单片机的蓄电池状态监测系统设计
蓄电池的应用十分广泛，它的作用是把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。其充放电都有严格的电压、电流、温度的要求，所以必须设计它的监测系统。
本监测系统是以STC89C52单片机为核心，由单片机控制单元、DS2438信号采集单元、显示单元、报警单元、键盘单元、电源单元组成。本系统可以测量蓄电池电压、电池温度、蓄电池充放电电流等。测量数据在LCD12864上显示，蓄电池的剩余电量会通过3个LED直观显示。通过4个按键设定参数，保证蓄电池工作正常。单片机把读取的数据和设定的值进行比较，如果超出限值的范围，蜂鸣器将会报警。
关键词 蓄电池，状态监测，单片机，DS2438
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 1
1.3 国内外发展现状 1
1.4 发展趋势 3
2 设计要求及系统框图 4
2.1 设计要求 4
2.2 系统框图 4
3 系统硬件设计 5
3.1 单片机最小系统 6
3.2 信号采集电路 12
3.3 显示电路 16
3.4 键盘与报警电路 19
3.5 电源电路 20
4 PCB板制作 21
4.1 PCB板图的绘制 21
4.2 元件安装焊接 22
5 系统调试 22
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录A 总电路图 28
1 引言
1.1 研究背景
蓄电池是一种供应电能方便简单而且安全性非常可靠的直流电源，在电力通信等 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
各大领域都有涉及。蓄电池一般通过串联来获得相对较大的电压，由于每个蓄电池都有一定不同，在工作一段时间后，蓄电池组的某些电池性能会下降，这将导致电池组和整个系统性能的下降，它可能会引起很多难以想象的安全问题。因此，有必要深入研究电池状态监测[1]。
1.2 研究意义
在现今社会，各种电气、电子设备的应用越来越广泛，而这些电子设备都需要有电源的支持才能运作。铅酸蓄电池具有电化学原理明了、无污染、生产工艺很容易掌握、电动势高、原材料丰富而且价廉等等优点，因此被广泛应用在通信、电力、交通等领域。像飞机、船只、汽车这样的交通工具都配备有大型蓄电池，还有通信行业、金融行业的后备电源等等。
从上个世纪末，国外对蓄电池的依赖才逐渐明显，而国内则是在这十几年内才开始逐渐普及，在使用中出现了一些前所未有的问题。其中最大的问题是蓄电池的使用寿命普遍比较低。一般的蓄电池使用说明书里都有标明它的使用寿命可以长达十年，但实际应用时，用户普遍反应蓄电池并不能用到十年，最多四五年的时间，蓄电池的性能就大不如从前。最核心的原因就是不能对蓄电池的使用进行监测。还有一个比较大的问题就是每个蓄电池在性能方面各有不同，在工作一段时间后，电池组中会有某些蓄电池的状态发生变化，性能降低，这样就变得失效，使得整体蓄电池组的性能大幅度下降 [2,3]。
蓄电池是通过内部的化学反应产生电能来供电的，内部的变化不会被及时发现。因此，对蓄电池的工作进行实时的状态监控是非常有必要的。蓄电池的监测系统能正常运行，保证电池，提高电池的使用寿命，保证电力系统的正常运行和降低安全风险，这样能减少很多电池问题，其应用领域非常广泛，很值得去研究它。
1.3 国内外发展现状
现如今的科学技术正在迅猛的崛起，在智能控制系统和变电站自动控制系统中，单片机对其中的蓄电池的自动化监测起了越来越重要的角色。研究蓄电池监测系统的人近些年来已经变的越来越多。对蓄电池的监测的内容，主要是电压，电流，电量以及温度方面的参数。对于温度和电流的测量在技术方面已经趋于成熟，这两种参数都是属于常规的测量。而在蓄电池电压方面的测量，测量单节电池的电压是很容易的，但是当几节蓄电池串联在一起时，对其中一节蓄电池的测量是一个关键的问题。很多人在这个问题上做了很多的研究，有人尝试用触电式继电器来控制对每节电池电压的测量。但是触电式继电器有很多不好的缺点，比如说它的体积大，用起来速度慢，寿命短并且本钱高等等，而且在计算它的电压值的时候步骤是比较麻烦的。因此就会有另一种方法产生，这种方法就是在选择多路输入信号的时候呢，我们通常会采用了模拟开关，选用模拟开关去选通，然后利用V/F转换器来转换模拟信号，V/F转换器它是一种可编程定时器，转换效果是非常好的。但是，采用V/F转换器也有很多技术方面的问题。主要是作为A/D转换器时，它的输入信号的电压比芯片本身的最大工作电压还要高，另外还有的缺点是它的精确度比较低、输入后响应的信号速度慢、信号在比较小的范围内的线性度就会差等等。如果需要在线实时去测量一个正在工作的蓄电池组中的其中一个蓄电池两端的电压时，就可以采用采样，保持电路。但是此采样，保持电路也有很多不好的地方，比如说当这个电路正在进行A/D转换的时候，它的转换的精确度会因为电容的两端的电压发生了波动而降低，并且它的电容充放电有一定的不可以忽略的时间以及晶体管和光电隔离芯片等元件在工作时都有或多或少的动作方面的时间延迟，决定了采样所需要的时间会比较的长等等缺点。测量蓄电池组每个电池电压有着浮动地技术的支持，这使得它的测量结果的精确度会高一点，不过也有缺陷。
基于电力应用工业的需要，美国研制出了BMS蓄电池监测系统。经过多年的研究与开发，在1994年完成了系统的现场试验。铅酸蓄电池综合在线状态监测系统可以实时地测量出很多蓄电池的重要参数：任意一个电池的电压、整个蓄电池组电压、电池内部温度、工作电流、电池组外部的环境温度以及蓄电池的电极利用情况等等。将铅酸蓄电池综合在线状态监测系统安装在需要监测的蓄电池组上，这种电池监测系统是真空密封的。远程控制室通过电话线监控电池，监控时无电池监测次数的限制。正在运行的蓄电池组监测器的数据可以定期的被控制室的电脑访问，并且可以将这些数据下载处理和存储，然后通过各种显示方式显示这些数据，直观便利地了解蓄电池的状态。每个蓄电池的电压测量都是用的一个A/D转换器，这个A/D转换器还要自身带有稳压电路，确保不受影响。电池组的环境温度的测量是用和测量蓄电池组内部的温度一样的装置来测量。这个蓄电池组在线状态监测系统现在被广泛的应用在电厂、通信、电动车辆及医疗等领域[4~7]。
1.4 发展趋势
a)智能化
以微控制器为核心的智能测试仪器，可对蓄电池组的每一个蓄电池实现在线监测，使得系统能够自动进行同时方便的进行数据的存储和调用，大大提高监测的灵活性方便性，进而可以取代人工测量，便于及时迅速的发现电池缺陷。使得状态不良的电池能够及早的发现，及时的处理，进而达到对电池隐患的一个预警作用。
b)网络化
分布于不同区域的电池监测设备受成本及空间等条件的限制。监测人员难以实获得不同区域装置的运行数据，进而难以对整个系统做出正确的分析和判断。网络技在监测系统中的运用，把不同区域的蓄电池监测数据信息分别上传至远程计算机上。而即可利用计算机具有的计算和分析能力的优势，使得电池监测更为的方便，使得电池监测更为的方便，使得数据的到共享。
c)数字化
蓄电池监测模拟技术已经比较成熟，但模拟技术不利于数据传输与共享，并且调试和升级比较困难。所有的数字监控系统，易于修改的控制策略和控制参数，并注入故障监测，误差校正，自诊断，通讯技术，方便地实现实时监控，简化系统，提高系统的可靠性[8~10]。
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 1
1.3 国内外发展现状 1
1.4 发展趋势 3
2 设计要求及系统框图 4
2.1 设计要求 4
2.2 系统框图 4
3 系统硬件设计 5
3.1 单片机最小系统 6
3.2 信号采集电路 12
3.3 显示电路 16
3.4 键盘与报警电路 19
3.5 电源电路 20
4 PCB板制作 21
4.1 PCB板图的绘制 21
4.2 元件安装焊接 22
5 系统调试 22
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录A 总电路图 28
1 引言
1.1 研究背景
蓄电池是一种供应电能方便简单而且安全性非常可靠的直流电源，在电力通信等 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
各大领域都有涉及。蓄电池一般通过串联来获得相对较大的电压，由于每个蓄电池都有一定不同，在工作一段时间后，蓄电池组的某些电池性能会下降，这将导致电池组和整个系统性能的下降，它可能会引起很多难以想象的安全问题。因此，有必要深入研究电池状态监测[1]。
1.2 研究意义
在现今社会，各种电气、电子设备的应用越来越广泛，而这些电子设备都需要有电源的支持才能运作。铅酸蓄电池具有电化学原理明了、无污染、生产工艺很容易掌握、电动势高、原材料丰富而且价廉等等优点，因此被广泛应用在通信、电力、交通等领域。像飞机、船只、汽车这样的交通工具都配备有大型蓄电池，还有通信行业、金融行业的后备电源等等。
从上个世纪末，国外对蓄电池的依赖才逐渐明显，而国内则是在这十几年内才开始逐渐普及，在使用中出现了一些前所未有的问题。其中最大的问题是蓄电池的使用寿命普遍比较低。一般的蓄电池使用说明书里都有标明它的使用寿命可以长达十年，但实际应用时，用户普遍反应蓄电池并不能用到十年，最多四五年的时间，蓄电池的性能就大不如从前。最核心的原因就是不能对蓄电池的使用进行监测。还有一个比较大的问题就是每个蓄电池在性能方面各有不同，在工作一段时间后，电池组中会有某些蓄电池的状态发生变化，性能降低，这样就变得失效，使得整体蓄电池组的性能大幅度下降 [2,3]。
蓄电池是通过内部的化学反应产生电能来供电的，内部的变化不会被及时发现。因此，对蓄电池的工作进行实时的状态监控是非常有必要的。蓄电池的监测系统能正常运行，保证电池，提高电池的使用寿命，保证电力系统的正常运行和降低安全风险，这样能减少很多电池问题，其应用领域非常广泛，很值得去研究它。
1.3 国内外发展现状
现如今的科学技术正在迅猛的崛起，在智能控制系统和变电站自动控制系统中，单片机对其中的蓄电池的自动化监测起了越来越重要的角色。研究蓄电池监测系统的人近些年来已经变的越来越多。对蓄电池的监测的内容，主要是电压，电流，电量以及温度方面的参数。对于温度和电流的测量在技术方面已经趋于成熟，这两种参数都是属于常规的测量。而在蓄电池电压方面的测量，测量单节电池的电压是很容易的，但是当几节蓄电池串联在一起时，对其中一节蓄电池的测量是一个关键的问题。很多人在这个问题上做了很多的研究，有人尝试用触电式继电器来控制对每节电池电压的测量。但是触电式继电器有很多不好的缺点，比如说它的体积大，用起来速度慢，寿命短并且本钱高等等，而且在计算它的电压值的时候步骤是比较麻烦的。因此就会有另一种方法产生，这种方法就是在选择多路输入信号的时候呢，我们通常会采用了模拟开关，选用模拟开关去选通，然后利用V/F转换器来转换模拟信号，V/F转换器它是一种可编程定时器，转换效果是非常好的。但是，采用V/F转换器也有很多技术方面的问题。主要是作为A/D转换器时，它的输入信号的电压比芯片本身的最大工作电压还要高，另外还有的缺点是它的精确度比较低、输入后响应的信号速度慢、信号在比较小的范围内的线性度就会差等等。如果需要在线实时去测量一个正在工作的蓄电池组中的其中一个蓄电池两端的电压时，就可以采用采样，保持电路。但是此采样，保持电路也有很多不好的地方，比如说当这个电路正在进行A/D转换的时候，它的转换的精确度会因为电容的两端的电压发生了波动而降低，并且它的电容充放电有一定的不可以忽略的时间以及晶体管和光电隔离芯片等元件在工作时都有或多或少的动作方面的时间延迟，决定了采样所需要的时间会比较的长等等缺点。测量蓄电池组每个电池电压有着浮动地技术的支持，这使得它的测量结果的精确度会高一点，不过也有缺陷。
基于电力应用工业的需要，美国研制出了BMS蓄电池监测系统。经过多年的研究与开发，在1994年完成了系统的现场试验。铅酸蓄电池综合在线状态监测系统可以实时地测量出很多蓄电池的重要参数：任意一个电池的电压、整个蓄电池组电压、电池内部温度、工作电流、电池组外部的环境温度以及蓄电池的电极利用情况等等。将铅酸蓄电池综合在线状态监测系统安装在需要监测的蓄电池组上，这种电池监测系统是真空密封的。远程控制室通过电话线监控电池，监控时无电池监测次数的限制。正在运行的蓄电池组监测器的数据可以定期的被控制室的电脑访问，并且可以将这些数据下载处理和存储，然后通过各种显示方式显示这些数据，直观便利地了解蓄电池的状态。每个蓄电池的电压测量都是用的一个A/D转换器，这个A/D转换器还要自身带有稳压电路，确保不受影响。电池组的环境温度的测量是用和测量蓄电池组内部的温度一样的装置来测量。这个蓄电池组在线状态监测系统现在被广泛的应用在电厂、通信、电动车辆及医疗等领域[4~7]。
1.4 发展趋势
a)智能化
以微控制器为核心的智能测试仪器，可对蓄电池组的每一个蓄电池实现在线监测，使得系统能够自动进行同时方便的进行数据的存储和调用，大大提高监测的灵活性方便性，进而可以取代人工测量，便于及时迅速的发现电池缺陷。使得状态不良的电池能够及早的发现，及时的处理，进而达到对电池隐患的一个预警作用。
b)网络化
分布于不同区域的电池监测设备受成本及空间等条件的限制。监测人员难以实获得不同区域装置的运行数据，进而难以对整个系统做出正确的分析和判断。网络技在监测系统中的运用，把不同区域的蓄电池监测数据信息分别上传至远程计算机上。而即可利用计算机具有的计算和分析能力的优势，使得电池监测更为的方便，使得电池监测更为的方便，使得数据的到共享。
c)数字化
蓄电池监测模拟技术已经比较成熟，但模拟技术不利于数据传输与共享，并且调试和升级比较困难。所有的数字监控系统，易于修改的控制策略和控制参数，并注入故障监测，误差校正，自诊断，通讯技术，方便地实现实时监控，简化系统，提高系统的可靠性[8~10]。
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