本科毕业设计说明书
全自动蓄电池容量检测仪的设计 DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECT CAPACITY OF STORAGE BATTERY INSTRUMENTATION
学院（部）：电气与信息工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师：
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安徽理工大学毕业设计
全自动蓄电池容量检测仪的设计
摘要
本设计是以AT89C51单片机为核心的蓄电池容量检测系统，通过对AT89C51单片机软件编程可以实现以下基本要求：1、通过蓄电池放电测量电池容量；2、测量电压动态值；3、可切换显示电池容量/电压；4、测量结束后有报警提示。
为了检测蓄电池的端电压，以便显示电压，要进行电压采样，并且采样电路为小电流放电，使所测试的电压值比较准确；为了检测蓄电池的容量，要进行电流采样，并且为大电流放电，放电电流为3A-4.5A，还要求放电电流尽可能恒定。系统的恒流放电电路由集成运算放大器构成，结构简单，调整方便。该恒流放电电路，保证了放电电流的基本恒定，从而保证了容量检测的准确。实时测量并显示电压，放电到10.5V则放电结束。实时显示当前所放出的容量，积分计算出容量，不须人工计算。
采用了Atmel公司的AT89C51单片机，该单片机片内有4K的ROM，不需外接ROM，由它设计制成的数字显示的蓄电池容量检测系统，其整个系统呈现单片化结构，硬件电路构成简单，主要功能均由软件编程实现，因此体积小、可靠性高、测量显示方便、直观、价格低廉。
关键词：铅酸蓄电池，容量检测，恒流放电
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DESIGN OF THE AUTOMATIC DETECT CAPACITY OF
STORAGE BATTERY INSTRUMENTATION
Abstract
The 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, battery 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 discharge 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 amplifier. 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 by 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 work 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
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目录
摘要（中文） ........................................................ I 摘要（外文） ....................................................... II 1绪论 .............................................................. 1
1.1课题研究的目的与意义 ......................................... 1 1.2 国内外研究状况 .............................................. 1 1.3 本设计要完成的工作 .......................................... 3 2全自动蓄电池容量检测仪的原理简述 .................................. 5
2.1电池容量检测模块原理简述 ..................................... 5
2.1.1 蓄电池容量检测方法 ..................................... 5 2.1.2 蓄电池容量试验条件及要求 ............................... 7 2.1.3 恒流放电电路的介绍 ..................................... 7 2.2 水浴温度检测模块原理简述 .................................... 8
2.2.1蓄电池容量与环境温度的关系 ............................. 8 2.2.2 水浴温度控制PID算法介绍 ............................... 8
3 硬件设计 ......................................................... 11
3.1 AT89C51简介 ................................................ 11
3.1.1 主要特性 .............................................. 11 3.1.2 时钟振荡电路和复位电路 ................................ 12 3.2 温度检测硬件设计 ........................................... 13 3.3 温度控制部分硬件设计 ....................................... 14 3.4电源稳压电路的设计 .......................................... 16 3.5恒流放电电路的设计 .......................................... 18 3.6 数字显示及键盘电路的设计 ................................... 19 3.7 报警电路及通信模块 ......................................... 23
3.7.1报警电路的设计 ........................................ 23 3.7.2 通信模块的设计 ........................................ 23 3.8 A/D和D/A接口电路的设计 .................................... 24 4 软件的设计 ....................................................... 27
4.1主要度量转换 ................................................ 27 4.2 主程序的流程图 ............................................. 31 4.3 A/D转换程序的设计 .......................................... 32 4.4键盘扫描程序的设计 .......................................... 33 4.5数字显示程序的设计 .......................................... 37 4.6 温度控制程序设计 ........................................... 38 5 结论与展望 ....................................................... 40 参考文献 ........................................................... 41 致 谢 .............................................................. 43
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1绪论
1.1课题研究的目的与意义
铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善已成为世界上广泛使用的一种化学电源，具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富(且可再生使用)及造价低廉等优点。主要应用在交通运输、通讯、电力、铁路、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济各个领域，是社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品。随着铅酸蓄电池的广泛应用，如何精确检测蓄电池容量成为广大用户极为关注的问题。GB5008.1标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度25±2℃的水浴中”，由此可见，标准对于试验温度的要求25±2℃范围较为精确，且规定电池、水浴之间的距离，使之在反应过程中不会相互影响。因为蓄电池放电容量与温度的关系密切，标准才规定±2℃的要求，第一，只有在相同的环境条件下的试验结果才具有可比性，可重复性；第二，在放电过程中，蓄电池将化学能转换成电能，是放出能量，蓄电池要从环境中吸热，蓄电池温度下降，为避免影响化学反应的进行，需要有恒温水浴向蓄电池补充热能使其温度恒定。质检部门的监督检验及仲裁检验，工商部门市场监测，教学研究等工作，务求对蓄电池容量检测数据准确无误。务必使试验温度保持在标准要求范围内，才能减少系统误差，得出精确数据，真实反映产品的质量水平。研制蓄电池容量检测系统很有必要。 1.2 国内外研究状况
电池工业是新能源领域的重要组成部分，是全球经济发展的一个新热点，是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的产品。铅酸蓄电池产业是二十一世纪最有发展前途和应用前景的新型绿色能源体系, 同时关系到国家可持续发展战略的实现。近年来，致力于研究蓄电池容量检测仪的研制，铅酸蓄电池技术不断发展，一些产品日臻成熟。
2008中国仪器仪表与测控技术报告大会论文集中由杨明欣 佘勇孟 芳高 国富等人提出的《全自动蓄电池容量检测仪的设计》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，通过计算得到待测蓄电池的实际电容量。本设计以单片机作为核心，采用PID算法，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，系统还具备欠压、过压报警、20条放电信息的存储查询以及实时时钟等功能，自动化程度高，有广泛的应用价值。
学术期刊《通信电源技术》2008年2期收录的由高玉峰、刘亚龙、李春
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平所著的《基于改进型Boost电路的铅酸蓄电池容量检测装置设计》，针对铅酸蓄电池容量检测的特点,提出了一种以Boost电路为主电路,应用PI调节和PWM控制技术实现恒流放电的方案.对传统Boost电路进行改进,解决了启动浪涌电流大和蓄电池误接自保护的问题.阐述了放电电阻的优化设计方法,给出了设计准则.仿真和实验均验证了设计的正确性。
另外，在学术期刊《工业仪表与自动化装置》2011年4期中收录的由贾承谧所著的《全自动蓄电池容量检测仪的研制》。文章介绍研制的全自动蓄电池容量检测仪,该机配有光电隔离型模入、I/O信号数据采集模块,提供了USB接口,方便与PC机相联,操作系统用目前流行的Windows,对4路蓄电池容量并行检测,每路可检测单个6/12/24 V蓄电池,放电电流从0.01～80 A实现程序可控,能精确检测每个蓄电池的容量.
在2012年3期的《电源技术》学术期刊中由储开斌、陈树越、何宝祥所著的《基于DSP的蓄电池容量性能测试仪的设计》中提出了一种基于DSP的蓄电池容量性能测试仪的设计方案.以DSP为核心,多种控制模块为主要结构,用于测试蓄电池的容量、寿命及配组等相关指标.其中,充放电模块采用线性方案,高精度数据采集采用DSP内置A/D芯片,实现高精度测量,符合国标对蓄电池的测试要求.可为研究分析和改善使用的蓄电池性能和寿命提供科学依据.该仪器可单机,也可通过RS-485进行组网测试,具有较好的市场应用前景.
虽然上述的研究已经逐步实现对蓄电池容量检测的合理化，也有部分已经成为产品，但是由于这种技术的限制以及电池内部能量的不可量化性，其产品仍不能满足要求。针对目前的实际情况，就蓄电池制造厂家、蓄电池测试技术研究机构，以及广大蓄电池维护人员而言，都在积极探索一种快速、准确、可靠、安全的蓄电池测试技术。特别对于广大现场维护工程师而言，这种需求更显迫切。遗憾的是，蓄电池是实现化学与电能之间转换的一种非常复杂的装置。蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程，蓄电池的充电过程是电能转化变为化学能的的过程。从电化学的角度，不能对于使用者提供更多的内部的信息。对它进行快速准确的容量测试是非常困难的。由于目前多是密封蓄电池，型号和规格千变万化，性能也不尽相同，外部只有两个电极接头。对于使用者来说，从外部来看，密封蓄电池是一个“黑箱”，至少是一个“灰箱”。对于蓄电池的设计和制造者同样如此。蓄电池容量测试技术的难点：
(1)蓄电池的化学能不能直接测量。
(2)蓄电池化学能本身是一个变量。由于化学反应不完全可逆。化学能随着使用次数和使用时间、储存时间而衰减。
(3)使用容量又与工作温度和充、放电率，充、放电的方法有关，并随着SOC
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状态等条件在变化。
(4)容量相同的密封蓄电池的负载电压和内阻本身具有离散性。即使对于同一个厂、同期生产的、同型号的蓄电池也是如此，无法避免。而且，对于蓄电池组，使用时间越长，蓄电池个体之间的差异性和离散性越大，会出现两极分化。
(5)难以等效。一般来说，不能使用线性元器件或者其任意的组合来等效蓄电池的内部结构。退一步说，使用非线性元器件的组合，可以等效蓄电池的内部结构，也仅适用于特定的电池和特定的条件。不能适用于各种规格的电池以及同一个电池在不同的使用条件。 1.3 本设计要完成的工作
蓄电池具有良好的可逆性，电压特性平稳等诸多的优点，已经成为社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品，为了真实反其产品的质量水平，精确检测蓄电池容量，GB5008.1标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度25±2℃的水浴中”。所以全自动容量检测仪工作时必须包括二部分，即蓄电池容量检测部分和水浴恒温控制部分。整个全自动蓄电池检测包括多路电压电流检测模块、水温检测模块、多路模拟开关选通模块、高速A/D转换电路模块、计数/定时模块、AT89C51单片机控制模块、键盘输入模块、LED显示模块、恒流负载控制模块、恒温调节模块等组成。如图1.1所示。
水浴恒温控制部分，由于整个试验期间要求蓄电池均放置在温度25±2℃的水浴中，所以控制过程中必须及时对温度进行精确控制。首先通过键盘设定恒温经行时的温度值，并且用数码管显示，然后在运行过程中将采样的温度模拟量输入A/D转换器中经行模拟-数字装换，再将转换后的数字用数码管显示，最后用单片机输出控制量，D/A转换后通过光电隔离和驱动电路送到可控硅SCR控制端，从而控制加热器的通电加热功率。
电池容量检测部分，在容量检测时必须按20h率容量、10h率容量、7min率27min率、储备容量的放电要求，即使同一的型号蓄电池的按不同的要求也有不同的放电电流，所以必须选择可控的恒流负载器。首先根据蓄电池的型号和容量检测的要求计算出放电电流，然后选择合适恒流负载器中继电器的开关，在测量期间对多路电压、电流的检测，经过高速多路模拟转换开关和A/D转换器，将转换的数字用数码管显示，单片机根据键盘的输入值来控制横流负载器的继电器开关。如此可实现4路蓄电池容量的高精度检测。
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多路电压电流检测浴池图1.1 显示电路A/D转换电路键盘水温检测AT89C51模块单片机恒流电路控制模块主控模块光耦驱动时钟电路双向可控硅加热器全自动蓄电池容量检测的系统框图
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电池组
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2全自动蓄电池容量检测仪的原理简述
2.1电池容量检测模块原理简述 2.1.1 蓄电池容量检测方法
1.恒流放电法
恒流放电法即100%C的深度放电，它具有容量测试准确可靠的优点，因此，仍然是目前世界上检测电池性能的最可靠方法。核对放电法即全放电的容量试验，是检测电池容量最直接、最可靠的方法，无论是在线还是离线进行检测，都必须设置备用电源作为防范措施，以保证系统的安全。传统的核对放电设备普遍采用电阻丝进行核对放电，并且是人工操作，程序繁琐，存在一定的人身危险，这种传统的核对放电试验方式正在逐步被淘汰。目前，国内外普遍采用了新型的等效的电子负载，以保证电池组恒流放电。经过数小时后，可以找出最落后的一到几节电池，以落后电池到达终止电压时的放电时间与放电电流来估算其容量，并以此容量作为整组电池的容量。不过它的缺点也很突出，主要表现为：
(1)放电时间长，风险大，电池组须脱离系统，蓄电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉，既浪费了电能又费时费力，效率低；少数放电系统采用逆变技术可以将化学能予以回收利用。
(2)进行核对性放电试验，必须具备一定条件，首先，尽可能在市电基本保障的条件下进行；其次，必须有备用电池组。
(3)目前，核对放电只能测试整组电池容量，不能测试每一节单体电池容量，以容量最低的一节作为整组容量，而其他部分电池由于放电深度不够，其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来。
(4)有损蓄电池的容量。由于蓄电池的内部化学反应不是完全可逆的。全深度循环放电的次数是有限的，所以，不宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。但是间隔时间过长，两次核对之间的蓄电池的状态是不确定的。我们会面临两难的选择。密封蓄电池的使用寿命是否终结的主要判据为，电池的剩余容量是否满足机房工作要求，或者满足有关维护规程的要求。国家有关电源维护规程中的恒流放电试验目前仍是唯一被公认的测试剩余容量的最有效方法，它是衡量蓄电池在关键时刻能否发挥作用，确保通信畅通与生产正常的重要手段。
2.不完全放电测试法
对于电池组采用1%～5%C的浅度放电；机房可以没有备用电池组。在放电状态下，对蓄电池组的各单体电池的端电压进行巡检，找出端电压下降最快的一
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只，将其确认为落后电池，再利用核对放电仪器，对该节电池进行核对放电，检测其容量，即代表该组电池的容量。目前，此法可以较快地判定电池组中部分或者个别落后或劣化电池，但还不足以准确测定电池的好坏程度，包括电池的容量等指标，仅适宜作为一个定性测试的参考。以前有厂家根据客户的需求特点，推出一系列在线测试电池容量的设备与仪器，即在线检测仪或在线巡检仪，但是除了少数情况外，一般都达不到一个很理想的效果。原因是多方面的，其中有蓄电池的生产制造工艺的原因，有蓄电池电化学特性的原因，即容量相同的蓄电池的负载电压本身具有离散性。大量研究实践证明，即便是浅度放电状态，单纯通过电压高低完全不足以判别电池性能的好坏。这种方法的优点是操作简单，风险系数小，并可以快速查找落后电池。不过最大的缺点还是测试精度低，只能作为电池落后状态判定依据，不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。同时测试要求较高，测试情况还不是很理想，尤其是容量测试准确度较低。
3.电导(内阻)测量法
电导测试线是目前主要的日常维护仪器。从测试技术分为交流法和直流法，使用95%以上的电导(内阻)测量仪属于交流法。交流法电导测量是向蓄电池两端加一个已知频率和振幅的交流电压信号，测量出与电压同相位的交流电流值，其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。电导是频率的函数，不同的测试频率下有不同的电导值，电池的容量越小，电池电阻越大，电导值越小。电导法能准确查出完全失效的电池，根据大量的实验分析及研究结果证明，电池的容量只有降低到50%时，内阻或者电导会有所变化，降低到40%以后，会有明显变化，所以，根据电池电导值或者内阻值，可以在一定程度上确定电池的性能。采用电导法测试电池的内阻或电导是判定蓄电池好坏的一种有价值的参考思路，但是问题如下：
(1)对于电池的好坏程度，还不能提供准确的数据依据；不足以准确地测算出电池的实际性能指标，尤其是容量指标；不能判断(SOC)容量50%以上的蓄电池的好坏；不能到达国标的要求。根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求，电池组荷电容量达不到80%便应整组淘汰。
(2)不同型号的仪表测量结果的差异性较大，由于各种交流法测量仪的测量频率(15Hz～1000Hz)、测量方法(相位差法、有效值法、调制解调法、比较法等等)和测量电流(1A～10A)相差较大，让使用不同的测量仪对于同一块电池的测量结果相差较大，有时相差一倍。造成用户选择仪表困难，以及对于仪表测量结果的可信度怀疑。目前基于直流法的电导(内阻)测量仪检测水平也未能超出交流法测量仪。电导测量技术虽然测试工作比较简单，但是，由于内阻与容量
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是非线性的，所以，测试结果不能很好地反映蓄电池的真实健康状况。
4.安时Ah容量法
对于动力蓄电池，蓄电池需要频繁的充电、放电。往往采用Ah容量法。使用Ah容量法记录的电能量，需要知道蓄电池的初始状态和终点SOC；但是初始状态和终点SOC受到下述多种因素的影响，在一般情况下，并不是一个常数。所以安时Ah容量法仅能纪录已经使用或通过电量计的电量，而不能较为准确地预测终点SOC。
而本设计采用恒流放电，该电路由集成运算放大器构成，结构简单，调整方便。该恒流放电电路，保证了放电电流的基本恒定，从而保证了容量检测的准确。
2.1.2 蓄电池容量试验条件及要求
容量（ 以启动用铅酸蓄电池为例）：储备容量和20 h 率容量。 （1）储备容量试验
1） 整个试验期间，蓄电池均放置在温度为 25 ℃ ±2 ℃ 的水浴中，电 池上缘露出水面不得超过 25 mm，蓄电池之间和蓄电池与水浴壁之间的距离，均不得少于 25 mm。
2） 蓄电池在完全充电结束后 l ～ 5 h 内。当电解液温度达到 25 ℃ ± 2 ℃ 时，以 25 A 电流放电到蓄电池电压达（ 10.50 ± 0.05）V 时终止，记录放电持续时间 t（min） 。 （2）20 h 率容量试验
1） 整个试验期间，蓄电池均放置在温度为 25 ℃ ±5 ℃ 的水浴中，蓄电池上缘露出水面不得超过 25 mm，蓄电池之间和蓄电池与水浴壁之间的距离，均不得少于 25 mm。
2） 蓄电池在完全充电结束后 1 ～ 5 h 内，当电解液温度达到 25 ℃ ± 5 ℃ 时，以 I20电流放电到蓄电池
端电压达（ 10.50 ± 0.05）V 时终止，记录放电持续时间 t2（ min） 。
3）20 h 率实际容量按下式计算：Ce= I20× t2［1－0.01（T－25）］ 式中： T 为放电终止时中间单体蓄电池电解液温度（ 单位为℃ ）；0. 01 为温度系数。
2.1.3 恒流放电电路的介绍
为了检测蓄电池的容量，需要对电池进行大电流放电，并且要保持电流的基本恒定。随着放电的进行，蓄电池的电压必然要降低，如不加入恒流放电装置而是进行定电阻放电，则放电电流也会随着电压的降低而降低。因此要在放电回路
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中加入恒流放电装置，补偿降低的电压，使电流基本恒定。
电路由集成运算放大器构成，其结构简单，调整方便，其方框图为：
+ 负载电阻RL 调整环节 取样电阻RS Ei 比较放大 基准环节E -
图2.1 恒流放电原理框图
2.2 水浴温度检测模块原理简述 2.2.1蓄电池容量与环境温度的关系
蓄电池的容量是在环境温度为25摄氏度时测定的，当使用环境温度不同时，蓄电池的放电容量（蓄电池内部活性物质的化学反应效率）会有所不同。一般而言，在40摄氏度以下温度范围内，温度越低，蓄电池的容量也越小欧；在大于40摄氏度的温度范围内，蓄电池的放电容量会有一个峰值，温度高于该峰值时蓄电池的放电容量同样趋于降低。因此，为准备描述一只蓄电池的标准容量，通常在有关标准规定：也就是说，
我国电动自行车蓄电池国家规定：若蓄电池在25摄氏度时的相对放电容量为100%，则-10摄氏度时的放电容量不得低于70%。也就是说，以25摄氏度为基础，温度每下降1摄氏度，蓄电池的放电的容量平均下降量不得低于0.86%，但温度与容量下降并不是严格的线性关系，同时也与各个厂蓄电池的产品质量标准有关，所以在实际工作中可按下面两种方法估算： 1.温度每下降1摄氏度，相对容量下降0.98%。
2.蓄电池以2小时率放电的标准放电时间为74min，35摄氏度时放电140min。
2.2.2 水浴温度控制PID算法介绍
电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点。例如：其升温单向性是由于电加热的升温、保温主要是通过电阻加热；降温则通常是依靠自然冷却，当温度一旦超调，就无法用控制手段使其降温，因而很难
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用数字方法建立精确的模型，并确定参数。应用传统的模拟电路控制方法，由于电路复杂，器件太多，往往很难达到理想的控制效果。由于无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数，本设计采用PID控制。如图2.2为原理框图。
PID控制技术在现在最为成熟，控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型就可以调节，所以在恒温控制系统中通常采用PID算法。PID是比例（proportional）、积分（intergal）和微分(derivative)三者的缩写。PID调节器的三个基本参数kp(比例系数)、ki（积分系数）、kd(微分系数)是选择非常重要，它将直接影响一个控制系统的准确性。而三个环节在实际控制中的作用：1、比例调节作用：比例反映系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用，用于减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大的比例使系统的稳定性下降，甚至造成系统不稳定；2、积分调节作用：是使系统消除静态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节就停止。积分调节输出为一常值，积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti. Ti越小，积分时间就越强；反之Ti越大，积分时间就越弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢，积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节或PID调节；3、微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用。在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此微分调节可以改善系统的动态性能。在为时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪音干扰有放大作用，因此过强的加微分环节，对系统抗干扰不利。此外微分反映的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用的输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PI调节器或PID调节器。
大多数温度控制系统均建立在模型上，难以满足加工工艺要求，运用AT89C51单片机对电阻炉温度实现智能控制，可以解决上述种种不足，从而实
键盘设定温度值+PID控制器（AT89C51）-双向可控硅加热器（水温）水温检测（DS18B20）现高精度的控制。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定
图2.2 PID温度控制原理框图
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性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构
和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，因此本次设计应用PID控制技术最为有效。
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3 硬件设计
全自动蓄电池容量检测仪的设计需要用到许多的硬件设施，首先控制器选取单片机AT89C51。硬件电路包括温度采集模块、时钟电路、双向可控硅控制电路、过零检测电路、+5V稳压电源电路、+12V稳压电源电路、恒流控制电路、AD转换电路、DA转换电路、显示电路、键盘电路、报警电路、复位电路、通信模块以及IO口的扩展电路等. 3.1 AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.1.1 主要特性
（1）与MCS-51兼容
（2）4K字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000写/擦循环 （4）数据保留时间：10年 （5）全静态工作：0Hz-24Hz （6）三级程序存储器锁定 （7）128×8位内部RAM （8）32位可编程I/O线 （9）两个16位定时器/计数器 （10）5个中断源 （11）可编程串行通道 （12）低功耗的闲置和掉电模式 （13）片内振荡器和时钟电路 如图3.1所示：
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AT89C51P1.0VccP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RST/VpdP0.7P3.0(RXD)EA/VppP3.1(TXD)ALE/PROGP3.2(INT0)PSENP3.3(INT1)P2.7P3.4(T0)P2.6P3.5(T1)P2.5P3.6(WR)P2.4P3.7(RD)P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1VssP2.0
图3.1 单片机管脚图
3.1.2 时钟振荡电路和复位电路
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-2。
外接石英晶体(或陶瓷振荡器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷振荡器建议选择40pF±10pF。
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XTAL2XTAL1YGNDCRY6MHC333PFC233PF
图3.2 时钟振荡电路
为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。如图3.3所示。
RSTVCCCa22uFRESTRz1KGND 图 3.3 复位电路
3.2 温度检测硬件设计
温度测量转换部分是整个系统的数据来源，直接影响系统的可靠性。传统的温度测量方法是：温度传感器例如AD590，将测量的温度转换成模拟电信号，再经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，单片机再对采集的数字信号进行处理。这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂，滤波消噪难度大系统稳定性不高，鉴于这些考虑，本设计采用数字式温度传感器DS18B20。
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DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度的范围为-55°C～+125°C，现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。DS18B20为3引脚， DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。
温度采集电路模块如图3.4所示。DSB8B20的3脚接系统中单片机的P1.4口线，用于将采集到的温度送入单片机中处理，2脚和3脚之间接一个4.7K上拉电阻，即可完成温度采集部分硬件电路。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
VCCR14.7KDS1820321GNDDSP1.4VCC
图3.4 温度采样电路
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。数据转换如下表3.1。
表3.1 DS18B20温度数据转换表
LS Byte MS Byte Bit7 2 Bit15 S 3Bit6 2 Bit14 S 2Bit5 2 Bit13 S 1Bit4 2 Bit12 S 0Bit3 2 Bit11 S -1Bit2 2 Bit10 2 6-2Bit1 2 Bit9 2 5-3Bit0 2 Bit8 2 4-4这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 3.3 温度控制部分硬件设计
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随着铅酸蓄电池的广泛应用，人们对蓄电池容量检测的精度越来越高。由此可见，标准对于试验温度的要求25±2℃范围较为精确，且规定电池、水浴之间的距离，使之在反应过程中不会相互影响。因为蓄电池放电容量与温度的关系密切，标准才规定±2℃的要求。只有在相同的环境条件下的试验结果才具有可比性，可重复性；另外，在放电过程中，蓄电池将化学能转换成电能，是放出能量，蓄电池要从环境中吸热，蓄电池温度下降，为避免影响化学反应的进行，需要有恒温水浴向蓄电池补充热能使其温度恒定。所以对水浴温度必须经行精确的控制，本设计通过单片机控制双向可控硅的导通角来控制加热器的电压，从而实现对水浴为温度的精确控制。
该模块用到了单片机和双向可控硅，可控硅可以直接接在220V交流电路上，但是单片机采用低电压供电，因此需要采用以一定的隔离措施，将220V和5V弱点隔离，系统使用MOC3051作为弱电和强电的隔离。MOC3051系列光电可控硅驱动器是美国摩托罗拉公司推出的器件，该器件的显著特点是大大加强了静态dv/dt能力。输入与输出采用光电隔离，绝缘电压可达7500V，触发电流为15mA。该系列可以用来驱动工作电压为220V的交流双向可控硅。该调压电路通过单片机控制双向可控硅的导通角来实现的，为了达到精确控制，整个电路包括可控硅控制电路和过零检测电路。
VCCR54.7k加热器R210kV2R35.1kQ4Q3CIN+P1.2EIN-MOC3051R45.1kTRIACC1 图3.5 温度输出控制电路
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GNDINT1Q1IN-R1200kV1IN+TIL117Q2IN-EATETC4584CIN+TIL117C 图3.6 过零检测电路
图中MOC3051是用以可靠驱动可控硅并实现强弱电的隔离，单片机的P1.2负责驱动光耦。控制可控硅的导通和关断。如图3.5所示，在加热回路中，可控硅的导通角变化会改变加热器端的电压，V2是外供交流220V电源的接入口。为了精确控制可控硅的导通角，电路加入了过零检测电路，如图3.6所示，交流电源从V1引入并送入二片光耦，注意光耦的输入端是反相的。这样使得交流电压过零时，无论是从正电压变为负电压还是从负电压变为正电压，都能够在光耦的输出端C上得到一个正向的阶跃信号。经过斯密特触发器TC4584整形并反相输出到单片机外部中断INT1引脚上，作为中断触发信号。单片机由此信号获得每个正弦周期内的二个过零点。
该系统的核心是通过单片机控制双向可控硅的导通角来实现调压。在每个交流电压的过零点，通过过零检测电路给单片机外部中断引脚发出中断信号，单片机获得控制周期的起点信号，控制可控硅关断，并启动定时器。在定时器定时结束后才改变双向可控硅的控制端的驱动信号，开启可控硅。假设定时器的定时时间为T，则在交流电压的一个正弦周期20ms内。可控硅导通的时间即为20ms-2T。
而定时时间T却是由水浴温度和标准温度的差值决定的。 3.4电源稳压电路的设计
为了达到设计要求的精确度和避免测试过程中的电源之间的影响，所各个芯片或者模块必须要用稳压电源经行供电。设计用的AT89C51和DS18B20的供电电压均为5V，另外反相放大器的供电电压为12V，所以本设计基于LM7805和LM7812实现5V和12V的电源模块。
二个稳压电源模块的组成比较类似。电源电路可分为三大块：变压部分、
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整流滤波部分、稳压部分。变压部分其实就是一个变压器，变压器作用是将220V的交流电压变换成我们所需的电压9V。然后再送去整流和滤波。整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及变压整流。稳压电路中我使用的是“三端固定输出集成稳压器”，稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。集成稳压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉，因而适合在此设计中应用。
图3.7是用三端式稳压器LM7812构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品(也叫整流堆,型号为2W06),当然也可以自已用四个速流二极管(如,IN4001)组成。滤波电容C1、C2一般选取几百～几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为0.33μF ），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C4(0.1μF)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。 1L1LM7805GNDVinD1+5VT1AC 220V42C92200C20.1C3100C40.15VTRANS1BRIDGE13GND 图3.7 基于LM7812的稳压电源电路
5V的稳压电源电路于此类似，采用了集成稳压器LM7805，电容的选取上有些不同，但原理是相同的。
1L2LM7812D2T2AC 220V42C5100C60.33GNDVin+12VC7100C80.112VTRANS1BRIDGE13GND
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图 3.8 基于LM7805的稳压电源电路 3.5恒流放电电路的设计
为了检测蓄电池的容量，需要对电池进行大电流放电，并且要保持电流的基本恒定。随着放电的进行，蓄电池的电压必然要降低，如不加入恒流放电装置而是进行定电阻放电，则放电电流也会随着电压的降低而降低。因此要在放电回路中加入恒流放电装置，补偿降低的电压，使电流基本恒定。
电路原理图如图3.9，比较放大环节由两个运算放大器构成(1片324)，采用+12V，单电源供电，Ra为负载电阻，Rs为取样电阻。Q5与Q6三极管构成调整环节。可调电源提供基准电源，输入信号Ei为蓄电池的电压。电压随着放电时间的延长而减小。它经过负载电阻、调整环节后在取样电阻上形成取样电压。该电压与基准电压比较并经放大环节放大后，经控制调整环节使电路电流恒定。
Ra2Rb1kQ6PNPRf100k12VAR3Rc1kEiRe1kUbOPAMPERd1kRn2kADC0809IN2IN3IN1IN4IN0IN5ADDAIN6ADDBIN7ADDCSTARTALEEOCD7D3D6OED5CLOCKD4VccD0Vref(+)Vref(-)GNDD2D1AR2RmOPAMP1kRg1kOPAMPRj16kAR1Rh1kRi6.2kQ5PNPUsRs0.33GNDDAC0832CSVccWR1ILEAGNDWR2D3XFERD2D4D1D5D0D6VrefD7RfbIout1DGNDIout25VAR4OPAMP5VGND
图3.9 恒流放电电路原理图
若由于输入电压的减小而使负载电流减小，则取样电压必然减小，从而使取样电压Us与基准电压E的差值(Us—E)减小。由于AR3为反相放大器，因此，输出电压Ub必然升高，从而使Us升高，保证了放电电流的恒定。恒流过程表示为：Ei↓→IL↓→US↓→(Us—E)↓→Ub=K(US—E)↑→Us↑。
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由于检查不同种类的蓄电池时，要求放电电流的大小不同，因此电路的放电电流值必须是可调的，该电路节基准电压E是由单片机P1.3输出控制信号通过8位的DA转换器DAC0832，在经过同相放大器放大作为基准电压，所以通过单片机调节基准电压E，则改变了Us与E的比较值，从而就改变了恒流放电的电流值。
电路元器件的参数:
Ra ：(Emin-3)/Ia，其中Emin为蓄电池的放电终止电压，Ia为放电电流。 蓄电池的终止电压为10.5V，Ia为3-4.5A，取Ra=2Ω。
RS：0.33Ω；Ri：6.2K；Rg：1K；Rj：16K；Re：1K；Rf：100K；Rh：1K。 Rm：1k，Rn：2k。
3.6 数字显示及键盘电路的设计
在单片机家族的众多成员中，MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术、高可靠性和高性价比,占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，并成为国内单片机应用领域中的主流机型。
MCS-51单片机的并行口有P0、P1、P2和P3，由于P0口是地址/数据总线口，P2口是高8位地址线，P3口具有第二功能，这样，真正可以作为双 向I/O口应用的就只有P1口了。这在大多数应用中是不够的，因此，大部分MCS-51单片机应用系统设计都不可避免的需要对P0口进行扩展。
由于MCS-51单片机的外部RAM和I/O口是统一编址的，因此，可以把单片机外部64K字节RAM空间的一部分作为扩展外围I/O口的地址空间。这样，单片机就可以像访问外部RAM存储器单元那样访问外部的P0口接口芯片，以对P0口进行读/写操作。用于P0口扩展的专用芯片很多。如8255可编程 并行P0口扩展芯片、8155可编程并行P0口扩展芯片等。本设计采用的是8155经行的扩展，如图3.10所示。
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AT89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VpdP3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6(WR)P3.7(RD)XTAL2XTAL1VssNOR+5VVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0+5V8155AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5CERDWRIO/MALETMROUTTMRINRESETVccVssGND 图3.10 I/O口的扩展接口电路
在二种显示的方法中，静态显示亮度高，编程容易，管理也比较简单，但占用的I/O口资源较多，为了简化电路，降低成本，数字显示采用动态显示方式。所谓动态显示，就是单片机定时地对显示器件扫描。在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉暂留现象，所以，仍感觉到所有的器件都在“同时”显示。这种显示方法的优点是使用硬件少，因而价格低；但占用机时多，只要单片机不执行显示程序，就立刻停止显示。动态显示的亮度与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
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DS1DPY_7-SEG_DP10PBPB12PB23PB34PB45PB56PB67PB78DPYaabcfbgdeecdfdpgdpDS2DPY_7-SEG_DP10PBPB12PB23PB34PB45PB56PB67PB78DPYaabcfbgdeecdfdpgdpDS3DPY_7-SEG_DP10PBPB12PB23PB34PB45PB56PB67PB78DPYaabcfbgdeecdfdpgdpGNDGND99GNDQ2Q39Q4901590159015PA4R191KPA5R211KGND 1KPA6R20
图3.11 数字显示电路原理图
图3.11为89C51单片机扩展芯片8155和三位共阴极显示器的接口电路。8155的PA4、PA5、PA6口作为扫描口，由于单片机I/O口的驱动能力有限，所以要通过三极管9015经行电流放大，然后接显示器公共端，同时起着开关控制的作用；经过IO的扩展8155芯片的B口作为段数据口。
键盘实际上是有排练成矩阵形成的一系列按键开关组成的，它是单片机系统中最常见的人机联系的一种输入设备。用户可以通过键盘向CPU输入数据、地址和命令。
矩阵式键盘模式以N个端口连接控制N*N个按键示按键信息。显示按键信息
键虽编程简单但占用I/O口资源较多电话机键盘、计算器按键等
实时在LED数码管上显
相反
独立式按
省下了很多的I/O端口为他用
不适合在按键较多的场合应用。并且
如电子密码锁、
在实际应用中经常要用到输入数字、字母、符号等操作功能列键盘它是用N条I/O线作为行线
至少都需要12到16个按键。矩阵式键盘又称行
N条I/O线作为列线组成的键盘。在行
线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为N*N个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。 最常见的键盘布局如图3.15般由16个按键组成在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能式。
这也是在单片机系统中最常用的形式
本设计就采用这个键盘模
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硬件电路设计图3.13示。把单片机的扩展芯片8155的A口连接到“4*4行列式键盘”其中PA0-PA3作为行线，PC0-PC3作为列线，把8155的PB端口连接到共阴极“静态数码显示模块”区域中对应的a到g端口上
系统首先通
过CPU对全部键盘进行扫描，即把第一根行线置为“0”状态其余行线置于“1”状态读入输入缓冲器的状态，若其状态全为“1”表明该行无键按下，再将第二根行线置为“0”状态同样读入输入缓冲器的状态如其状态也全为“1”则置第一根行线置为“0”状态以此类推。如读入输入缓冲器的状态不全为“1”，确定哪一根列线为“0”状态，当某个键的行线和列线都为“0”状态时表明该键按下，最后通过显示程序将该键的序号显示出。
图3.12 键盘布局
8155AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5S0SW-PBS1SW-PBS2SW-PBS3SW-PBRq5.1kS4SW-PBS5SW-PBS6SW-PBS7SW-PBCERDWRIO/MALETMROUTTMRINRESETVccVssRx5.1k+5VS8SW-PBS9SW-PBSASW-PBSBSW-PBRy5.1kSCSW-PBSDSW-PBSESW-PBSFSW-PBRz5.1k 图3.13 键盘硬件电路图 按键功能说明： 0-9：数字键； A：设置； B：确定；
C：容量显示切换； D：温度显示切换； E：电压显示切换；
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F：电流显示切换。 3.7 报警电路及通信模块 3.7.1报警电路的设计
为了能够准确把握达到放电电压的时间，电路设计了报警电路。当蓄电池的的放电电压达到10.5V时，如图3.14所示，单片机的P1.3会发出一个控制信号，经过三极管9015驱动蜂鸣器经行报警。
VCCSPEAKP1.3Ry1KQ19015GND
图3.14 报警电路
3.7.2 通信模块的设计
在实际应用中，不但要求计算机与外部的设备之间要经行信息交换，而且计算机之间也需要交换信息，所以这些信息的交换称之为“通信”。通信的基本方式分为并行通信和串行通信两种。
串行通信是指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间数据的串行传送。使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。计算机和终端之间的数据传输通常是靠电缆或信道上的电压或者电流变化实现的。如果一组数据的各数据位在多条线上同时被传输，这种传输方式称为并行通信。
串行通信又可以分为异步通信和同步通信。同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。异步通信中，在异步通信中有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率，数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，
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互不同步。
由于AT89C51单片机的RXD和TXD引脚为TTL电平。为了衔接RS232接口。必须实行电平转换，232电平转换采用MAX232芯片把TTL电平转换为RS232电平格式，可用于单品机与微机通信，具体电路原理如图3.15所示。
VCCC14C101uF12345678+C131uF104U2C1+V+C1-C2+C1-V-T2outR2inMAX232VCCGNDT1outR1inR1outT1inT2inR2out161514DB9-213DB9-312RX11TX109J516DB9-227DB9-33849GND5UARTC11+1uF++C121uF异步串口 图3.15 异步串口通信电路 3.8 A/D和D/A接口电路的设计
本设计要进行电压采样和电流采样，因此涉及到A/D转换器的应用。AT89C51单片机内无A/D转换器，要外接A/D，这里选用8位的模数转换器ADC0809。另外在基准电压的设置上用到D/A转换,所以选用8位的转换器DAC0832。
ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单段模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
1.主要特性：
(1)8路8位A/D转换器，即分辨率8位。 (2)具有转换起停控制端。 (3)转换时间为100μs。 (4)单个＋5V电源供电。
(5)模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。 (6)工作温度范围为-40～＋85℃。 (7)低功耗，约15mW。
ADC0809的工作过程是：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
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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。图3.15即为单片机与A/D转换器ADC0809的接线电路图。IN0输入第一路蓄电池的电压信号，IN1输入第一路蓄电池的电流信号，IN2输入第二路蓄电池的电压信号，IN3输入第二路蓄电池的电流信号，IN4输入第三路蓄电池的电压信号，IN5输入第三路蓄电池的电流信号，IN6输入第四路蓄电池的电压信号，IN7输入第,四路蓄电池的电流信号。D0~D7是数据输出线。
+5VUaADC0809D2D1Vref(-)GNDD0Vref(+)D4VccD5CLOCKD6OED7D3ALEEOCADDCSTARTADDBIN7ADDAIN6IN0IN5IN1IN4IN2IN3QQC1DAT89C51P1.0VccP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RST/VpdP0.7P3.0(RXD)EA/VppP3.1(TXD)ALE/PROGP3.2(INT0)PSENP3.3(INT1)P2.7P3.4(T0)P2.6P3.5(T1)P2.5P3.6(WR)P2.4P3.7(RD)P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1VssP2.074LS74DGNDUaU-1I-1U-2I-4U-4I-3U-3I-2NORUbLS1GD7D6D5D4D3D2D1D0Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7ENORUcNOT74LS373 图3.16 ADC0809与AT89C51的接口电路
ADC0809作为单片机的一个外部扩展并行I/O口，口地址为BFFFH。P1.7与WR相或非，产生启动信号START和地址锁存控制信号ALE；P1.7与RD相或非产生输出允许控制信号OE。OE为高电平时，打开三态数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数据总线上，同时启动下一次转换。
DAC0832是采样频率为八位的D/A转换器件。芯片内有两级输入寄存器，使之具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)，本设计采用双缓冲连接方式，接线图如图3.14所示。D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接.该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与
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TTL电路或微机电路相接。
(1)DI7～DI0 ：8位的数据输入端，DI7为最高位。
(2)IOUT1 ：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。
(3)IOUT2 ：模拟电流输出端2， IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1＋IOUT2＝常数。
(4)RFB ：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。
(5)VREF ：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10～-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。 (6)Vcc ：芯片供电电压，范围为(+5~ 15)V。 (7)AGND ：模拟量地，即模拟电路接地端。 (8)DGND ：数字量地。
AT89C51DAC0832CSVccWR1ILEAGNDWR2D3XFERD2D4D1D5D0D6VrefD7RfbIout1DGNDIout2+5VVccP1.0P0.0P1.1P0.1P1.2P0.2P1.3P0.3P1.4P0.4P1.5P0.5P1.6P0.6P1.7P0.7RST/VpdEA/VppP3.0(RXD)ALE/PROGP3.1(TXD)PSENP3.2(INT0)P2.7P3.3(INT1)P2.6P3.4(T0)P2.5P3.5(T1)P2.4P3.6(WR)P2.3P3.7(RD)P2.2XTAL2P2.1XTAL1P2.0VssVCC 图3.17 单片机与DAC0832的连接电路图
如图3.17所示单片机根据基准电压的值向D7～D0输入待转换的数据。
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4 软件的设计
4.1主要度量转换
1:蓄电池电压转换（图3.9）
Us15D1 (4-1a) 255Us1EiRd (4-1b)
RdRbRc式中： D1—A/D转换IN-1输入端的8位输出；
Us1—IN-1输入端的模拟电压值；
E—蓄电池的端电压。
D2 (4-2a) 255 (4-2
2:蓄电池电流转换（图3.9）
Us5IaUsRsb)
式中： D2—A／D转换IN0输入端的8位输出；
US—IN0输入端的模拟电压值；
Ia —蓄电池放电的电流值。
3:蓄电池电容转换
蓄电池作为备用电源广泛用于电力、通讯、电子设备等行业。在使用过程中人们需要了解蓄电池的实际容量，蓄电池的容量Q是以“Ah”为单位来计量的。
Q=
式中： I—电池的放电电流；
t—电池的放电时间。
积分运算是通过求和运算来实现的。
t0Idt (4-3)
QIat (4-4)
式中： Ia为测量的负载电流；
t为单片机采样周期(即1ms)。
容量显示的最小单元为0.1Ah，t=1ms=1/3600000h；当I=360000A时，
Q=0.1Ah。I每次累加到360000A，则容量Q加上0.1Ah。由于数据存储器的容量问题，将I累加值的高八位存入82H，低八位存入81H。当I=36000时，83H
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为1，然后82H，83H的数据清零。当I再次累加到36000时，83H的数据加1，当83H的数据为10时，即证明已经加了10次，I的值已经为360000A，则容量Q应加上0.1Ah。如此反复，则能实现容量Q以0.1Ah的速度累加，进而显示成XX.X的形式。
4：温度控制的PID算法
PID调节规律的基本输入输出关系可用微分方程表示为：
t1de(t)（4.5） u(t)KPe(t)e(t)dtTD
TI0dt式中e(t)为调节器的输入误差信号，且
e(t)r(t)C(t) （4.6） 其中：r(t)为给定值，C(t)为被控变量； u(t)为调节器的输出控制信号； KP为比例系数；
TI为积分时间常数；
TD微分时间常数。
计算机只能处理数字信号，若采样周期为T第n次采样的输入误差为en，且enr(n)C(n)，输出为u(n)，PID算法用的微分积分e(t)dt由eKT代替，于是得到
0t
een1de由差分n代替，
Tdt1unKPenTI写成递推形式为
TTDi0nenen1（4.7）
T△ununun1
n1TTn =K(enen1)(eiei)D(en2en1en2)
TIi0Ti0PTT =KP(enen1)enD(en2en1en2)
TIT =KP(enen1)KPTTenKPD(en2en1en2) TIT28
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=KP(enen1)KIenKD(en2en1en2)
=PPPIPD （4.8） 其中：PPKP(enen1) （4.9） PIKPTenKIen （4.10） TI PDKPTD (en2en1en2)KD(en2en1en2) （4.11）
T 显然，PID计算△un只需要保留现时刻en以及以前的两个偏差量en1和
en2。初始化程序初值en1en20通过采样并根据参数KP、KD、KI以及en、en1和en2计算△un。
根据输出控制增量△un，可求出本次控制输出为
unun1+△un=un1PPPIPD （4.12）
KD、KI由于电阻炉一般是属于一阶对象和滞后的一阶对象，所以式中KP、
的选择取决于电阻炉的阶跃响应曲线和实际经验，工程上已经积累了不少行之的参数整定方法。本设计采用Ziegler-Nichols提出的 PID归一调整法，调整参数，主要是为了减少在线整定参数的数目，常常人为假定约束条件，以减少独立变量的个数，令：
T0.1TU （4.13） TI0.5TU （4.14） TD0.125TU （4.15）
T式中U称为临界周期。在单纯比例作用下（比例增益由小到大），是系统
KT产生等幅振荡的比例增益U，这时的工作周期为临界周期U，则可以得到 △un =KP(enen1)0.2en1.25(en2en1en2)
=KP(enen1)0.2KPen1.25KP(en2en1en2)
=KP(enen1)KIenKD(en2en1en2) （4.16） 式中KI=0.2KP，KD=1.25KP （4.17） 从而可以调节的参数只有一个。可设计一个调整子程序，通过键盘输入改变KP值，改变运行参数，使系统满足要求。 下面对PID运算加以说明：
1、所有的数都变成定点纯小数进行处理。
2、算式中的各项有正有负，以最高位作为符号位，最高位为0表示为正数，为1表示
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负数。正负数都是补码表示，最后的计算以原码输出。
3、双精度运算，为了保证运算精度，把单字节8位输入采样值Cn和给定值rn都变成双字节16位进行计算，最后将运算结果取成高8位有效值输出。 4、输出控制量un的限幅处理。为了便于实现对晶闸管的通断处理，PID的输出现在在0～250之间。大于250或小于0的控制量un都是没有意义的，因在算法上对un进行限幅，即
umin un=unumaxunuminuminunumax （4.18） unumaxPID的计算公式采用位置式算法，计算公式为
unun1+KP(enen1)KIenKD(en2en1en2)
=un1PPPIPD （4.19）
单片机将实际水温C(t)和设定值r(t)进行比较获得误差信号e(t),经过单片机内部的PID程序的控制输出控制量，而系统的采样周期T确定以后，一旦确定出Kp、Ti、Td，只要使用前后3次测量的我温度偏差值求出控制量。 由于双向可控硅最终要由单片机来控制, 这就要求单片机计算出每控制1度角所对应的时间常数, 即当量值。 简便方法是利用单片机内部资源, 外部中断INT1和定时器T1来接收同步脉冲信号,T1则进行内部计数即定时方式。 首先选择晶振, 交流电每半波占用的时间为0.01s,而定时器的最大计数 2= 65536, 则计数脉冲频率 f max = 2/0.01s=6.55 M由于计数脉冲由晶振通过内部分频电路获得, 所以理论上晶振 f ose= 12×6.55= 78.6M.从实际应用考虑,晶振选用 12 M，这样计数脉冲频率为1M ,定时器 T1模式选择方式 1.当第一个同步脉冲下降沿到来时,令TR 1= 1,启动定时器T1, 当第二个同步脉冲下降沿来到时令TR 1= 0,停止计数器T1计数。取出计数值 n,n次实验后,求出平均,则当量值 C = N/180, 记录当量值。
每度控制角的当量值确定后, 就可以由单片机来控制双向可控硅控制角。当电路通过过零检测电路给单片机外部中断INT1引脚发出中断信号，单片机获得控制周期的起点信号，控制可控硅关断，并启动定时器。误差信号e(t)经过PID程序算法之后，由位置式公式（4.19）算出这一时刻应该输出的量值un，而定时器的时间T= un/C，当量值C是每控制1度角所对应的时间常数，由此可以根据PID的输出量确定导通角α的值。在定时器定时结束后再由单片机引脚P1.2输出可控硅的控制端的驱动信号，开启可控硅。
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开始参数的初始化采集水温的实际值C(t)与设定值r(t)相比较，计算出差值e(t)=r(t)-C(t)计算出PID控制参数enen1)PPIKIenPpKp(DKD(en2en1en2)控制器输出UUnn1PIPPPD触发导通双向可控硅更新参数返回 图4.2 PID控制的程序流程图
5：温度度量转换
12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0， 这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际 温度。 例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FE6FH，-55℃的数字输出为FC90H . 4.2 主程序的流程图
首先将程序所需用的A／D转换、Ah计算、Ah累加及键盘的扫描、显示制成模块，确定其出口条件和入口条件，以方便调用。程序流程如图4.3所示
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开始初始化容量检测 开始？YN调AD转换，读入电压、电流、温度结果转化，对电流求和调用通信模块调用温度控制模块调用键盘扫描控制子程序调用显示程序NY端电压>10.5指示结束
图4.3 主程序流程图
4.3 A/D转换程序的设计 AD转换的程序流程框图如图4.4所示：
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开始设置通道号启动AD转换是否结束？YN读结果8路通道转换完？YN修改通道返回 图4.4 AD转换程序流程图
4.4键盘扫描程序的设计
采用行扫描法识别闭合键的程序流程图如图4.6所示。 键盘扫描程序：
KEY1: LCALL KS1 ;检查有闭合键？ JNZ LK1 ;A非0有键闭合则转 LJMP LK8 ；无闭合键则返回 LK1: LCALL DIR ；有闭合键则延时20ms LCALL DIR ；消抖
LCALL KS1 ；再次检查有键闭合否 JNZ LK2 ；有键闭合则转 LJMP LK8 ；无闭合键则返回 LK2: MOV R3, #00H ；行号初值送R3 MOV R2,#0FEH ；行扫描初值送R2 LK3: MOV DPTR,#0101H ；指向8155口A MOV A,R2 ；行扫描键值送A
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MOVX @DPTR,A ；扫描1行 INC DPTR
INC DPTR ；指向8155口C MOVX A,@DPTR ；读入列值 ANL A,#0FH ；保留低4位 MOV R4,A ；暂存列值 CJNZ A,#0FH,LK4 ；列值非全1则转 MOV A,R2 JNB ACC.7,LK8 RL A MOV R2,A INC R3 SJMP LK3 LK4: MOV A,R3 ADD A,R3 MOV R5,A ADD A,R5 MOV R5,A MOV A,R4 LK5: RRC A JNC LK6 INC R5 SJMP LK5 LK6: PUSH R5 LK7: LCALL DIR LCALL KS1 JNZ LK7 LCALL DIR LCALL DIR POP A KND: RET LK8: MOV A,#0FFH ; RET KS1: MOV DPTR,#0101H ；行扫描值送A
；已扫描到最后一行则转；未扫完则移至下一行；行值存入R2 ；行号加1 ；转至扫描下一行 ；行号送人A ；行号×2 ；暂存 ；行号×4 ；存入R5 ；列值送入A ；右移一位 ；该位为0则转 ；列号加1 ；列号未判完继续 ；保护键值 ；扫描一遍显示器 ；发全扫描信号 ；键未释放则等待 ；键已释放 ；延时20ms消抖 ；键值存入A中 ；返回
无闭合键标志FFH存入A中 ；返回
；有无闭合键判断子程序
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MOV A,#00H ；取全扫描信号 MOVX @DPTR,A ；发全扫描信号 INC DPTR INC DPTR ；指向8155的C口 MOVX A,@DPTR ；读入列值 ANL A,#0FH ；保留低4位 ORL A,#0F0H ；高4位取1
CPL A RET
；取反无键按下则全0 ；返回 35
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开始N有键闭合？Y 延时20ms，消除闭合抖动逐行扫描键盘N找到闭合键Y形成键值N键已释放？Y延时20ms，消除释放抖动N 是命令键？Y转入数字键处理转入命令键处理返回
图4.6 键盘扫描程序流程图
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开始Y功能键C？NY电容值送显示RAM功能键D？NY温度值送显示RAM功能键E？N电压值送显示RAM电流值送显示RAM调用显示子程序返回
图4.7 命令键子程序
4.5数字显示程序的设计
本系统采用动态显示方式，LED为共阴极。
表4-1 共阴极七段LED显示字型编码表
显示字符
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A
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共阴极段选码
3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 6FH 6FH 77H
显示字符
B C D E F P U R Y 8. 不显示
共阴极段选码
7CH 39H 5EH 79H 71H 73H 3EH 31H 6EH FFH 00H
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开始 置PA5为高，选通第二位数码管 查表显示码送缓冲 延时 关所有数码管 输出段码数据 关数码管 置PA4为高，选通一位数码管 延时 输出段码数据 置PA6为高，选通第三位数码管 关数码管 延时 输出段码数据 返回 图4.7 3位数码管显示流程图
4.6 温度控制程序设计 温度控制程序流程图如4.8所示
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开始DS18B20读取温度设定温度与当前温度比较是否超过温度范围？YN进行温度控制返回
图4.8 温度控制程序流程图
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5 结论与展望
设计采用AT89C51单片机为核心，使系统呈现单片化结构。尤其是采用了直观的数字显示，可直接显示放电容量，避免了人工计算。在定电阻放电状态下，也可方便地测量出其准确的蓄电池容量，且体积小、可靠性高、价格低廉、测量方便、具有很高的性能价格比，一定会得到广泛的应用。
针对目前的实际情况，就蓄电池制造厂家、蓄电池测试技术研究机构，以及广大蓄电池维护人员而言，都在积极探索一种快速、准确、可靠、安全的蓄电池测试技术。特别对于广大现场维护工程师而言，这种需求更显迫切。遗憾的是，蓄电池是实现化学与电能之间转换的一种非常复杂的装置。蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程，蓄电池的充电过程是电能转化变为化学能的的过程。从电化学的角度，不能对于使用者提供更多的内部的信息。对它进行快速准确的容量测试是非常困难的。由于目前多是密封蓄电池，型号和规格千变万化，性能也不尽相同，外部只有两个电极接头。对于使用者来说，从外部来看，密封蓄电池是一个“黑箱”，至少是一个“灰箱”。对于蓄电池的设计和制造者同样如此。但铅酸蓄电池由于其技术成熟、成本低、安全可靠、跟随负荷输出特性好等优点，正成为近期及过渡时期电动车用动力源的理想选择，它克服了燃油汽车尾气排放造成的大气污染而被称为交通工具的绿色能源，因此，对其容量检测方法的探讨会不断深化，其具有较强的实际应用价值。
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致 谢
在这次毕业设计过程中，我知道光靠我个人的力量是不可达到的，同时要有学校给我们这个机会，欧阳名三老师对我们的耐心指导，我们的组员给我的帮助与大力支持这样我才能将课程设计顺利地做完。
感谢欧阳老师对我们的耐心指导。引导我们，让我学会了解决问题的方法。 同时感谢我们的组员给我的帮助与大力支持，在我们的共同努力下解决了不少问题。
有了学校及系给的机会及条件、老师的热心指导和大力支持、同学互相帮助和团结协作，才有了这次毕业设计的成功，我在这里忠心地感谢学校、老师还有同学们！谢谢你们！
经过此次的毕业设计，我受益非浅，也翻阅了大量的书籍和浏览了无数的网页。这次的设计是我的一次实践，也刚刚打开科技的大门，今后我还想拥有更多的机会去实践，让我得到更多的锻炼！
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