度检测输入通道

开关量输入通道

开关量驱动输出通道

电源模块

硬件电路主要芯片说明:

（1）ATMEGA128单片机

（2）74LS373锁存器

（3）DS12CS87时钟芯片

（4）ICL71354位半AD

（5）74LS244总线驱动，这里做输入

（6）28C25632KEEPROM

（7）MAX232232通信芯片

（8）MAX809复位芯片

（9）LM393双路比较器

（10）MC14032.5V电压基准

（11）74LS1383-8译码器

（12）74LS14施密特触发器

（13）ULN28038路复合达林顿管

电池检测系统中软件系统按功能分为两大模块:

执行软件模块和监控软

件模块。

执行软件完成了如电压、电流和温度信号的检测与处理，电池选择继

电器的输出控制，同上位机通信，扩展485通讯等功能。

执行软件的设计偏重

算法效率与硬件关系密切:

监控软件用于协调各执行模块关系。

上图是电池在线检测系统软件系统的总体结构图，主要软件工作模块有：

（1）传感器数据采集及处理模块，包括电压、工作电流、浮充电流和温度信

号的采集处理;

（z）检测条件判断模块;

（3）数据处理模块:

（4）故障诊断模块，包括故障诊断、编码、工2C通信接收与发送;

<5）驱动输出模块

（6）人机交流模块，包括:

键盘输入模块、液晶显示器输出模块

（7）故障报警模块

（8）数据通信模块，包括RS232通信、CAN通信接收与发送等;

（9）其它功能模块:

包括系统初始化、系统时钟、掉电处理、看门狗监控

等:

电池在线检测系统监控程序模块;

监控程序如图3.3所示，是按预定操作方式运行的程序，使系统按操作者

的意图或命令完成既定的作业，它是电池在线检测系统程序的框架。

系统投入

运行的最初时刻，对系统进行自检和初始化，确认无误后开始运行监控程序，

监控程序调用不同的功能模块，完成预定的任务。

3.2CPU选型及系统资源分配

Atmega128是带128K字节FLASH的在线可编程的8位微控制

片内性能:

高性能，低功耗的8位AVR微控制器

先进的RISC精简指令集结构，这种结构大大提高了代码效率

比普通的C工SC微控制器最高至10倍的数据吞吐率

130条功能强大的指令—大部分在单时钟周期内执行

32X8个通用工作寄存器

工作在16MHz下，具有16M工PS的性能

片内带有执行时间为两个时钟周期的硬件乘法器

数据和非易失性程序内存

128K字节的在线自编程FLASH擦写次数:

1000次）

BOOT区具有独立的加密位

读与写的操作都可通过片内的引导程序区自动编程

4K个字节的EEPROM（擦写次数:

100,000次）

4KK字节内部SRAM

程序加密位

外部性能:

两个带预分频器和一种比较模式的8位定时/计数器

两个带预分频器和比较模式，捕获模式的16位定时/计数器

具有计数功能，且有独立振荡器的实时时钟（RTC）

8路PWM通道

8路10位转换精度的通道

工℃的串行接口

两路可编程的串行USART接口

主/从的SPI串行接口

带片内晶振的可编程看门狗定时器

片内的模拟比较器

8路外部中断，可设置上升沿，下降沿，或电平出发

用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程

典型的微控制器特性

上电复位和可编程的欠电压检测

在内部可校准的RC振荡器

外部和内部的中断源

五种睡眠模式:

空闲模式，ADC噪声抑制模式，省电模式，掉电模式，待

命模式

工/0口和封装:

53个可编程工/0GI,64脚TQFP封装

工作电压:

2.7-5.5V

速度等级:

0-8MHz

在4MHz,3V,25℃的功耗

激活模式:

3.6mA，空闲模式:

1.OmA，掉电模式:

0.51A

Atmega128有丰富的工/0口资源，可以满足系统的需求，根据系统功能需

求，对Atmega128的工/0端口资源进行了合理的利用，表3.1是具体的CPU各

个端口资源分配，包括信号名称、功能说明、对应端口以及连接关系。

由于Atmega128单片机内部EEPROM为4K,RAM4K,FLASH128K，能够满足现

系统的存储要求，但为了掉电保存数据，外扩了28C256EEPROM一片，现系统

利用CPU内部FLSH存放程序，包括程序运行代码，程序中执行判断需要的一些常数、表格等。

预估程序运行数据量的大小，片内4KSRAM可以满足需求。

CPU内存地址分配表:

EEPROM地址空间0x0000至0x10000，共4096BYTES,4K字节。

整型数占两个字节的，低位在地址地位，高位在地址高位，

根据本系统的实际情况，浮点数不大于255.00,浮点数占两个字节，整数

在低位，小数在高位。

AD标定存储区域，先浮点数，后整数，每组数据4个字节:

LHU20个浮点数，20个整数共占用80个字节OBE2-OC33

LHI120个浮点数，20个整数共占用80个字节OC32-OC83

LH12（正）个浮点数，20个整数共占用80个字节OC84-OCD5

LHU2（负）个浮点数，20个整数共占用80个字节OCD4-OD25

空余空间

空余地址0614-0717260BYTES

0948-09FF184

OD26-1000730BYTES

Atmega128单片机的工作频率可高达16MHz，运算速度很高，为实时控制提

供了可靠的保证。

时钟电路产生CPU工作的时序脉冲，是CPU工作的关键部件。

本系统外接SMHz的石英晶体，配合单片机内部振荡电路构成工作时钟，也可以

采用外部时钟驱动Atmega128。

考虑到前者方便，成本低，故而采用外接晶体。

时钟信号不仅是受噪声干扰最敏感的部件，同时也是对CPU、对外辐射，引

起内部干扰的噪声源。

单片的时钟信号为高频率的方波信号，时钟频率越高，

信息传输线上信息变换频率也就越高，导致线间串扰、反射波干扰以及公共阻

抗千扰加剧。

因此，在满足系统功能要求的前提下，尽量降低时钟频率有助于

提高整个系统抗干扰。

3.3输入信号处理

3.3.1电压信号采集及处理

电池电压信号是通过电压霍尔转换为0-25mA小电流，经过转化电路转换

为0-5V电压量，经ICL7135A/D转换芯片转换为数字量传入MEGA128进行处

理。

电池单体电压一般分为2V,6V,12V三种，为提高电压检测精度电压检测

范围在满足电压量程的要求下应尽量小，对于单体电压2V的电池系统，电压测

量范围为0-3v，对于单体电压6V的电池系统，电压测量范围为0-9V，对单体

电压12V的电池系统，电压测量范围为0-20V，以电池单体12V的电池系统为

例，阐述电压转换过程:

电压霍尔选用瑞士LEM公司LV28-P产品，此产品是

应用霍尔原理的闭环（补偿）电压传感器，其具有出色的精度:

总精度为士0.6%;

良好的线性度:

线性度￡L<0.2%;共模抑制比强;反应时间快:

响应时间

90%ofVpmAx40PS;此霍尔原边额定电流为:

lOmA,副边额定电流有效值为

25mA，转换率为2500:

1000。

对于电压测量，原边电流与被测电压的比一定要通过一个外部电阻串联在传感器原边回路上，对于12V电池系统，R1选择为1.8K

.，原边线圈电阻为200S2，通过计算电压范围为0-20V,由于ICL7135A/D芯片输

入为。

-5V电压，故霍尔输出串入200。

精密电阻，将电流量转换为电压量。

原理接

线图如下:

3.3.2工作电流信号采集及处理

工作电流信号是通过电流霍尔转换为0-25mA小电流，经过转化电路转换

为0-5V电压量，直接传入MEGA128中自带10位A/D进行处理。

检测系统检测

电流一般按电池容量C,。

进行选取，例如电池容量100AH的电池组，电流范围选

取在0-10A，一次容量为例阐述电流转换过程:

电流霍尔选用瑞士LEM公司

LA28-NP产品，此产品是应用霍尔原理的闭环（补偿）电压传感器，其具有出色

的精度:

总精度为士0.5%;良好的线性度:

线性度￡<<0.2%:

低温漂:

土0.06MA

电流过载能力强;频带宽度DC-150KHZ。

此霍尔原边额定电流为:

5-6-8-12-25

5种接线方式，副边额定电流有效值为25MA，转换率为1-2-3-4-5:

1000。

对于

电流测量CPU内A/D接受0-5V电压，故霍尔输出串入2000精密电阻，将电流量

转换为电压量。

原理接线图如下:

3.3.3浮充电流信号采集及处理

浮充电流反应电池组充电或放电时电流的大小，此电流变化范围较大，

常为0-50A，有正负两个方向，并且在较低电流值时也要求较好的准确性，此电

流较大不易采用直连式霍尔，故采用穿芯式霍尔接线，浮充信号是通过电流霍

尔转换为mA级小电流，经过转化电路转换为0-5V电压量，经ICL7135A/D转换

芯片转换为数字量传入MEGA128进行处理。

电流霍尔选用瑞士LEM公司LT58-S7

产品，此产品是应用霍尔原理的闭环（补偿）电流传感器，其具有出色的精度:

总精度为士0.8%;良好的线性度:

线性度e}<0.2%;低温漂:

士0.35MA;电流过

载能力强;频带宽度DC-100KHZ:

抗干扰能力强。

此霍尔原边额定电流为:

50A,

副边额定电流有效值为50MA，转换率为1:

1000。

对于电流测量CPU内A/D接

受0-5V电压，故霍尔输出串入1000精密电阻，将电流量转换为电压量。

A/D电

路图与图3-4原理相同不再累述，霍尔原理接线图如下:

3.3.4温度信号采集及处理

温度采集选用Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20温度传感

器。

DS18B20测量温度范围为一550C-+1250C，在一10"+85℃范围内，精度为士0.5

℃。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干

扰性。

此产品支持3V-5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

DS18B20可以程序设定9-12位的分辨率，精度为士0.5*C。

分辨率设定及用户设定的报警

温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

D518B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的

可电擦除的E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH,TL和结构寄存器。

+1250C

的数字输出为07DOH,+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出

为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90Ho

暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个

字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。

第三个和第四个字

节是TH,TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字

节的内容在每一次上电复位时被刷新。

第六、七、八个字节用于内部计算。

第

九个字节是冗余检验字节。

该字节各位的意义如下:

TMR1RO11111

低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测

试模式。

单片机内存分配说明:

TEMPERLEQU29H:

用于保存读出温度的低8位

TEMPER-HEQU28H;用于保存读出温度的高8位

FLAG1EQU38H;是否检AJ到DS18B20标志位

a.bitequ20h;个位数存放内存位置

hbiteau21h:

十位数存放内存位置

3.3.5传感器通道和接地

传感器通道传输的是模拟信号，而且传输距离很长，其中温度信号传输距

离为3-4米。

这样长的距离内，温度信号受到各种干扰，所以必须采取必要的信

号屏蔽措施，选择合理的接地方式，才能有效地保护传感器信号。

在系统研制

的过程中己经得以试验，在没有考虑屏蔽和接地措施前，CPU采集到的信号随机

跳动很大，会出现经常的尖脉冲信号，而且伴随着不确定的漂移。

在采取了如

下的措施后，传感器信号才得以稳定可信，消除漂移。

信号线采用屏蔽线来传输，屏蔽层接地，无论从防止静电干扰和电磁感

应干扰的角度，或从控制装置安全的方面考虑，都是必要的措施。

屏蔽层接地

点选在传感器信号源侧，工作环境存在较强的共模噪声电压，信号线与屏蔽层

的分布电容充电，为防止噪声电压对信号线的干扰，将屏蔽层在传感器信号源

侧接地，以使噪声电流直接入地，这种接地方式既可以抑制共模噪声，也可以

抑制静电电感应引起的干扰。

3.4人机交流系统设计

人机交流系统设计控制指令输入采用柔性键盘输入，主要有;0-s数字键、

回车键、删除键、退出键、翻页键、重启键等指令功能。

并具有声光报警光功

能运行正常指示功能。

人机交流系统设计中，显示功能采用液晶显示器选用北京金创业公司液

晶KY-D47D320X240兰底白字，具有屏保功能，控制背光开关。