蓄电池负载测试仪控制部分的硬件设计学士学位论文.docx
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蓄电池负载测试仪控制部分的硬件设计学士学位论文
分类号：
TP216+.1UDC：
D10621-408-（2007）-0450
密级：
公开编号：
2003022295
成都信息工程学院
学位论文
蓄电池负载测试仪
硬件设计
论文作者姓名：
申请学位专业：
电子信息工程
申请学位类别：
工学学士
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前言
蓄电池作为备用电池早已被广泛地应用于邮电、电力、铁路、UPS等领域，
为了检测蓄电池组的可备用时间和电池容量，每年都要对电池组进行核对性的放电测试。
以往的测试工具主要是电炉盘，可调电阻或水槽，完全人工操作，工作繁重，数据精度低，安全性差。
文中介绍的这款蓄电池负载测试仪，是和成都吉星技术发展有限公司合作而研发的。
该设备是对蓄电池组深度放电维护和容量检测的自动化仪器，可广泛应用于需要对蓄电池组或电源进行恒流负载测试的场合。
仪器设计新颖，智能化程度高，参数设定后，自动完成对蓄电池组的容量测试，功能强，体积小，可靠性高。
该设备具备2.0——22.9安培恒流放电能力，可以独立工作也可以联机工作。
放电电流通过PI调节器进行控制，恒流精度高，稳定性好，放电电流连续可调。
此外，该设备还具备蓄电池欠压和过压报警功能，能实时监测蓄电池端电压，一旦发现电压超过设定的上限和下限值，立即中断放电状态，并保存放电数据。
该设备还具备实时时钟，具备20条放电记录（包括：
放电试验实时时间、放电容量、放电时间（时长）、电池端电压（放电结束时的值）、放电电流等）的存储和查询功能。
本文主要阐述了该设备在硬件上的设计和实现，详细介绍了各部分的工作原理和接口电路的设计计算。
该测试仪以飞利浦51单片机P89V51RD+作为主控器件，该单片机自带PWM功能和看门狗功能，可以使PWM控制精度大大提高，系统运行稳定性更好；以带中文字库的液晶显示器模块YFD12864作为系统信息显示窗口，所有信息均以中文显示，界面友好；实时时钟采用DS1302，时间精度高；以AT24C02作为存储芯片，存储容量大。
作为一个成熟的产品，该设备已经在市场上广泛推广。
由于时间和知识的不足，本系统还有很多不足之处，还望能在此基础上继续完善发展。
蓄电池负载测试仪硬件设计
摘要
蓄电池作为备用电池早已被广泛地应用于邮电、电力、铁路、UPS等领域，为了检测电池组的可备用时间和电池容量，每年都要对电池组进行核对性的放电测试。
本系统以陶瓷加热器（PTC）作为蓄电池放电负载，对蓄电池进行恒流放电测试，通过计算放电时间和放电电流的乘积，得到待测蓄电池的实际电容量。
本设计以单片机P89V51RD+作为核心，配合软件编程，采用PI控制，实现对负载（陶瓷加热器PTC）阻抗的精确控制，以保证放电电流的恒定。
此外，该系统还具备欠压、过压报警、20条放电信息的存储和查询以及实时时钟等功能，并且作为一种成熟的产品已被广泛应用。
本文详细介绍了该设备在硬件上的设计和实现。
关键词：
PI控制；恒流放电；陶瓷加热器（PTC）；LCDYFD12864显示；继电器；实时时钟；
BatteryLoadTesterHardwareDesign
Abstract
Asaimportantstandbypower,theaccumulatorhasbeenwidelyusedintelecommunications,electricitysupplyindustries,railways,UPSandotherfields.Totestitsstandbytimeandbatterycapacity,eachaccumulatormustbecheckedbydischargeeveryyear.Thetesterinthisarticleusestheceramicheatersystem（PTC）asdischargeload,byconstantcurrentdischarge,itcangetactualcapacityoftheaccumulatorbycalculatingtheproductofdischargetimeanddischargecurrent.ThisdesignusestheP89V51RD+microcontrollerasitscore,withsoftwareprogramming,usingPIcontroller,controllingtheimpedanceofload（ceramicheaterPTC）accurately,inordertoensurethedischargeworkinconstantcurrent.Inaddition,thesystemalsohasundervoltagealarm,overvoltagealarm,thecapabilitiesofstoringandquerying20dischargemessages,real-timeclockfunction,andasamatureproduct,thistestorhasbeenwidelyused.Thispaperdescribesthehardwaredesignofthisapparatus.
Keywords:
PIcontroller;CeramicHeater（PTC）;YFD12864LCDdisplay;Real-timeclock;constantcurrentdischarge;
论文总页数：
21页
蓄电池负载测试仪硬件设计
1项目背景说明：
蓄电池作为备用电池早已被广泛地应用于邮电、电力、铁路、UPS等领域，为了检测电池组的可备用时间和电池容量，每年都要对电池组进行核对性的放电测试。
对蓄电池实际容量的测试主要是通过放电来实现，理论上，通过任意方式放电都可以测定蓄电池的实际容量。
但是，在非恒流放电下，由于放电过程的可控性差，加上放电过程中蓄电池电压和内阻的改变，使得放电容量的计算非常复杂、烦琐，并且计算精确度非常低，误差相当大，系统安全性差。
为了解决以上问题，和成都吉星技术发展有限公司合作，设计了这款蓄电池负载测试仪。
该设备采取恒流放电的方式对蓄电池进行放电测试，通过计算放电时间和电流的乘积得到蓄电池的真实容量。
它以5个正温度系数陶瓷加热器（PTC）作蓄电池的放电负载，根据放电电流的大小自动调整PTC的接入数量。
利用陶瓷加热器（PTC）的温度电阻特性，PI调节器通过控制风扇转速调整PTC温度，间接调整放电阻抗，达到恒流放电的目的。
陶瓷加热器是一种大功率的热敏器件，它的阻抗特性会随着温度的不同而不同。
其温度电阻特性如下：
从图中可以看出，在低于温度T1的这个区域，陶瓷加热器的阻抗随着温度的增加而升高。
而当温度达到一定的程度以后，其阻抗则随着温度的升高而下降。
由于T1一般不高，并且在温度达到T1的这段时间里，对其阻抗的控制比较困难，因此对陶瓷加热器的使用通常都是让其工作T1以后的状态。
在该系统中，通电以后，系统通过延时使陶瓷加热器工作在T1以后的状态。
蓄电池在放电过程中，其电动势和内阻是不断变化，要测定其真实放电功率，只有在恒流放电的条件下才具有可比性。
由公式：
可以知道，不管蓄电池电压和内阻如何改变，只要适当调整放电负载阻抗R的大小，就可以使放电电流恒定在某一固定值。
该系统中，PI调节器通过比较放电电流值和设定值的大小，自动调整PWM的占空比，进而控制散热风扇的转速，间接控制陶瓷加热器的阻抗，达到恒流放电的目的。
放电电流是通过一霍尔电流传感器来采集的，该传感器能根据放电电流的大小，输出一随电流变化的电压（当电流在0——22A变化时，输出电压为0——4V），单片机通过采集该电压值来计算出实际放电电流。
整个系统的闭环控制过程如下：
1）放电电流高于设定值时：
2）放电电流小于设定值时：
整个系统框架如图1.3：
由于PTC，电流传感器，风扇驱动，以及系统电源均由相应的现成单元组成，系统主板上只需预留继电器接入口、PWM输出口、PWM测试口、电源接入口、电压电流信号输入口即可。
系统主板结构如图1.4：
除了完成恒流放电功能外，该放电测试仪还要求具备实时时钟、20条记录的存储与查询、LCD中文信息显示、LCD背光自动控制、蓄电池电压过压欠压报警、放电结束报警、PTC自动接入控制等功能。
其中，实时时钟只要求精确到分（即只需要年、月、日、小时、分钟）即可；20条放电记录采用自动存储的方式，存储的信息为最近20条的放电记录；放电记录要能进行循环查询，第一条信息永远是最新的那条放电记录；所有菜单均采用中文显示方式，显示模块采用带字库的液晶YFD12864，放电过程中需要显示的内容有：
放电电流：
**.**（A）电池电压：
***.*（V）
放电容量：
****.*（Ah）放电时间：
hh：
min
实时时钟：
年：
月：
日：
时：
分：
秒；
LCD背光控制规律为若5分钟之内无任何操作，则自动关闭背光；放电过程中的所有报警均采用蜂鸣器报警的方式；放电完成以后自动退出放电状态，并且自动存储放电信息；放电负载PTC的接入采用继电器切换的方式，根据放电电流的大小，按一定的时间和顺序接入相应的PTC。
在数据处理精度上，要求电压，电流，电量等参数保证小数点后面一位的精度，工作参数为：
输入电压：
DC150～260V放电电流：
DC2～22A
稳流数度：
±0.1A调节方式：
PI调节
PWM频率：
10K固定PWM范围：
1%--99%
2课题设计要求
根据以上介绍，系统主板上主要完成的功能有：
1）实时时钟功能，要求能够精确产生年、月、日、时、分等信号，并且在系统断电后，时钟电路也应一直工作。
2）系统手动操作功能，能够实现系统放电信息的手动设置、系统工作状态的转换等功能。
3）系统信息、菜单的中文显示功能。
4）0——5V模拟电压的采集功能，并且AD采集精度应该在12位或12位以上。
5）PWM的输出、检测及放大功能，PWM要能够驱动后续风扇单元工作。
6）继电器的驱动功能，以便能够自动切换5个陶瓷加热器的工作状态。
7）20条放电记录的存储查询功能，便于信息的查询和记录；
8）LCD背光自动控制功能，以实现系统低能耗工作
3硬件单元元件的确定
3.1微控制器的选择
市面上的微控制器品种非常之多。
该系统界面操作比较复杂，估计程序会大大超过8K，系统要求采用10K的PWM控制，并且要求PWM的占空比在1%——99%之间。
关于PWM实现方案有两个，一是采用定时器模拟PWM，再就是选择具备PWM功能的单片机。
由于采用定时器模拟的PWM无论是在频率精度上还是在占空比上，均不能和具备PWM功能单片机产生的PWM波相比拟。
由于该系统内与单片机接口的器件有AD、时钟芯片、LCD、以及存储器、按键、PWM输出、5路继电器驱动等，若全部采用串行接口的器件，初步规划共需要I/O口25个。
因此，经过综合考虑，该设计采用飞利浦单片机P89V51RD+，该单片机具有16K程序存储器，32个I/O口，具备PWM功能，完全符合以上要求。
此外，它还采用串口进行程序下载，调试程序极为方便。
3.2实时时钟
实时时钟的芯片市场上比较多，常用的有DS1302、DS1307、DS12B887等，DS1302具备年、月、日、星期、时、分、秒的计数，还具有31字节非易失RAM，采用串行方式和微处理器接口。
DS1307除具备以上功能外，还具有闹钟和可编程脉冲输出功能。
而DS12B887则是并行的时钟芯片，占用CPU的资源比较多。
经过功能和单片机微处理器资源的综合考虑，设计中选用DS1302作为该系统的实时时钟。
3.3按键输入和显示器件的选择
基于单片机资源的考虑以及人机输入情况，本设计采用了四个按键作为系统的键盘，采用按键复用技术实现系统的所有操作。
LCD由对方定成YFD12864，该液晶模块支持串行接口，占用单片机资源较少，并且模块自带中文字库，大大方便了程序的编写。
3.4电压电流采集芯片（AD转换器件）的选择
根据对方要求，电压和电流精度要保证小数点后一位小数。
若以蓄电池电压来算，260V时，则最小量化值为2600。
以电流来算，22A时，量化值最少为220。
综合以上考虑，至少应采用12位及以上的AD方可满足要求。
采用12位时，蓄电池电压分辨率为260V/4096=0.0623145V，电流分辨率为22A/4096=0.005314A，均满足以上要求。
由于要求具备两路模拟电压输入，因此最好选择具备多路输入的12位的串行AD器件。
市场上比较流行TLC2543，所以本设计中就选择了该器件。
3.5存储芯片的选择
系统要求存储放电试验实时时间、放电容量、放电时间（时长）、电池端电压（放电结束时的值）、放电电流等信息，若存储实时时间需要5个字节（年、月、日、时、分各一个字节），放电容量信息需要2个字节，放电时长信息需要2个字节，电池端电压信息需要2个字节，放电电流需要1个字节，这样一组数据共需要12个字节，20组数据一共需要240个字节，加上还要存储一些系统参数，估计256字节够用。
若还不够，时钟芯片里面也还有31字节可以用。
所以，在本设计中存储芯片决定选择串行的，256字节的EEPROM。
AT24C02就这样进入了该设计。
3.6PWM的输出驱动
由于送往风扇控制的那路PWM要求电平高度为26V，因此，单片机产生出PWM以后，还得增加PWM放大环节。
由于场效应管开关速度高，驱动电流小，开关电流大等特点，本设计选择了场效应管IRF840作PWM的放大。
4系统组成及工作原理
经过以系统背景的介绍和器件的选择，确定了系统原理图如下：
图4.0系统原理图
系统以单片机P89V51RD+为中心，包含电源电路、AD采样电路、实时时钟电路、电压输入处理电路、电压基准电路、LCD接口和背光控制电路、报警电路、PWM功率放大电路、信息存储电路、单片机按键和复位电路、继电器控制电路等部分组成。
接下来将着重介绍各部分原理。
4.1电流、电压信号采集
该部分主要完成蓄电池电压信号和电流传感器输出信号的模拟数字转换，
包括输入滤波电路、电压基准电路、AD采样电路等部分组成。
4.1.1电压输入接口设计
蓄电池电压比较高（150——260V），AD无法直接测量。
系统采用分压的方式，将蓄电池电压分出1/55送往AD输入口，这样，送往AD的电压范围就在2——5V之间。
而电流的传感器送来的电压信号在0——4V范围内，可以直接与AD接口。
为了提高采样精度和采样的稳定性，需要采样的电压信号在进入AD采样之前均设计了一个2阶RC滤波电路。
待采样电压的处理和滤波电路如图4.1：
蓄电池电压（Vin）接入系统后，经过一个91K电阻和1K电阻以及一个精密可调电阻调整分压，精确分出其1/55送往二阶无源滤波电路作滤波处理，最后再送往AD采样的1号通道。
而电流传感器送出的电压信号则直接通过二阶无源滤波电路滤波送往AD采样的0号通道。
图中左下方是电流传感器接口，电流传感器需要±12V电压供电。
图中的地均为模拟地。
4.1.2AD电压基准的设计
基准对AD的采样精度影响特别大，选择好了好的基准才能有效保证AD的正常工作。
该设计中采用专用基准芯片TL431作AD基准。
德州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。
该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。
上图是该器件的实物图和符号。
3个引脚分别为：
阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。
前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。
右图所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。
显然，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=（1+R1/R2）Vref。
选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。
需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。
在该设计中，需要一个5V的基准，为了使调整方便，基准电路原理如下：
图4.4电压基准原理图
图中可调电阻采用多圈精密可调电阻，以获得高精度的5V基准。
4.1.3数模转换电路的设计
TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。
由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
它具有12位的A/D转换分辨率，有11个模拟输入通道，最高采样率为66kbps，线性误差±1LSBmax，具有3路内置自测试方式，有转换结束输出和单、双极性输出功能，具备可编程的MSB或LSB前导和可编程输出数据长度，使用相当方便。
在本设计中，其与单片机接口设计如下：
图4.5TLC2543与MCU接口电路
19脚是转换结束标志引脚，可以与单片机相连也可以悬空处理，只是在软件处理上有些差异，本设计使之悬空。
18脚是串行时钟端口，所有数据的传输都要在该脚电平变换的节奏上进行，本设计中使之与单片机P1.1相连。
17脚是数据输入端口，主要是微控制器发送地址命令之用，本设计中使之与单片机P1.2相连。
16脚是数据输出端口，A/D转换结果的三态串行输出端。
为高时处高阻抗状态，
为低时处于激活状态。
本设计中使之与单片机P1.3相连。
15脚是片选端口，对AD的所有操作都必须在在该端置低电平的情况下进行。
本设计中使之与P1.4相连。
4.2信息显示模块设计
信息显示模块主要负责系统信息的显示，是人机信息交换的主要窗口。
信息的显示采用LCD模块YFD12864。
4.2.1LCD模块介绍
FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
该模块使用相当方便，该设计中采用串行方式连接。
串行方式时，模块接口说明如下：
表1YFD12864串口接口管脚信号
管脚号
名称
LEVEL
功能
1
VSS
0V
电源地
2
VDD
+5V
电源正（3.0V—5.5V）
3
VO
--
对比度（亮度）调整
4
CS
H/L
片选，高电平有效
5
SID
H/L
串行数据输入端
6
CLK
H/L
串行同步时钟：
上升沿读取SID数据
15
PSB
L
L：
串口方式（见注释1）
17
/REST
H/L
复位端，低电平有效（见注释2）
19
A
VDD
背光电压+5V（见注释3）
20
K
VSS
背光电压0V（见注释3）
*注释1：
如在实际应用中仅使用串口通讯模式，可将PSB接固定低电平，也可以将模块上的J8和“GND”用焊锡短接。
*注释2：
模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。
*注释3：
如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。
4.2.2LCD与MCU接口电路设计
在本设计中，CS、SID、CLK、LCDK分别连接单片机P2.2、P2.0、P2.1以及P0.5脚。
关于背光灯的控制，采用一个三极管做开关，电路工作也很简单，当LCDK为高电平时，三极管9014导通，LCD背光电路工作。
当LCDK为低电平时，三极管9014截止，背光关闭。
电路如图4.7所示：
图4.6LCD接口电路
4.3数据存储模块设计
数据存储模块电路非常简单，采用器件AT24C02，其作用是完成系统设置参数和放电信息的存储。
4.3.1存储芯片AT24CO2
AT24C02是一个1K位的CMOSEEPROM，内部含有256个8位字节，有一个16字节页写缓冲器。
该器件通过I2C总线接口进行控制操作，有一个专门的写保护控制端口。
AT24C02支持I2C总线数据传送协议。
I2C总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器，数据传送是由产生串行时钟和所
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