毕业设计论文蓄电池智能检测系统设计精品.docx

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毕业设计论文蓄电池智能检测系统设计精品

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

Abstract

Thelead-acidstoragebatterygroupisthedrivepowersupplyorcontingencypowersupplyformanytraffictools．Sotheperformanceofthestoragebatterygroupisdirectlyrelatedtothenormalrunningoftraffictools．Itisnecessarytomeasurebatteries’parametersaccuratelyandfrequentlyinordertoenhancetheirlives，runthemreliablyandensurethebatteriesintheoptimalworkingstates．Inthepastthetestingofthestoragebatteries’parameterswascompletedartificially．Howeverthismethodhasmanydisadvantages．It’sslowtotestbatteriesartificially，themeasurementprecisionislow，andthesurroundingsofstoragebatterycabinareveryharmfultopeople’shealth．Soit’sveryimportanttodesignadevicewhichcantestbatteriesautomatically．

Becausesufferenvironmentalrestrictions,requestsystem,convenientandpracticalJanesmallonasinglebatteryforrepairandroutinemaintenanceofthedesign,sothebatteryvoltageisthesystemtestalltheway.MonitoringsystembasedonAT89C51,itsworkfineperformance,useagile,lowpowerconsumption,isahighcostperformancechip.DatacollectionafterthecompletionoftheADC0809voltagesignalselectioninfrequency-fieldonLCD1602,measurementdatadisplay,throughMAX232levelmeasuredtransformcircuitwillthevoltageuploaddataPCcomputerdisplay,storage.

KeyWords：

Single—chipcomputer；Lead-acidbattery；Intellectualdetectionsystem；Display;communication

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，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，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。

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120／Ah意味着电池120Ah／20h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g10、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年代以后，由于大量新技术，新材料的涌现，再加上信息时代对蓄电池的挑战，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。

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。

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-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（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低功耗、高性能CMOS8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8051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5（1±0.2）V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2-1AT89C51引脚

AT89C51芯片的40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FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P1口部分端口引脚及功能如表2-1所示。

表2-1P1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2-2P3口特殊功能

P3口引脚

特殊功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

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MOVX，MOVC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5×7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01000001B（41H），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：

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8：

DDRAM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，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2-31602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　　D0~7=指令码，E=H脉冲

RS=1

RW=1

E=1

RS=1

RW=0　　D0~7=数据，E=H脉冲

LCD1602采用标准16脚（带背光）接口，如下图2-2所示。

图2-2LCD1602引脚

LCD1602各引脚功能如下：

VSS：

VSS为电源地。

VDD：

VDD接5V电源正极。

V0：

V0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）。

RS：

RS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。

RW：

RW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。

D0～D7：

D0～D7为8位双向数据端。

BLA：

BLA为背光正极。

BLK：

BLK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点和满度调整；8位分辨率，最大非线性误差±0.4％LSB。

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。

图2-3ADC0809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A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行，直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D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