基于单片机的蓄电池自动监测系统设计本科生毕业设计论文.docx

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基于单片机的蓄电池自动监测系统设计本科生毕业设计论文

本科生毕业设计论文

基于单片机的蓄电池自动监测系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

蓄电池作为电力系统的后备电源，其维护工作对保证电力系统的安全运行具有重要的意义，对蓄电池实施在线监测并及时发现失效电池，是蓄电池维护工作的重中之重，本课题的主要任务就是重新设计一种新型蓄电池在线智能监测仪，能实现对蓄电池无论在浮充状态还是在充放电过程中的状态监测。

该监测系统是以AT89C52单片机为核心，其芯片是采用CMOS工艺以及面向寄存器结构的单片机。

它含有8K字节快檫写可编程/檫除只读存储器（EEPROM），具有256字节的内部RAM；3个16位定时记数器；32个可编成程的I/O口线；6个中断源；可编程的串行编口，还具有空闲和掉电方式，它的集成度高、速度快、功耗低，特别适合于多路数据采集的控制系统中。

本系统可以测量10路或20路蓄电池端电压、电池端电压、电池温度、充放电电流等，数据采集电路采用模块化设计，可根据蓄电池个数确定模块数量，每个模块可测量一组，对测量的值采用惯性滤波法和积分、微分等控制理论进行滤波和校准。

该系统采用了大连东台电子有限公司生产的EDMl2864-09图形点阵液晶显示模块，能直观了解失效的电池信息。

该系统利用集抗外干扰复位热启动的看门狗、电源监测电路和串行存储于一身的XICOR公司生产的可编程看门狗定时器X25043，为整个系统提供了安全保障，同时，通讯电路可进行RS-485的通讯，通过单片机串行通讯接口，可以执行与上位机或PC机进行数据传输，供维护人员对检测参数做进一步的分析。

新的蓄电池监测系统自动化程度高、人机界面友好，又易于操作，并且整体结构可靠性好，精度高，具有很高的推广使用价值。

关键词蓄电池；监测系统；单片机；看门狗

TheAutomaticMonitorSystemofStorageBattery

BasedonSingleChip

Abstract

Thestoragebatteryisthesparepowersupplyofthepowersystem．Itismeaningfultocarryouttheon-linemonitor．Themainmissionofthistopicistore-designanewkindofstoragebatterywithon-lineintelligentmonitor．Itcanmonitorwhetherinthefloatpositionorduringdischargetheappearance．

ThemonitorsystemistotakeAT89C52asthecore,itschipadoptsthecraftofCMOSandfacestomonolithicmachinewithmemorystructure．Itimpliesthequickcleaningofthe8KwordEEPROM,256wordstanzathree16settlerecorders,32programmableI/Oport,6insidethebreaksource,Theprogrammablestringgoestoweave,stillhavingthesparetimeanddroppingtogiveorgetanelectricshocktheway．Itsintegrateddegreeishigh,thespeedisquick,thepowerconsumedislowspeciallysuitableforthecontrolsystemofmanymethods'datacollection．

Thissystemcanmeasure10roadsor20roadstheelectricvoltageofstoragebatteries,batteryelectricvoltage,batterytemperatureandrefreshanddischargeelectriccurrentetc．Thedatacollectionelectriccircuitadoptsmolddesign．ThatsystemadoptsthesketchesEDMl2864-09withaLCDmanifestationmoldproducedbytheelectroniclimitedcompanyofDalianTongtai．Itcankeepthebatteryinformationofunderstandingexpiration．ThatsystemmakesuseofthewatchdogX25043,providingthesafetyguaranteeforthewholesystem,atthesametime,thecommunicationelectriccircuitcancarryonthecommunicationoftheRS-485．Itcancarryoutdata’sdeliverywiththeinterfaceofuppermachineorPCmachine,inordertosupportthepersonneltodothefurtheranalysistotheexaminationparameter．Theautomationdegreeofnewstoragebatterymonitorsystemishigh,man-machineinterfaceamity,andthenbeeasytotheoperation,andthewholestructurecredibilitygood,theaccuracyishigh．Itcanraisetheproductionefficiencygreatly．

KeywordStoragebattery;Monitorsystem;SinglechipofAT89C52;Watchdog

第1章绪论

1.1课题背景

　当今世界经济面临破解新旧问题的重大挑战，形势发展更趋复杂。

再观中国，经过30多年高速增长，原有的增长模式已显后劲不足和不可持续。

新的环保能源将是未来几年中国发展的重头戏，我国今后的能源总的目标应该是建设能源生态体系，促进能源生态文明，能源生态体系是社会生态文明建设的重要基础。

在这个关键时期，思考发展规律，甄别问题根源，做到趋利避害对今后发展至关重要。

特别是在金融和经济危机之后，各国都在努力寻找经济新增长点，提升经济和产业竞争力。

美国总统奥巴马上任伊始就推出了大规模经济刺激计划，力争将新能源、电动汽车等新兴产业打造成国民经济的新支柱产业，计划在10年内投入1500亿美元用于新能源开发。

以汽车制造行业为例，采用相对清洁能源为动力的新一代环保汽车正在成为日本汽车业发展新方向。

日本各大汽车公司相继推出纯电动汽车，市场反响良好。

纯电动汽车还带动车载电池、电池充电站等多个配套产业，并成为未来智能城市构想的重要一环。

电动汽车还给日本智能电网建设带来新思路，即把汽车蓄电池同样用于智能电网的蓄电功能。

在蓄电池应用中，铅酸蓄电池目前使用的最为广泛。

世界第三大铅酸蓄电池制造商汤浅公司（GSYuasaCorp）称，因中国、印度、南非汽车销售量增加，今年全球对铅酸蓄电池的需求量可能会上升2.6%，由去年的3.8亿组上升至3.9亿组。

去年中国及其他新兴市场汽车销量超过预期，因此铅酸蓄电池的实际需求比3.8亿组可能还多。

1.1.1电池的主要性能指标

（1）容量

铅酸蓄电池的容量是指其在一定条件下所能放出的电量，它是衡量一只蓄电池优劣的主要指标，它标志着蓄电池储存能量的多少。

容量的计算单位为安培每小时。

电池容量一般分为两种：

一是理论容量，是根据法拉第电解定理计算的容量，即假设极板活性物质全部反应所能放出的电量；二是实际容量，即在一定条件下，蓄电池实际能放出的电量。

实际电量只是理论电量的50%左右。

另外，不同的使用条件下，蓄电池容量也不同。

蓄电池的容量通常定义为：

蓄电池在特定的放电速率下有效的安时数。

当蓄电池放电至终了电压时，可以认为其有效电量已全部消耗。

蓄电池进行放电时，容量等于放电电流和放电时间的乘积。

在实际的应用中还经常涉及到额定容量的概念，额定容量是指在规定的工作条件下，蓄电池能放出的最低电量。

固定型铅蓄电池的规定工作条件为：

10小时率电流放电，电解液温度为25℃，放电终了电压为1.8V。

（2）静止电动势

蓄电池静止（即不充电也不放电）相当长一段时间后，其内部电解液扩散过程停止，极板附近的电解液浓度于其他各部分的浓度相等，此时电池处于开路状况，用高阻抗电压表（没有电流通过电池）在常温下测得的正负极板间的电位差就是蓄电池的静止电动势。

蓄电池的电动势与电解液密度有关，一般电解液密度越大，电动势就越高。

另外蓄电池电动势还和电解液的温度有关，但是温度的影响不是很大。

电极材料确定后，电动势可用经验公式占钮85+d15决定。

d15是在15℃时极板微孔内部电解液的密度。

蓄电池静止时，极板微孔内部与容器中的电解液的密度相同。

只有d15在1.05-1.30之间时，上式才准确。

（3）端电压

蓄电池的端电压是在正负极上实际测得的电压。

蓄电池的工作状态不同，端电压也不同。

当蓄电池不工作，即不向用电设备供电时，蓄电池的端电压等于它的电动势。

当蓄电池向外供电时，它的端电压将小于电动势，等于电动势减去内部电压降，即U=E-IR。

当蓄电池处于充电状态时，它的端电压就是充电电源加在正负极上的电压，其值大于电动势，等于电动势加上内部电压降，即U=E+IR。

蓄

电池的端电压不仅和电池的电动势有关，而且与充放电电流、内阻和充放电时间有关。

（4）内阻

铅酸蓄电池的内阻分为金属性电阻和电化学性电阻。

金属性电阻包括终端、夹板、栅格以及栅格与涂胶之间的电阻，电化学性电阻包括涂胶、电解液和隔板的电阻。

1.1.2国内蓄电池监测系统现状

在国内蓄电池监测系统中，对单体电池电压的监测成为主要内容，关于温度和电流的测量都属常规测量，而且在这些方面的测量技术都已成熟。

在电压的测量方法上，对单个电压量的测量方法非常简单。

其中，最关键的是如何测量电池组中串联在一起的单电池电压。

在解决如何测量单电池电压问题上，人们进行了大量的研究工作，曾有人设想在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在模拟信号的转换上采用可编程定时器的V/F转换器。

其中，在解决输入信号电压高于芯片的最大工作电压的问题上存在技术难点，且采用V/F转换器作为A/D转换器其缺点是影响速度慢，在小信号范围内线性度差、精度低。

关于在线测量单只电池电压的方法，还有人提出用光电隔离器件和大电解容器构成采样，保持电路来测量蓄电池组中单只电池电压。

此电路的缺点是，在A/D转换过程中，电容上的电压能发生变化，使其精度趋低，而且电容充放电时间是晶体管和隔离芯片等器件动作延迟等因素，决定了采样时间长等缺点。

国内研制并投产ZXJZ4/2-1型蓄电池智能监测仪，采用浮动技术测量蓄电池组中各单电池电压，测量的参数还包括电池组电压、Z路电流、Z路温度。

另外，在对蓄电池内阻测量的问题上，人们也进行了诸多的研究与实验。

1.1.3国外蓄电池监测系统研究现状

由于内阻与电池的性能密切相关，国际上有许多公司一起进行电池内阻测量的开发工作，以便通过内阻来有效监测蓄电池的状况。

目前国际上主要有两家公司在进行电池内阻测量仪器的开发工作，它们是MIDTRONICS和AVO公司。

测试方法是用交流发电装置向电池单体或蓄电池组注入一个低频20～30HZ60H的交流信号，测量通过电池的交流电流和每只电池两端的交流电压，则得出电池的电导或电阻值，并显示这个值。

总之两种测试装置都是向蓄电池注入一个交流信号，测量电池两端的交流电压和通过电池的电流。

如果在蓄电池组上有一定量的纹波电压，在许多情况下，必须采取离线测试或采取措施消除纹波。

美国BMS（BatteryMonitoringSystem）蓄电池监测系统技术发展于电力应用工业。

11989年美国电力研究所与国家电能研究公司合作，共同研究了无人值守场站PWBC铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。

经过4年的研究与开发，耗资200万美元，于1994年完成样机的现场试验。

测定的参数包括电池组电压、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、电解液液面高度以及电极利用情况等。

其方法是采用安装在每一只电池上的多传感器电池检测模块（叫“电池监测器”，是真空密封的）这种模块通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能测256个单电池。

远程控制中心通过MODEMS和公司电话线对电池组监测器进行监测。

可能测的电池组监测器的数量不受限制。

控制中心PC机能定期查询所有运行组的监测器，下载并处理储存的数据，存储和显示电池状态及其趋势的信息，能获得每一节电池的参数。

其主要特征是运用特定传感器对电池组的每个电池进行独立的监测。

单电池电压的测量是使用传统的一个直接带有A/D稳压的转换器（由电池组供电）电池组电流的测量用霍尔效应磁域传感器来测量。

电池内部温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态集成电路温度传感器来测量。

并且同外部环境如气流和阳光这样一来的热效应隔离。

电池组温度的测量是用同样的装置来测量。

为了描述电池组周围空气的平均温度，传感器一般位于电池组支架上。

此项研究成果应用于电厂、变电站、通信、电动车辆及医疗领域。

关于BMS蓄电池的检测有多种检测目的。

因此，监测的重点也有差异，在监测的方法和手段上人们进行了大量的研究和探索。

国外还研究开发了VMS（VRLABatteryManagementSystem）阀控密封铅酸蓄电池管理系统。

这个管理系统不是简单的监测蓄电池，而是设计成具有管理和控制蓄电池的功能。

此系统的目的是改变蓄电池“恒压充电”的方法。

因为恒压充电的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流。

系统监测的内容包括：

单电池电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中的电池组总的电压，VMS中包含了BMS。

它是在监测的基础上对蓄电池进行分析，并进行管理和控制。

这样更有利于对蓄电池的维护，延长蓄电池使用寿命。

可以说，国外蓄电池监测系统的技术比较成熟，并且研究发展了蓄电池管理系统。

在蓄电池管理系统中，监测的电池参数有所不同，研究的方法更为复杂。

国外先进技术及研究成果对我国进一步进行有关部门蓄电池监测系统方面的研究，可以起到借鉴作用。

1.2蓄电池技术的发展与方向

除环保领域应用之外，其他很多特殊场合也都用到铅酸蓄电池。

随着信息、能源、电子技术的快速发展，越来越多的场合都需要保证不间断的供电，阀控式铅酸电池（ValueRegulatedLead-Acid）简称VRAL，VRAL蓄电池的使用已经趋于广泛，与普通的铅酸蓄电池相比VRAL电池由于采用了内部氧复合技术，大大缓解了电解液的损耗，而且具有体积小防爆、电压稳定、无污染、重量轻、放电性能高、维护量小等优点，所以深受各个行业的青睐，尤其是在电力系统中，VRAL蓄电池作为电厂、变电站都拥有直流电力供应系统。

此系统的主要作用是为继电保护装置、信号装置、照明装置等重要负载提供直流电源。

由于这些重要负载绝对不允许断电情况发生，而单靠电网供电无法保证做到这一些，因此作为后备电源的蓄电池便成为确保设备正常运行的最后一道防线。

平时，直流系统中的蓄电池组处于浮充电备用状态，当交流电失电时，蓄电池便向执行机构和检测装置提供能量，同时也为控制装置、信号发生装置、自动装置、保护装置及通信装置等提供能量。

此外，蓄电池还被广泛应用于邮电、通信、交通、船舶、航空航天、应急照明等诸多领域中，作为储存电能的装置。

可见，蓄电池在工业系统中具有特殊的作用和意义。

蓄电池作为电力系统的后备电源，其维护工作对保证电力系统的安全运行具有重要的意义。

对蓄电池实施在线监测并及时发现失效电池，是蓄电池维护工作的重中之重。

但是，从目前VRAL蓄电池的使用和维护状况来看，存在着诸多的缺点和问题。

主要表现在对其维护保养方面重视不足，因为VRLA蓄电池进入市场初期就被称为“免维护”电池，致使很多用户在使用中未能像对防酸隔爆蓄电池那样，对VRLA蓄电池予以足够的重视，导致了电池的运行寿命达不到预期值甚至失效的现