1、本科畢業(yè)設計說明書全自動蓄電池容量檢測儀的設計DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECT CAPACITYOF STORAGE BATTERY INSTRUMENTATION學院（部）：電氣與信息工程學院專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 年 月 日全自動蓄電池容量檢測儀的設計摘要本設計是以AT89C51單片機為核心的蓄電池容量檢測系統(tǒng)，通過對AT89C51單片機軟件編程可以實現(xiàn)以下基本要求：1、通過蓄電池放電測量電池容量；2、測量電壓動態(tài)值；3、可切換顯示電池容量/電壓；4、測量結(jié)束后有報警提示。為了檢測蓄電池的端電壓，以便顯示電壓，要進行電壓采樣，并且采樣電路為小電流放電

2、，使所測試的電壓值比較準確；為了檢測蓄電池的容量，要進行電流采樣，并且為大電流放電，放電電流為3A-4.5A，還要求放電電流盡可能恒定。系統(tǒng)的恒流放電電路由集成運算放大器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。該恒流放電電路，保證了放電電流的基本恒定，從而保證了容量檢測的準確。實時測量并顯示電壓，放電到10.5V則放電結(jié)束。實時顯示當前所放出的容量，積分計算出容量，不須人工計算。采用了Atmel公司的AT89C51單片機，該單片機片內(nèi)有4K的ROM，不需外接ROM，由它設計制成的數(shù)字顯示的蓄電池容量檢測系統(tǒng)，其整個系統(tǒng)呈現(xiàn)單片化結(jié)構(gòu)，硬件電路構(gòu)成簡單，主要功能均由軟件編程實現(xiàn)，因此體積小、可靠性高、測量顯示

3、方便、直觀、價格低廉。關鍵詞：鉛酸蓄電池，容量檢測，恒流放電DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECT CAPACITY OFSTORAGE BATTERY INSTRUMENTATIONAbstractThe design is battery measurement system, of which AT89C51 micro controller as the core, through the software programming of AT89C51 SCM can achieve the following basic requirements: 1, bat

4、tery capacity measurement by battery discharge; 2, measuring dynamic value of voltage, 3, may switch display the battery capacity / voltage; 4, alarm after the end of a measure.In order to detect the battery voltage, show that voltage, we must sample voltage, and sampling circuit is small current di

5、scharge so that test the voltage more accurate; To test the battery capacity, we must sample current, and discharge current is large.Discharge current is 3A-4.5A, also requires discharge current constant as possible. The constant current discharge circuit is composed of Integrated Operational amplif

6、ier.Structure is simple, and adjustment is easy. The constant discharge circuit ensure that the discharge current fundamental constant, so as to ensure the accurate of capacity detection. Measure and display voltage by real-time, 10.5 V to the discharge, and the discharge is over. Display capacity b

7、y real-time, and calculate the capacity by integration, do not need manual calculations. Using AT89C51 SCM of Atmel, 4K ROM within the SCM, without external ROM, the battery capacity detection system, design made of it, showed its monolithic structure, hardware circuit is simple, the main function w

8、ork by the software programming. So size is small, it is highly reliable and measurement and showing is convenient, intuitive, price is low.Key words: Lead-acid batteries, Capacity detection,Constant current discharge目錄摘要（中文）I摘要（外文）II1緒論11.1課題研究的目的與意義11.2 國內(nèi)外研究狀況11.3 本設計要完成的工作32全自動蓄電池容量檢測儀的原理簡述52.1電

9、池容量檢測模塊原理簡述52.1.1 蓄電池容量檢測方法52.1.2 蓄電池容量試驗條件及要求72.1.3 恒流放電電路的介紹72.2 水浴溫度檢測模塊原理簡述8蓄電池容量與環(huán)境溫度的關系82.2.2 水浴溫度控制PID算法介紹83 硬件設計113.1 AT89C51簡介113.1.1 主要特性113.1.2 時鐘振蕩電路和復位電路123.2 溫度檢測硬件設計133.3 溫度控制部分硬件設計143.4電源穩(wěn)壓電路的設計163.5恒流放電電路的設計183.6 數(shù)字顯示及鍵盤電路的設計193.7 報警電路及通信模塊23報警電路的設計233.7.2 通信模塊的設計233.8 A/D和D/A接口電路的設

10、計244 軟件的設計274.1主要度量轉(zhuǎn)換274.2 主程序的流程圖314.3 A/D轉(zhuǎn)換程序的設計324.4鍵盤掃描程序的設計334.5數(shù)字顯示程序的設計374.6 溫度控制程序設計385 結(jié)論與展望40參考文獻41致謝431緒論1.1課題研究的目的與意義鉛酸蓄電池經(jīng)過百余年的發(fā)展與完善已成為世界上廣泛使用的一種化學電源，具有良好的可逆性、電壓特性平穩(wěn)、使用壽命長、適用范圍廣、原材料豐富(且可再生使用)及造價低廉等優(yōu)點。主要應用在交通運輸、通訊、電力、鐵路、礦山、港口、國防、計算機、科研等國民經(jīng)濟各個領域，是社會生產(chǎn)經(jīng)營活動和人類生活中不可缺少的產(chǎn)品。隨著鉛酸蓄電池的廣泛應用，如何精確檢測蓄

11、電池容量成為廣大用戶極為關注的問題。GB5008.1標準規(guī)定“整個試驗期間蓄電池均放置在溫度25±2的水浴中”，由此可見，標準對于試驗溫度的要求25±2范圍較為精確，且規(guī)定電池、水浴之間的距離，使之在反應過程中不會相互影響。因為蓄電池放電容量與溫度的關系密切，標準才規(guī)定±2的要求，第一，只有在相同的環(huán)境條件下的試驗結(jié)果才具有可比性，可重復性；第二，在放電過程中，蓄電池將化學能轉(zhuǎn)換成電能，是放出能量，蓄電池要從環(huán)境中吸熱，蓄電池溫度下降，為避免影響化學反應的進行，需要有恒溫水浴向蓄電池補充熱能使其溫度恒定。質(zhì)檢部門的監(jiān)督檢驗及仲裁檢驗，工商部門市場監(jiān)測，教學研究等工

12、作，務求對蓄電池容量檢測數(shù)據(jù)準確無誤。務必使試驗溫度保持在標準要求范圍內(nèi)，才能減少系統(tǒng)誤差，得出精確數(shù)據(jù)，真實反映產(chǎn)品的質(zhì)量水平。研制蓄電池容量檢測系統(tǒng)很有必要。1.2 國內(nèi)外研究狀況電池工業(yè)是新能源領域的重要組成部分，是全球經(jīng)濟發(fā)展的一個新熱點，是社會生產(chǎn)經(jīng)營活動和人類生活中不可或缺的產(chǎn)品。鉛酸蓄電池產(chǎn)業(yè)是二十一世紀最有發(fā)展前途和應用前景的新型綠色能源體系, 同時關系到國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實現(xiàn)。近年來，致力于研究蓄電池容量檢測儀的研制，鉛酸蓄電池技術(shù)不斷發(fā)展，一些產(chǎn)品日臻成熟。2008中國儀器儀表與測控技術(shù)報告大會論文集中由楊明欣佘勇孟芳高國富等人提出的全自動蓄電池容量檢測儀的設計以陶瓷加熱

13、器(PTC)作為蓄電池放電負載，對蓄電池進行恒流放電測試，通過計算得到待測蓄電池的實際電容量。本設計以單片機作為核心，采用PID算法，實現(xiàn)對負載(陶瓷加熱器PTC)阻抗的精確控制，以保證放電電流的恒定。此外，系統(tǒng)還具備欠壓、過壓報警、20條放電信息的存儲查詢以及實時時鐘等功能，自動化程度高，有廣泛的應用價值。學術(shù)期刊通信電源技術(shù)2008年2期收錄的由高玉峰、劉亞龍、李春平所著的基于改進型Boost電路的鉛酸蓄電池容量檢測裝置設計，針對鉛酸蓄電池容量檢測的特點,提出了一種以Boost電路為主電路,應用PI調(diào)節(jié)和PWM控制技術(shù)實現(xiàn)恒流放電的方案.對傳統(tǒng)Boost電路進行改進,解決了啟動浪涌電流大和

14、蓄電池誤接自保護的問題.闡述了放電電阻的優(yōu)化設計方法,給出了設計準則.仿真和實驗均驗證了設計的正確性。另外，在學術(shù)期刊工業(yè)儀表與自動化裝置2011年4期中收錄的由賈承謐所著的全自動蓄電池容量檢測儀的研制。文章介紹研制的全自動蓄電池容量檢測儀,該機配有光電隔離型模入、I/O信號數(shù)據(jù)采集模塊,提供了USB接口,方便與PC機相聯(lián),操作系統(tǒng)用目前流行的Windows,對4路蓄電池容量并行檢測,每路可檢測單個6/12/24 V蓄電池,放電電流從0.0180 A實現(xiàn)程序可控,能精確檢測每個蓄電池的容量.在2012年3期的電源技術(shù)學術(shù)期刊中由儲開斌、陳樹越、何寶祥所著的基于DSP的蓄電池容量性能測試儀的設計

15、中提出了一種基于DSP的蓄電池容量性能測試儀的設計方案.以DSP為核心,多種控制模塊為主要結(jié)構(gòu),用于測試蓄電池的容量、壽命及配組等相關指標.其中,充放電模塊采用線性方案,高精度數(shù)據(jù)采集采用DSP內(nèi)置A/D芯片,實現(xiàn)高精度測量,符合國標對蓄電池的測試要求.可為研究分析和改善使用的蓄電池性能和壽命提供科學依據(jù).該儀器可單機,也可通過RS-485進行組網(wǎng)測試,具有較好的市場應用前景.雖然上述的研究已經(jīng)逐步實現(xiàn)對蓄電池容量檢測的合理化，也有部分已經(jīng)成為產(chǎn)品，但是由于這種技術(shù)的限制以及電池內(nèi)部能量的不可量化性，其產(chǎn)品仍不能滿足要求。針對目前的實際情況，就蓄電池制造廠家、蓄電池測試技術(shù)研究機構(gòu)，以及廣大蓄

16、電池維護人員而言，都在積極探索一種快速、準確、可靠、安全的蓄電池測試技術(shù)。特別對于廣大現(xiàn)場維護工程師而言，這種需求更顯迫切。遺憾的是，蓄電池是實現(xiàn)化學與電能之間轉(zhuǎn)換的一種非常復雜的裝置。蓄電池的放電過程是化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，蓄電池的充電過程是電能轉(zhuǎn)化變?yōu)榛瘜W能的的過程。從電化學的角度，不能對于使用者提供更多的內(nèi)部的信息。對它進行快速準確的容量測試是非常困難的。由于目前多是密封蓄電池，型號和規(guī)格千變?nèi)f化，性能也不盡相同，外部只有兩個電極接頭。對于使用者來說，從外部來看，密封蓄電池是一個“黑箱”，至少是一個“灰箱”。對于蓄電池的設計和制造者同樣如此。蓄電池容量測試技術(shù)的難點：(1)蓄電池的化學

17、能不能直接測量。(2)蓄電池化學能本身是一個變量。由于化學反應不完全可逆。化學能隨著使用次數(shù)和使用時間、儲存時間而衰減。(3)使用容量又與工作溫度和充、放電率，充、放電的方法有關，并隨著SOC狀態(tài)等條件在變化。(4)容量相同的密封蓄電池的負載電壓和內(nèi)阻本身具有離散性。即使對于同一個廠、同期生產(chǎn)的、同型號的蓄電池也是如此，無法避免。而且，對于蓄電池組，使用時間越長，蓄電池個體之間的差異性和離散性越大，會出現(xiàn)兩極分化。(5)難以等效。一般來說，不能使用線性元器件或者其任意的組合來等效蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。退一步說，使用非線性元器件的組合，可以等效蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也僅適用于特定的電池和特定的條件。不能

18、適用于各種規(guī)格的電池以及同一個電池在不同的使用條件。1.3 本設計要完成的工作蓄電池具有良好的可逆性，電壓特性平穩(wěn)等諸多的優(yōu)點，已經(jīng)成為社會生產(chǎn)經(jīng)營活動和人類生活中不可缺少的產(chǎn)品，為了真實反其產(chǎn)品的質(zhì)量水平，精確檢測蓄電池容量，GB5008.1標準規(guī)定“整個試驗期間蓄電池均放置在溫度25±2的水浴中”。所以全自動容量檢測儀工作時必須包括二部分，即蓄電池容量檢測部分和水浴恒溫控制部分。整個全自動蓄電池檢測包括多路電壓電流檢測模塊、水溫檢測模塊、多路模擬開關選通模塊、高速A/D轉(zhuǎn)換電路模塊、計數(shù)/定時模塊、AT89C51單片機控制模塊、鍵盤輸入模塊、LED顯示模塊、恒流負載控制模塊、恒溫

19、調(diào)節(jié)模塊等組成。如圖1.1所示。水浴恒溫控制部分，由于整個試驗期間要求蓄電池均放置在溫度25±2的水浴中，所以控制過程中必須及時對溫度進行精確控制。首先通過鍵盤設定恒溫經(jīng)行時的溫度值，并且用數(shù)碼管顯示，然后在運行過程中將采樣的溫度模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換器中經(jīng)行模擬-數(shù)字裝換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字用數(shù)碼管顯示，最后用單片機輸出控制量，D/A轉(zhuǎn)換后通過光電隔離和驅(qū)動電路送到可控硅SCR控制端，從而控制加熱器的通電加熱功率。電池容量檢測部分，在容量檢測時必須按20h率容量、10h率容量、7min率27min率、儲備容量的放電要求，即使同一的型號蓄電池的按不同的要求也有不同的放電電流，所以必須選擇

20、可控的恒流負載器。首先根據(jù)蓄電池的型號和容量檢測的要求計算出放電電流，然后選擇合適恒流負載器中繼電器的開關，在測量期間對多路電壓、電流的檢測，經(jīng)過高速多路模擬轉(zhuǎn)換開關和A/D轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字用數(shù)碼管顯示，單片機根據(jù)鍵盤的輸入值來控制橫流負載器的繼電器開關。如此可實現(xiàn)4路蓄電池容量的高精度檢測。圖1.1 全自動蓄電池容量檢測的系統(tǒng)框圖2全自動蓄電池容量檢測儀的原理簡述2.1電池容量檢測模塊原理簡述2.1.1 蓄電池容量檢測方法1.恒流放電法恒流放電法即100%C的深度放電，它具有容量測試準確可靠的優(yōu)點，因此，仍然是目前世界上檢測電池性能的最可靠方法。核對放電法即全放電的容量試驗，是檢測電池容

21、量最直接、最可靠的方法，無論是在線還是離線進行檢測，都必須設置備用電源作為防范措施，以保證系統(tǒng)的安全。傳統(tǒng)的核對放電設備普遍采用電阻絲進行核對放電，并且是人工操作，程序繁瑣，存在一定的人身危險，這種傳統(tǒng)的核對放電試驗方式正在逐步被淘汰。目前，國內(nèi)外普遍采用了新型的等效的電子負載，以保證電池組恒流放電。經(jīng)過數(shù)小時后，可以找出最落后的一到幾節(jié)電池，以落后電池到達終止電壓時的放電時間與放電電流來估算其容量，并以此容量作為整組電池的容量。不過它的缺點也很突出，主要表現(xiàn)為：(1)放電時間長，風險大，電池組須脫離系統(tǒng)，蓄電池組所存儲的化學能全部以熱能形式消耗掉，既浪費了電能又費時費力，效率低；少數(shù)放電系統(tǒng)

22、采用逆變技術(shù)可以將化學能予以回收利用。(2)進行核對性放電試驗，必須具備一定條件，首先，盡可能在市電基本保障的條件下進行；其次，必須有備用電池組。(3)目前，核對放電只能測試整組電池容量，不能測試每一節(jié)單體電池容量，以容量最低的一節(jié)作為整組容量，而其他部分電池由于放電深度不夠，其劣化或落后程度還不能完全充分暴露出來。(4)有損蓄電池的容量。由于蓄電池的內(nèi)部化學反應不是完全可逆的。全深度循環(huán)放電的次數(shù)是有限的，所以，不宜對鉛酸蓄電池頻繁進行深放電。但是間隔時間過長，兩次核對之間的蓄電池的狀態(tài)是不確定的。我們會面臨兩難的選擇。密封蓄電池的使用壽命是否終結(jié)的主要判據(jù)為，電池的剩余容量是否滿足機房工作

23、要求，或者滿足有關維護規(guī)程的要求。國家有關電源維護規(guī)程中的恒流放電試驗目前仍是唯一被公認的測試剩余容量的最有效方法，它是衡量蓄電池在關鍵時刻能否發(fā)揮作用，確保通信暢通與生產(chǎn)正常的重要手段。2.不完全放電測試法對于電池組采用1%5%C的淺度放電；機房可以沒有備用電池組。在放電狀態(tài)下，對蓄電池組的各單體電池的端電壓進行巡檢，找出端電壓下降最快的一只，將其確認為落后電池，再利用核對放電儀器，對該節(jié)電池進行核對放電，檢測其容量，即代表該組電池的容量。目前，此法可以較快地判定電池組中部分或者個別落后或劣化電池，但還不足以準確測定電池的好壞程度，包括電池的容量等指標，僅適宜作為一個定性測試的參考。以前有廠

24、家根據(jù)客戶的需求特點，推出一系列在線測試電池容量的設備與儀器，即在線檢測儀或在線巡檢儀，但是除了少數(shù)情況外，一般都達不到一個很理想的效果。原因是多方面的，其中有蓄電池的生產(chǎn)制造工藝的原因，有蓄電池電化學特性的原因，即容量相同的蓄電池的負載電壓本身具有離散性。大量研究實踐證明，即便是淺度放電狀態(tài)，單純通過電壓高低完全不足以判別電池性能的好壞。這種方法的優(yōu)點是操作簡單，風險系數(shù)小，并可以快速查找落后電池。不過最大的缺點還是測試精度低，只能作為電池落后狀態(tài)判定依據(jù)，不能準確測算電池的好壞程度及電池容量指標。同時測試要求較高，測試情況還不是很理想，尤其是容量測試準確度較低。3.電導(內(nèi)阻)測量法電導測

25、試線是目前主要的日常維護儀器。從測試技術(shù)分為交流法和直流法，使用95%以上的電導(內(nèi)阻)測量儀屬于交流法。交流法電導測量是向蓄電池兩端加一個已知頻率和振幅的交流電壓信號，測量出與電壓同相位的交流電流值，其交流電流分量與交流電壓的比值即為電池的電導。電導是頻率的函數(shù)，不同的測試頻率下有不同的電導值，電池的容量越小，電池電阻越大，電導值越小。電導法能準確查出完全失效的電池，根據(jù)大量的實驗分析及研究結(jié)果證明，電池的容量只有降低到50%時，內(nèi)阻或者電導會有所變化，降低到40%以后，會有明顯變化，所以，根據(jù)電池電導值或者內(nèi)阻值，可以在一定程度上確定電池的性能。采用電導法測試電池的內(nèi)阻或電導是判定蓄電池好

26、壞的一種有價值的參考思路，但是問題如下：(1)對于電池的好壞程度，還不能提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)；不足以準確地測算出電池的實際性能指標，尤其是容量指標；不能判斷(SOC)容量50%以上的蓄電池的好壞；不能到達國標的要求。根據(jù)國家有關電源維護規(guī)程以及蓄電池維護效果要求，電池組荷電容量達不到80%便應整組淘汰。(2)不同型號的儀表測量結(jié)果的差異性較大，由于各種交流法測量儀的測量頻率(15Hz1000Hz)、測量方法(相位差法、有效值法、調(diào)制解調(diào)法、比較法等等)和測量電流(1A10A)相差較大，讓使用不同的測量儀對于同一塊電池的測量結(jié)果相差較大，有時相差一倍。造成用戶選擇儀表困難，以及對于儀表測量結(jié)果的可

27、信度懷疑。目前基于直流法的電導(內(nèi)阻)測量儀檢測水平也未能超出交流法測量儀。電導測量技術(shù)雖然測試工作比較簡單，但是，由于內(nèi)阻與容量是非線性的，所以，測試結(jié)果不能很好地反映蓄電池的真實健康狀況。4.安時Ah容量法對于動力蓄電池，蓄電池需要頻繁的充電、放電。往往采用Ah容量法。使用Ah容量法記錄的電能量，需要知道蓄電池的初始狀態(tài)和終點SOC；但是初始狀態(tài)和終點SOC受到下述多種因素的影響，在一般情況下，并不是一個常數(shù)。所以安時Ah容量法僅能紀錄已經(jīng)使用或通過電量計的電量，而不能較為準確地預測終點SOC。而本設計采用恒流放電，該電路由集成運算放大器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。該恒流放電電路，保證了放電

28、電流的基本恒定，從而保證了容量檢測的準確。2.1.2 蓄電池容量試驗條件及要求容量（ 以啟動用鉛酸蓄電池為例）：儲備容量和20 h 率容量。（1）儲備容量試驗1） 整個試驗期間，蓄電池均放置在溫度為 25 ±2 的水浴中，電池上緣露出水面不得超過 25 mm，蓄電池之間和蓄電池與水浴壁之間的距離，均不得少于 25 mm。2） 蓄電池在完全充電結(jié)束后 l 5 h 內(nèi)。當電解液溫度達到 25 ± 2 時，以 25 A 電流放電到蓄電池電壓達（ 10.50 ± 0.05）V 時終止，記錄放電持續(xù)時間 t（min） 。（2）20 h 率容量試驗1） 整個試驗期間，蓄電池均

29、放置在溫度為 25 ±5 的水浴中，蓄電池上緣露出水面不得超過 25 mm，蓄電池之間和蓄電池與水浴壁之間的距離，均不得少于 25 mm。2） 蓄電池在完全充電結(jié)束后 1 5 h 內(nèi)，當電解液溫度達到 25 ± 5 時，以 I20電流放電到蓄電池端電壓達（ 10.50 ± 0.05）V 時終止，記錄放電持續(xù)時間 t2（ min） 。3）20 h 率實際容量按下式計算：Ce= I20× t210.01（T25）式中： T 為放電終止時中間單體蓄電池電解液溫度（ 單位為 ）；0. 01 為溫度系數(shù)。2.1.3 恒流放電電路的介紹為了檢測蓄電池的容量，需要對電

30、池進行大電流放電，并且要保持電流的基本恒定。隨著放電的進行，蓄電池的電壓必然要降低，如不加入恒流放電裝置而是進行定電阻放電，則放電電流也會隨著電壓的降低而降低。因此要在放電回路中加入恒流放電裝置，補償降低的電壓，使電流基本恒定。負載電阻RL比較放大調(diào)整環(huán)節(jié)取樣電阻RS基準環(huán)節(jié)EEi+-電路由集成運算放大器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，其方框圖為：圖2.1 恒流放電原理框圖2.2 水浴溫度檢測模塊原理簡述2.2.1蓄電池容量與環(huán)境溫度的關系蓄電池的容量是在環(huán)境溫度為25攝氏度時測定的，當使用環(huán)境溫度不同時，蓄電池的放電容量（蓄電池內(nèi)部活性物質(zhì)的化學反應效率）會有所不同。一般而言，在40攝氏度以下溫

31、度范圍內(nèi)，溫度越低，蓄電池的容量也越小歐；在大于40攝氏度的溫度范圍內(nèi)，蓄電池的放電容量會有一個峰值，溫度高于該峰值時蓄電池的放電容量同樣趨于降低。因此，為準備描述一只蓄電池的標準容量，通常在有關標準規(guī)定：也就是說，  我國電動自行車蓄電池國家規(guī)定：若蓄電池在25攝氏度時的相對放電容量為100%，則-10攝氏度時的放電容量不得低于70%。也就是說，以25攝氏度為基礎，溫度每下降1攝氏度，蓄電池的放電的容量平均下降量不得低于0.86%，但溫度與容量下降并不是嚴格的線性關系，同時也與各個廠蓄電池的產(chǎn)品質(zhì)量標準有關，所以在實際工作中可按下面兩種方法估算：  1.溫度每下降1攝氏度

32、，相對容量下降0.98%。  2.蓄電池以2小時率放電的標準放電時間為74min，35攝氏度時放電140min。 水浴溫度控制PID算法介紹電加熱溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后性和時變性的特點。例如：其升溫單向性是由于電加熱的升溫、保溫主要是通過電阻加熱；降溫則通常是依靠自然冷卻，當溫度一旦超調(diào)，就無法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)字方法建立精確的模型，并確定參數(shù)。應用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法，由于電路復雜，器件太多，往往很難達到理想的控制效果。由于無法用精確的數(shù)學方法來建立模型并確定參數(shù)，本設計采用PID控制。如圖2.2為原理框圖。PID控制技術(shù)在現(xiàn)在最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡單

33、，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對象的數(shù)學模型就可以調(diào)節(jié)，所以在恒溫控制系統(tǒng)中通常采用PID算法。PID是比例（proportional）、積分（intergal）和微分(derivative)三者的縮寫。PID調(diào)節(jié)器的三個基本參數(shù)kp(比例系數(shù))、ki（積分系數(shù)）、kd(微分系數(shù))是選擇非常重要，它將直接影響一個控制系統(tǒng)的準確性。而三個環(huán)節(jié)在實際控制中的作用：1、比例調(diào)節(jié)作用：比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，用于減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；2、積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無差度。因為

34、有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)就停止。積分調(diào)節(jié)輸出為一常值，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti.Ti越小，積分時間就越強；反之Ti越大，積分時間就越弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢，積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)或PID調(diào)節(jié)；3、微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢。因此能產(chǎn)生超前的控制作用。在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在為時間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪音干擾有放大作用，因此過強的加微分環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反映

35、的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用的輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。大多數(shù)溫度控制系統(tǒng)均建立在模型上，難以滿足加工工藝要求，運用AT89C51單片機對電阻爐溫度實現(xiàn)智能控制，可以解決上述種種不足，從而實現(xiàn)高精度的控制。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定圖2.2 PID溫度控制原理框圖性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，因此本次設計應用PID控制技

36、術(shù)最為有效。3 硬件設計 全自動蓄電池容量檢測儀的設計需要用到許多的硬件設施，首先控制器選取單片機AT89C51。硬件電路包括溫度采集模塊、時鐘電路、雙向可控硅控制電路、過零檢測電路、+5V穩(wěn)壓電源電路、+12V穩(wěn)壓電源電路、恒流控制電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DA轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、鍵盤電路、報警電路、復位電路、通信模塊以及IO口的擴展電路等.3.1 AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read OnlyMemory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51是一

37、種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.1.1 主要特性（1）與MCS-51兼容（2）4K字節(jié)可編程閃爍存儲器（3）壽命：1000寫/擦循環(huán)（4）數(shù)據(jù)保留時間：10年（5）全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz（6）三級程序存儲器鎖定（7）12

38、8×8位內(nèi)部RAM（8）32位可編程I/O線（9）兩個16位定時器/計數(shù)器（10）5個中斷源（11）可編程串行通道（12）低功耗的閑置和掉電模式（13）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路如圖3.1所示：圖3.1 單片機管腳圖3.1.2 時鐘振蕩電路和復位電路AT89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖3-2。外接石英晶體(或陶瓷振蕩器)及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容

39、量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷振蕩器建議選擇40pF±10pF。圖3.2 時鐘振蕩電路為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路的第一功能是上電復位。單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響

40、應并將系統(tǒng)復位。單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位。如圖3.3所示。圖 3.3復位電路3.2 溫度檢測硬件設計溫度測量轉(zhuǎn)換部分是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的溫度測量方法是：溫度傳感器例如AD590，將測量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機再對采集的數(shù)字信號進行處理。這種模擬數(shù)字混合電路實現(xiàn)起來比較復雜，濾波消噪難度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，鑒于這些考慮，本設計采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度的范圍為-55°C+125°C，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字式傳輸，大

41、大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20為3引腳， DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。溫度采集電路模塊如圖3.4所示。DSB8B20的3腳接系統(tǒng)中單片機的P1.4口線，用于將采集到的溫度送入單片機中處理，2腳和3腳之間接一個4.7K上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。圖3.4 溫度采樣電路DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號

42、位。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如下表3.1。表3.1 DS18B20溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表LS ByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4MS ByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS262524這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。3.3 溫度控制部分硬件設計隨著鉛

43、酸蓄電池的廣泛應用，人們對蓄電池容量檢測的精度越來越高。由此可見，標準對于試驗溫度的要求25±2范圍較為精確，且規(guī)定電池、水浴之間的距離，使之在反應過程中不會相互影響。因為蓄電池放電容量與溫度的關系密切，標準才規(guī)定±2的要求。只有在相同的環(huán)境條件下的試驗結(jié)果才具有可比性，可重復性；另外，在放電過程中，蓄電池將化學能轉(zhuǎn)換成電能，是放出能量，蓄電池要從環(huán)境中吸熱，蓄電池溫度下降，為避免影響化學反應的進行，需要有恒溫水浴向蓄電池補充熱能使其溫度恒定。所以對水浴溫度必須經(jīng)行精確的控制，本設計通過單片機控制雙向可控硅的導通角來控制加熱器的電壓，從而實現(xiàn)對水浴為溫度的精確控制。該模塊用

44、到了單片機和雙向可控硅，可控硅可以直接接在220V交流電路上，但是單片機采用低電壓供電，因此需要采用以一定的隔離措施，將220V和5V弱點隔離，系統(tǒng)使用MOC3051作為弱電和強電的隔離。MOC3051系列光電可控硅驅(qū)動器是美國摩托羅拉公司推出的器件，該器件的顯著特點是大大加強了靜態(tài)dv/dt能力。輸入與輸出采用光電隔離，絕緣電壓可達7500V，觸發(fā)電流為15mA。該系列可以用來驅(qū)動工作電壓為220V的交流雙向可控硅。該調(diào)壓電路通過單片機控制雙向可控硅的導通角來實現(xiàn)的，為了達到精確控制，整個電路包括可控硅控制電路和過零檢測電路。圖3.5 溫度輸出控制電路 圖3.6 過零檢測電路圖中MOC305

45、1是用以可靠驅(qū)動可控硅并實現(xiàn)強弱電的隔離，單片機的P1.2負責驅(qū)動光耦。控制可控硅的導通和關斷。如圖3.5所示，在加熱回路中，可控硅的導通角變化會改變加熱器端的電壓，V2是外供交流220V電源的接入口。為了精確控制可控硅的導通角，電路加入了過零檢測電路，如圖3.6所示，交流電源從V1引入并送入二片光耦，注意光耦的輸入端是反相的。這樣使得交流電壓過零時，無論是從正電壓變?yōu)樨撾妷哼€是從負電壓變?yōu)檎妷海寄軌蛟诠怦畹妮敵龆薈上得到一個正向的階躍信號。經(jīng)過斯密特觸發(fā)器TC4584整形并反相輸出到單片機外部中斷INT1引腳上，作為中斷觸發(fā)信號。單片機由此信號獲得每個正弦周期內(nèi)的二個過零點。該系統(tǒng)的核心

46、是通過單片機控制雙向可控硅的導通角來實現(xiàn)調(diào)壓。在每個交流電壓的過零點，通過過零檢測電路給單片機外部中斷引腳發(fā)出中斷信號，單片機獲得控制周期的起點信號，控制可控硅關斷，并啟動定時器。在定時器定時結(jié)束后才改變雙向可控硅的控制端的驅(qū)動信號，開啟可控硅。假設定時器的定時時間為T，則在交流電壓的一個正弦周期20ms內(nèi)。可控硅導通的時間即為20ms-2T。而定時時間T卻是由水浴溫度和標準溫度的差值決定的。3.4電源穩(wěn)壓電路的設計 為了達到設計要求的精確度和避免測試過程中的電源之間的影響，所各個芯片或者模塊必須要用穩(wěn)壓電源經(jīng)行供電。設計用的AT89C51和DS18B20的供電電壓均為5V，另外反相放大器的供

47、電電壓為12V，所以本設計基于LM7805和LM7812實現(xiàn)5V和12V的電源模塊。 二個穩(wěn)壓電源模塊的組成比較類似。電源電路可分為三大塊：變壓部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分。變壓部分其實就是一個變壓器，變壓器作用是將220V的交流電壓變換成我們所需的電壓9V。然后再送去整流和濾波。整流電路將交流電壓變成單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成份，合之成為平滑的直流電壓。濾波電路常見的有電容濾波電路、電感濾波電路。一般的整流有全波整流、單相半流整流、橋式整流、及變壓整流。穩(wěn)壓電路中我使用的是“三端固定輸出集成穩(wěn)壓器”，穩(wěn)壓電路的作用是當輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化

48、時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。集成穩(wěn)壓器、使用方便、性能穩(wěn)定、更重要的是考慮到它的價格低廉，因而適合在此設計中應用。圖3.7是用三端式穩(wěn)壓器LM7812構(gòu)成的單電源電壓輸出串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的實驗電路圖。其中整流部分采用了由四個二極管組成的橋式整流器成品(也叫整流堆,型號為2W06),當然也可以自已用四個速流二極管(如,IN4001)組成。濾波電容C1、C2一般選取幾百幾千微法。當穩(wěn)壓器距離整流濾波電路比較遠時，在輸入端必須接入電容器C3（數(shù)值為0.33F ），以抵消線路的電感效應，防止產(chǎn)生自激振蕩。輸出端電容C4(0.1F)用以濾除輸出端的高頻信號，改善電路的暫態(tài)響應。圖3.7 基于LM7812的

49、穩(wěn)壓電源電路 5V的穩(wěn)壓電源電路于此類似，采用了集成穩(wěn)壓器LM7805，電容的選取上有些不同，但原理是相同的。圖 3.8 基于LM7805的穩(wěn)壓電源電路3.5恒流放電電路的設計為了檢測蓄電池的容量，需要對電池進行大電流放電，并且要保持電流的基本恒定。隨著放電的進行，蓄電池的電壓必然要降低，如不加入恒流放電裝置而是進行定電阻放電，則放電電流也會隨著電壓的降低而降低。因此要在放電回路中加入恒流放電裝置，補償降低的電壓，使電流基本恒定。電路原理圖如圖3.9，比較放大環(huán)節(jié)由兩個運算放大器構(gòu)成(1片324)，采用+12V，單電源供電，Ra為負載電阻，Rs為取樣電阻。Q5與Q6三極管構(gòu)成調(diào)整環(huán)節(jié)。可調(diào)電源

50、提供基準電源，輸入信號Ei為蓄電池的電壓。電壓隨著放電時間的延長而減小。它經(jīng)過負載電阻、調(diào)整環(huán)節(jié)后在取樣電阻上形成取樣電壓。該電壓與基準電壓比較并經(jīng)放大環(huán)節(jié)放大后，經(jīng)控制調(diào)整環(huán)節(jié)使電路電流恒定。圖3.9 恒流放電電路原理圖若由于輸入電壓的減小而使負載電流減小，則取樣電壓必然減小，從而使取樣電壓Us與基準電壓E的差值(UsE)減小。由于AR3為反相放大器，因此，輸出電壓Ub必然升高，從而使Us升高，保證了放電電流的恒定。恒流過程表示為：EiILUS(UsE)Ub=K(USE)Us。由于檢查不同種類的蓄電池時，要求放電電流的大小不同，因此電路的放電電流值必須是可調(diào)的，該電路節(jié)基準電壓E是由單片機P

51、1.3輸出控制信號通過8位的DA轉(zhuǎn)換器DAC0832，在經(jīng)過同相放大器放大作為基準電壓，所以通過單片機調(diào)節(jié)基準電壓E，則改變了Us與E的比較值，從而就改變了恒流放電的電流值。電路元器件的參數(shù):Ra ：(Emin-3)/Ia，其中Emin為蓄電池的放電終止電壓，Ia為放電電流。蓄電池的終止電壓為10.5V，Ia為3-4.5A，取Ra=2。RS：0.33；Ri：6.2K；Rg：1K；Rj：16K；Re：1K；Rf：100K；Rh：1K。Rm：1k，Rn：2k。3.6 數(shù)字顯示及鍵盤電路的設計在單片機家族的眾多成員中，MCS-51系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)、高可靠性和高性價比,占領了工業(yè)測

52、控和自動化工程應用的主要市場，并成為國內(nèi)單片機應用領域中的主流機型。   MCS-51單片機的并行口有P0、P1、P2和P3，由于P0口是地址/數(shù)據(jù)總線口，P2口是高8位地址線，P3口具有第二功能，這樣，真正可以作為雙 向I/O口應用的就只有P1口了。這在大多數(shù)應用中是不夠的，因此，大部分MCS-51單片機應用系統(tǒng)設計都不可避免的需要對P0口進行擴展。   由于MCS-51單片機的外部RAM和I/O口是統(tǒng)一編址的，因此，可以把單片機外部64K字節(jié)RAM空間的一部分作為擴展外圍I/O口的地址空間。這樣，單片機就可以像訪問外部RAM存儲器

53、單元那樣訪問外部的P0口接口芯片，以對P0口進行讀/寫操作。用于P0口擴展的專用芯片很多。如8255可編程 并行P0口擴展芯片、8155可編程并行P0口擴展芯片等。本設計采用的是8155經(jīng)行的擴展，如圖3.10所示。圖3.10I/O口的擴展接口電路在二種顯示的方法中，靜態(tài)顯示亮度高，編程容易，管理也比較簡單，但占用的I/O口資源較多，為了簡化電路，降低成本，數(shù)字顯示采用動態(tài)顯示方式。所謂動態(tài)顯示，就是單片機定時地對顯示器件掃描。在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示。但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺到所有的器件都在“同時”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點是使用硬件少，因而價格低；但

54、占用機時多，只要單片機不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。動態(tài)顯示的亮度與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。圖3.11 數(shù)字顯示電路原理圖圖3.11為89C51單片機擴展芯片8155和三位共陰極顯示器的接口電路。8155的PA4、PA5、PA6口作為掃描口，由于單片機I/O口的驅(qū)動能力有限，所以要通過三極管9015經(jīng)行電流放大，然后接顯示器公共端，同時起著開關控制的作用；經(jīng)過IO的擴展8155芯片的B口作為段數(shù)據(jù)口。鍵盤實際上是有排練成矩陣形成的一系列按鍵開關組成的，它是單片機系統(tǒng)中最常見的人機聯(lián)系的一種輸入設備。用戶可以通過鍵盤向CPU輸入數(shù)據(jù)、地址和命令。矩陣式鍵盤模式以N個端口

55、連接控制N*N個按鍵實時在LED數(shù)碼管上顯示按鍵信息。顯示按鍵信息省下了很多的I/O端口為他用相反獨立式按鍵雖編程簡單但占用I/O口資源較多不適合在按鍵較多的場合應用。并且在實際應用中經(jīng)常要用到輸入數(shù)字、字母、符號等操作功能如電子密碼鎖、電話機鍵盤、計算器按鍵等至少都需要12到16個按鍵。矩陣式鍵盤又稱行列鍵盤它是用N條I/O線作為行線N條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每個交叉點上設置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為N*N個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。 最常見的鍵盤布局如圖3.15般由16個按鍵組成在單片機中正好可以用一個P口實現(xiàn)16個按鍵功能這

56、也是在單片機系統(tǒng)中最常用的形式本設計就采用這個鍵盤模式。硬件電路設計圖3.13示。把單片機的擴展芯片8155的A口連接到“4*4行列式鍵盤”其中PA0-PA3作為行線，PC0-PC3作為列線，把8155的PB端口連接到共陰極“靜態(tài)數(shù)碼顯示模塊”區(qū)域中對應的a到g端口上系統(tǒng)首先通過CPU對全部鍵盤進行掃描，即把第一根行線置為“0”狀態(tài)其余行線置于“1”狀態(tài)讀入輸入緩沖器的狀態(tài)，若其狀態(tài)全為“1”表明該行無鍵按下，再將第二根行線置為“0”狀態(tài)同樣讀入輸入緩沖器的狀態(tài)如其狀態(tài)也全為“1”則置第一根行線置為“0”狀態(tài)以此類推。如讀入輸入緩沖器的狀態(tài)不全為“1”，確定哪一根列線為“0”狀態(tài)，當某個鍵的行

57、線和列線都為“0”狀態(tài)時表明該鍵按下，最后通過顯示程序?qū)⒃撴I的序號顯示出。圖3.12 鍵盤布局圖3.13 鍵盤硬件電路圖按鍵功能說明： 0-9：數(shù)字鍵； A：設置； B：確定； C：容量顯示切換； D：溫度顯示切換； E：電壓顯示切換； F：電流顯示切換。3.7 報警電路及通信模塊報警電路的設計為了能夠準確把握達到放電電壓的時間，電路設計了報警電路。當蓄電池的的放電電壓達到10.5V時，如圖3.14所示，單片機的P1.3會發(fā)出一個控制信號，經(jīng)過三極管9015驅(qū)動蜂鳴器經(jīng)行報警。圖3.14 報警電路3.7.2 通信模塊的設計在實際應用中，不但要求計算機與外部的設備之間要經(jīng)行信息交換，而且計算機之間也需要交換信息，所以這些信息的交換稱之為“通信”。通信的基本方式分為并行通信和串行通信兩種。串行通信是指計算機主機與外設之間以及主機系統(tǒng)與主機系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的串行傳送。使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。計算機和終