（材料物理与化学专业论文）储氢合金测试系统及镍氢电池管理系统的设计.pdf

熊垫全垒型苎墨丝墨竺塾皇兰竺垩墨丝塑堡! ! ! l 堡垒盘 储氢合金测试系统及镍氢电池管理系统的设计 陈金舟 导师：昊铸 摘要 随着人们对新一代能源氢能的几益重视，储氢合金近年来在国内外得到j 泛的研究。然而，储氢合金测试设备匮乏，国内至今还没有储氢合金的p c t ( p r e s s u r e c o m p o s i t i o n t e m p e r a t u r e ) 性能自动测试设备生产，成为制约国内这一研 究作的重要因素。镍氢电池作为储氧合金的成功应用之一，不仅在小型二次电池 领域得到迅速发展，而日在混合电动车( h e v ) 领域也有着很好的应用前景，实际 应用的关键是如何准确确定电池的荷电状态( s o c ) ，防止过充和过放。本课题包括 两方面f 的内容，首先，丌发储氢龠会自动测试设备；同时，开发镍氧电池管理系统 甲台，以准确确定镍氢电池s o c 。 在详细考察国外现有p c t 测试装胥及其原理的基础上，本文给出了气体一吲体反 应控制器的整体控制方案。采用以a d u c 8 1 2 为核，t l , 的专用控制系统与p c 串口互联 的混合型计算机应用系统方案，提高了系统的稳定性以及可靠性。通过同态继电器 对电磁阀的控制，系统能够根据程序要求控制反应的过程。同时从硬件和软件两方 面对敏感元件进行了保护，从而提高了系统的安全性。本文详细的给出了系统的硬 件电路和控制软件的设计：硬件电路包括主控制板、数字i o 板以及模拟信号l e d 数码显示板；软件包括信号采集、数据处理、阀门操纵、系统测试、自动p c t 程序 以及讣算机界面程序。 根据储氢瓶活化测试的要求，本文还设计了一套活化装置的控制以及流量采集 系统。通过选用不同量程的质量流量计，采用软件控制的方法实现不同量程范围流 量的准确积分计算，以测定储氢材料活化后的放氢量以及放氢性能。 为了满足h e v 的要求，本文设计了镍氢电池管理系统，它检测电池的电流、电 胝、温度、内压等参数，然后根据这些参数尤其是电池内压的变化以及电池充放电 特性，判断电池的倚电状态并对电池的充放电过程进行控制。本文详细给出了硬件 电路和控制软件的设计。硬件电路包括主控制板、数据采集板、人机交旺接口板。 通过多路选择器以及译码电路，系统可以采集多达3 2 个电池的状态信号；通过人机 交互接口板，可以方便地对控制参数进行修改。 统 关键词：p c t ，气体一固体反应控制器，a d u c 8 1 2 ，活化设备、镍氢电池管理系 ! 型堕圭查丝墨丝量笪：垦苎查竺垄竺翌圭兰竺望兰一 d e s i g n o f h y d r o g e n s t o r a g ea l l o yt e s t i n gs y s t e m & n i _ m h b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m c h e nj i n z h o u d i r e c t e db y ：w uz h u a b s t r a c t a si n c r e a s i n ga t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oh y d r o g e ne n e r g y ，h y d r o g e ns t o r a g ea l l o y s h a v eb e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e dr e c e n t l y h o w e v e r , t h el a c ko fr e l e v a n tt e s t i n ge q u i p m e n t s ， e s p e c i a l l yf o rp r e s s u r e c o m p o s i t i o n t e m p e r a t u r e ( p c t ) t e s t i n g ，h a sb e c o m e a k e yf a c t o r h i n d e r i n gt h er e s e a r c ho nh y d r o g e ns t o r a g ea l l o y si nc h i n a a sa s u c c e s s f u la p p l i c a t i o no f h y d r o g e na l l o y s ，n i m hb a t t e r y h a sa c h i e v e d g r e a tp r o g r e s s i nt h ea r e ao fs m a l l s e c o n d a r yb a t t e r i e sa n da l s oh a sap r o m i s i n gp r o s p e c ti nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) a p p l i c a t i o n f o rt h i sp u r p o s e ，a c c u r a t ed e t e r m i n a t i o n o ft h es t a t eo fc h a r g e ( s o c ) o f n i m hb a t t e r i e st op r e v e n tt h eb a t t e r i e sf r o mo v e rc h a r g i n go ro v e rd i s c h a r g i n gi sak e y t e c h n o l o g y t h ef i r s ta i mo ft h i sp a p e ri s t od e v e l o pa l la u t o m a t i ct e s t i n ge q u i p m e n tf o r h y d r o g e ns t o r a g ea l l o y s a t t h es a m et i m e ，an i m hb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e dt oe x p l o r et h es o c o fn i m hb a t t e r i e s t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep d n c i p l eo fp c tt e s t i n ge q u i p m e n t ；t h eo v e r - a l lc o n t r o l s c h e m ef o rt h eg a s s o l i dr e a c t i o nc o n t r o l l e ri sd e c i d e d a d u c 8 1 2i sc h o s e na st h ec o r eo f t h ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc o m m u n i c a t e sw i t hp c t h r o u g hs e r i a lp o r t b ym a n i p u l a t i n gt h e s o l e n o i dv a l v e st h r o u g hs o l i ds t a t er e l a y ( s s r ) ，t h es y s t e mc a nc o n t r o lt h ep r o c e s so ft h e r e a c t i o na sp r o g r a m m e d s o m es a f e t ym e c h a n i s m sw e r ea d o p t e dt op r o t e c tt h es e n s i t i v e d e v i c e so ft h es y s t e m ，w h i c hm a k e st h es y s t e ms a f e r t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e t a i l e d d e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dc o n t r o ls o f t w a r e t h eh a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d et h e m a i nc o n t r o lb o a r d ，t h e d i g i t a ly ob o a r da n dt h e l e dd i s p l a yb o a r d t h es o f t w a r e i n c l u d e st h ed a t aa c q u i r i n g p r o g r a m ，t h ed a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m ，t h ev a l v e sm a n i p u l a t i n g p r o g r a m ，t h es y s t e m t e s t i n gp r o g r a m ，t h ea u t o m a t i cp c tp r o g r a ma n d t h ei n t e r f a c e p r o g r a m o i lt h ep c ， t h e p a p e rd e s i g n sam a n u a l c o n t r o ls y s t e ma n daf l o wa c q u i s i t i o ns y s t e mo fad e v i c e f o ra c t i v a t i n gh y d r o g e ns t o r a g ea l l o y s b yc h o o s i n gd i f f e r e n ts c a l em a s sf l o w c o n t r o l l e r s ， t h es y s t e mc a nc a l c u l a t et h ef l o wo ft h e h y d r o g e nr e a l e a s e db y a c t i v a t e dh y a r o g e ns t o r a g e a l l o y sa c c u r a t e l yi naw i d er a n g e t h ep a p e rd e s i g n san i m hb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mf o rh e v a p p l i c a t i o n t h e s y s t e m m o n i t o r st h e c u r r e n t ，v o l t a g e ，t e m p e r a t u r e a n di n t e m a i p r e s s u r e o ft h ec e l l s 。 a c c o r d i n gt o t h ev a r i a t i o no ft h e s ep a r a m e t e r s ( e s p e c i a l l yt h e c h a n g e o ft h ei n t e r n a l p r e s s u r e ) a n dt h ec h a r g ea n dd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a t t e r y , t h es y s t e m j u d g e st h e s o co ft h eb a t t e r ya n dc o n t r o l st h ep r o c e s so f c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g t h ep a p e rg i v e s 3 储氢夸金测试系统及镍氢电池管理系统的设计陈金舟 t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h ec o n t r o ls o f t w a r e ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t s i n c l u d et h em a i nc o n t r o lb o a r d ，d a t aa c q u i r i n gb o a r da n dh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) b o a r d t h r o u g hm u l t i p l e x e ra n dd e c o d i n gc i r c u i t s ，t h es y s t e m c a na c q u i r es i g n a l so fu pt o 3 2c e l l s t h r o u g ht h eh m ib o a r d ，t h ec o n t r o lr e f e r e n c ec a ne a s i l yb em o d i f i e dw h e n n e e d e d k e yw o r d s ：p c t , g a s s o l i dr e a c t i o nc o n t r o l l e r , a d u c 8 1 2 ，d e v i c ef o ra c t i v a t i n g h y d r o g e ns t o r a g ea l l o y s ，n i m hb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m 4 中科院上海徽系统与信息技术研究所硕士学位论叉 1 绪论 1 1 储氢合金及其应用简介 由于一次能源越来越难以适应人类生存和发展的需要，急需寻找和丌发新能源， 如太阳能、风能、潮汐能、地热能及核能等。为了使这些新能源有效、方便地得到 使用，要育与之相适应的二次能源。氢能因具有储量大、清洁及热效率高、用途广 泛等优点受到特别的重视jc z j 。氢能开发应用的一个关键技术之一就是氢的储存和输 送，储氰合金以其特有的安全性和高的体积储氧密度，具有广泛的应用前景。 储氢合金足一种能与氢气生成金属氢化物，并能在适当条件下可逆的释放氢气 的新型功能材料。目前已经成功开发的储氢合金按组成大致可以分成四种i j j ： 足以l a n i 5 为代表的稀系储氢合金，其特点是活化容易，平台压力适中，吸 放氢平衡压差小，动力学性能优良以及抗杂质气体中毒性能较好。在2 5 和0 2 m p a 压力下，l a n i 5 储氢量约为1 - 4 ( 质量分数) 。二是以t i f e 等为代表的钛铁系储氢合 会，t i f e 价格低廉，在室温下可进行可逆的储欣氢，最大吸氢量可达1 8 ( 质量分 数) 。但t i f e 容易被氧化、活化困难、抗杂质气体中毒能力筹。三是镁系合金，代表 为m 9 2 n i ，为吸氧量最大的储氢合金，可达3 6 ，但放氢动力学性能差，还没有达 到实用。 7 q 是钛锆系储氢合金，其储氢量较大，但是锆等会属元素价格昂贵。 储氢合金的应用范围很广泛【lj ，作为储氢材料，它町以作为氢燃料电池汽车的燃 料箱，可以作为移动或者固定式储氢器；利用反应过程的热效应，可以作为压缩机、 热泵、蓄热装置的蓄热材料；利用其不同温度下平衡氢压的差异，可以作为温度传 感器材料；它还是目前大规模应用的镍氢电池的电池材料。 1 2 镍氢电池在h e v 中的应用 小型镍氢电池冈具有比能量商、无记忆效应、无c d 污染，耐过充过放等优点， 在无线通讯、计算机、音像及家电产品等方面得到广泛应用。镍氢电池在车用动力 电池方衄也得到了广泛的研究，特别是在混合电动车( h e v ) 方面，有着很好的发 展应用前景5 1 。 混合电动车的动力系统中含有电池组和内燃机，它兼有电池电动车和内燃机汽 车两者的优点。混合电动车从设计模式来浣有串联式和并联式两种。串联式混合电 动车的设计思路足采用一台小功率燃油发动机带动一台发电机给电池充电，电池再 将电力输出到一台与驱动轮相连的马达上转化为机械动力推动车辆。串联式混合动 力的设计町以使车辆采用两种方式运行，是纯电动车的方式，即发动机停止工作， 车辆所需的令部动力出电池组向马达输出电力而获得；二是混合动力方式，印发动 储氢合金测试系统厦镍氢电池管理系统的设计陈金舟 机、发电机系统和电池组同时向马达输出电流，使马达的输 “功率达到最大。并联 式混合电动车的基本设计思路是以燃油发动机为主，以电池马达系统的动力为辅。 即采用一台小型的燃油发动机作为车辆的主动力源，控制发动机恒速工作在最佳工 作状态，使燃油得到充分的燃烧，以降低废气中有害气体的排放量。使用再生刹车 系统还，j 叫备刹车时的机械能转化为电能对电池充电。汽车在这种情况卜_ 运行可使废 气的排放量大大降低，而能源的利用率大大提高。 表1 1 所示为目前已经开发出来的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离予电 池、质子交换膜燃料电池应用于h e v 的主要性能比较。从比容量、比功率、安全性、 循环寿命以及环境友好性等方面看，镍氢电池是近期内h e v 用化学电源的最佳选择。 表1 1h e v 用可充电电池性能比较 为了使镍氢电池更好地应用于h e v ，目前的研究工作一方面努力改善镍氧电池 本身性能，如提高电池的比功率，降低电池的自放电率等；另一方面是如何准确计 算和监控电池的荷电状态( s o c ) 6 同艘，以防止电池在使用过程出现过充电和过放 电，从而延长电池的使用寿命。 1 3 储氢合金的性能指标以及测试方法 储薰合金在不同的应用场合有不同的性能要求，作储氢用时应具有的主要性能 指标有川： ( 1 ) 容易活化、吸氢量人； ( 2 ) 生成热小： ( 3 ) 吸收、分解过稃的平衡氢压差( 滞后现象) 小； ( 4 ) 在很大范围内，具有恒定的平衡压力( 平高线压力) ，而且在室温附近的分解 压力应为2 3 a t m ： 中科院上海微系统与信息技术研究所碰士学位论更 ( 5 ) 吸放氢的速度快； ( 6 ) 有效导热率大； ( 7 ) 性能稳定； ( 8 ) 价格便宜。 储氢合金储氢性能的最主要的测试方法是测定合金的吸收分解压力一组成一温度 ( p c t ) 曲线【9 】。图1 1 所示为l a n i 5 合金在2 0 。c n6 0 。c 的p c t 曲线，从图中可以 很直观的看出该合金在指定温度下的一些重要性能，如储氢量( 包括总的储氢量和 有效储氢量，即图中水平等压线平台对应的储氧量) 、平衡压力、滞后效应等。 图1 1l a n i 5 的p c t 曲线图 1 4p e t 曲线的测试装置和方法 早期的p c t 曲线采用全手动操作和记录的方法，图1 2 所示装置为中科院上海 微系统与信息技术研究所九十年代中期以前使用的p c t 测试装置。 图1 2 早期p c t 测试装置图 图中v - l ，v - 2 ，v - 7 为7 个截止阀，v - 8 为针阀，p 0 、p i 、p 2 分别为4 m p a 、 9 储氢舍金测试系统覆镍氢电池- 管理系统的设计陈金舟 1 m p a 和一0 1 o 0 6 m p a 压力表，其操作方法是： 1 将适量合金装入测量装置并榆漏： 2 测最反应器气相空日j 容积v 0 、v l 和v 2 ( v o 由p o 、多通管和反应器窄间组成， v i 山p l 、多通管和反应器组成，v 2 由p 2 、多通管、定容器和反应器组成) ，测 量v o ( v 1 ) 的方法足往v o ( v 1 ) 空间充入指定压力的氢气，然后打开v 8 ，采 用排水集气法计算放出的氢气量，测量v 2 的方法是将v 2 空间抽真空至一0 1 m p a ， 然厉通过v - 8 放入已知量的氧气，根据p 2 读数计算v 2 的体积； 3 对储氢材料进行活化处理，活化的方法是先将系统抽真空( 反应器加热) ，抽真 空后，在加热情况下，放入一定压力的氢气，反应充分后，放出氢2c ，再抽真空， 如此反复几次，根据集气系统计算的放氢量判断活化是否充分。 4 执行手动p c t 操作，对于0 1 m p a 压力范围的放氢过程，采用v 1 容积空问， 通过v - 8 的集气装置计算放氢量，对于低于o m p a 的放氢过程，采用v 2 容积空 问，先抽真空再通过v 4 放氢测压力的方法计算放氢量： 5 ，记录数据和计算处理数据。 由上面的操作方法看，手动p c t 装置要有专人守候和操作，丁作强度大，精度 不够高，而且容易引入人为操作上的误差。此外，因为容器以及管路容积比较大， 为了减小误著，实验使用的试样比较多，通常为几十克，造成材料以及氢气的损耗 量比较火。 幽1 3 所示为先进材料公司( a m c ) 生产的气体反应控制器( g r c ) i o l 。 图1 3 a m c 的g r c 结构图 图1 4 所示为g r c 的控制系统结构图，系统采用 s a 总线，以i b m 兼容p c 作 为系统的控制核心，数据采集卡实现模数转换。 图1 4 g r c 控制结构图 其p c t 测试操纵步骤如下： l 将试样( 人约3 克左右) 装入反应器后，打开v - o 之外的各个阀门，对系统抽真 1 0 塑竺圭查堡墨丝兰竺：! 丝查兰至竺竺主兰竺堡圣一 - h - - 卒，然后关闭所有阀门； 2 打j rv - 2 、v 5 、v - 6 ，通过v 0 放入一定压力的氢气，关闭v - 0 ，加热反应器( 维 持某一温度) 进行活化； 3 活化充分后( 根据压力的变化进行判断，通常时间为半令小时左右) ，放掉氢气， 在加热情况下抽真空： 4 关闭所有阀门，在计算机上设置反应的控制参数，如吸氢过程的最高压力、放氢 过程的最低压力、精度等级、平衡时叫、样品质量等等，设置好后启动自动p c t 程序； 5 重复步骤4 几次，系统自动运行p c t 测试程序，在运行自动p c t 前，系统先进 行测试，判断阀门、抽真空是否正常，并对压力读数进行自动校准。在运行过程 中，系统自动控制整个反应的进行，并自动进行数据的记录和计算，运行状态以 及计算结果可以形象地显示到计算机上。图中v - 0 v - 7 为8 个电磁阀门，町以 通过计算机控制，也由丁以通过手动开关控制。压力、温度的测量分剐通过压力变 送器和温度传感器实现。 通过对操作过程的对照，可以看出先进材料公司的p c t 自动测试没备气体反应 控制器( g r c ) 具有很多优点： 1 除了实验前的试样准备以及材料活化，整个p c t 实验运行过程以及数据的记录由 计算机自动控制实现，从而大大减轻了实验1 ：作量； 2 由于整个p c t 过程由计算机自动控制完成，数据的汜录和计算处理也由计算机实 现，从而减少人为操作因素引入的误差； 3 ，山于采用精密的传感器，而且计算机的控制速度和精度更高，所以整个实验结果 的精度也大大提高； 4 实验过程的运行状惫以及实时结果都显示在计算机显示器上，因而操作人员可以 非常直观的了解反应的进程； 5 m 于反应的精度高，所需材料大大减少，因而减少了浪费。 先进材利公司的气体反应控制器是目前比较广泛采用的p c t 测试设备，它具有 众多的优点，为储氢合金p c t 性能的测试带来很大的方便。但是该设备在困内应用 还有1 i 少的问题： 1 该设备价格昂贵，一般的研究单位难以购买； 2 该公司在国内没有销售代理，只能直接跟厂家联系，购买比较麻烦； 3 该公司在国内没有服务点，因此设备的维修很不方便； 4 该设备完全采用p c 进行控制，p c 的稳定性对整个系统的稳定性有决定性作用； 5 在控制软件方面，该设备还存在很多需要改进的地方，比如：如果在启动自动p c t 后发现参数设置错误想中止运行，系统无法完成这个命令，因为该系统只能中止 单步的过程。 1 5 本文选题 储氢合金经过多年的研究，已经取得了很大的成果，特别是储氢合金在镍氢合 金中的大规模应用。但是很多潜在的应用还处于研究阶段。h e v 等新一代汽车为镍 氧电池发展提供了广阔的应用市场。开发新型的储氢容量高、价格低廉的储氢合金， 堡垒全全型苎墨丝墨堡塾皇丝至兰墨丝塑堡盐! 堕垒查 以及改善储氯合金的热力学、动力学性能，仍然是储氢合金得到进一步发展和应用 的关键。但是圈内的储氢合金专用测试设备的匮乏，成为储氢合金研究工作的一个 重要制约因素。如果能够自主丌发出满足需要的储氧合金测试设备，将会极大的促 进国内储氢材料研究工作的进展。 本文的主要工作是根据储氢合金测试需要，研究开发相应的测试设备，包括用 j 一储氢合金p c t 测试的气体一固体反应控制器以及用来进行储氢瓶活化与测试的活 化装置。此外，研究开发h e v 用镍氢电池管理系统，以建立个研究与测试镍氧电 池s o c 的平台。 翌堕圭查丝墨竺兰堡：垦竺查竺查竺竺圭鲎些堕查 一一_ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - ，_ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 2 气体固体反应自动控制系统 2 1 气体一固体反应控制器工作原理 研究储氢合金与氢气反应性能的一个基本的方法是测出反应的p c t ( p r e s s u r e c o m p o s i t i o n t e m p e r a t u r e ) ，也就是在给定温度下，气体压力和固相中气体 原子数的关系。从p c t 曲线上，呵以得到关于反应特性的重要信息。反应的温度依 赖性源于反应的反应热。气体一固体反应控制器用来自动完成这样的测试。此外，气 体一同体反应控制器还能为研究反应的一些非热力学性质( 如吸氢和放氢过程的滞后 性、吸氢和放氢的速度等) 收集相关数据。 气体一固体反应控制器的工作方式如图2 1 所示，系统首先允许适量的气体进入 储气室，并根据气体的压力和温度( 体积固定而且已知) 确定它的摩尔量n 0 。然后 操纵反应室和储气室之间的阀门，从储气室传送需要的气体量到反应室。反虑完成 后，系统计算反应室和储气室的总的气体摩尔数n 。因为氢气是双原子分子，反应 中，固体吸收的气体原子数为： 修f 图2 1 气体一固体反应控制器工作原理 这早假设固体中气体原子初始量为零，如果初始量不为零，则需要对i 二式进行 m ? ? 2 ( n o ? n g ) ( 2 2 ) 其巾n 。为固体中气体原子的初始摩尔数。 竺垫全垒型堕墨丝墨堡墨兰垡：童兰至堡堕堡兰型堡兰l 一 气体的摩尔分予数出理想气体状态方程得出： | v ? p v r 丁 ( 2 3 ) 方程中，v 同定不变，r 为常数，故系统的精度由压力和温度测量的精度决定。 当温度调节稳定时，压力测量成为主要限制因素。 为了保证在高胍f 气体计算的精度，采用r k 方程引入压缩园子对计算进行修 讵。 气体一固体反应控制器的结构如图2 2 所示，v o 至v 6 为7 个电磁阀门，v o 负责 进气，v 1 接真空泵。 对丁吸氢过程，标定室与多通管构成储。e 室( 控制室不开) ，此时相关的容器体 积大约为5 0 c m 3 ，压力用压力变送器l 测量，其精度为o 0 3 m p ，因此测量的精度为： o 0 3 m p 5 0 c m 3 01 0 1 3 m p = 1 4 8 c m 3 ；对于放氢过程，控制室打开，此时相关容器体 积大约为1 0 0 0 c m 3 ，压力的测量采用精度更高的压力变送器2 ，其精度为0 0 0 1 5 m p ， 测量的精度为：o 0 0 1 5 m p x1 0 0 0 c m 3 o 1 0 1 3 m p = 1 4 8 c 1 3 。 图2 2 气体一同体反应控制器结构图 本反应控制器的设计最高工作压力为8 m p a ，为了防止压力过高，在迸i 【j 安装 了个压力丌关，当压力超过8 m p a 时，电磁蒯门v o 关闭且无法打丌；压力变送器 l 的测量最两压力为0 。5 m p a ，为了保护它，在多通管上安装了另一个压力开关，肖 压力超过o 5 m p a 时，v 6 荚闭并不能打开( 除非多通管的压力降低到允许值) 。 2 。2 气体- 固体反应控制系统硬件设计 2 2 1 控制方案选用及整体设计 从硬件设计的角度考虑，本控制系统耍求实现的功能主要为 能准确测定压力、温度信号，并检测各个电磁阀门的状况； 能够根据没定程序对各个电磁阀门的开关进行控制； 能够实时显示系统的运行状态，并能记录和输出运行结果； 能够进行数据运算和处理； ：具有足够的安全性。 4 中科院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论丈 系统的控制方案采用混合型外总线计算机系统进行控制【l “。它出通用计算机系 统与专用讣算机系统通过外部标准总线相连( 这里用串行标准总线) 。通用计算机系 统称为主机，主要承担人机对话、结果数据处理、记录以及显示等任务：专用计算 机系统主要完成数据采集以及对象控制等功能，称为应用系统。采用这种方案，既 可以利用专用系统配骨灵活、运行稳定的特点，又能充分利用主机强大的人机对话 以及数据处理功能，并且不会占用主机全部c p u 资源。 系统硬件电路结构如图2 3 所示，主要包括作为主机的p c 、主控制器及周边电 路、电磁阀门控制电路、温度测量电路以及压力测量与显示电路。p c 与应用系统通 过r s 2 3 2 进行通讯。 2 2 2 主控制器的选用 图2 3 控制系统硬件结构图 主控制器选用a d 公司的微转换器a d u c 8 1 2 【】”，它集成了高性能自佼准8 通道 1 2 何a d c 、双1 2 位电压输出d a c 和可编程的8 位m c u ( 与8 0 5 1 兼容) 。当采用 1 2 m h z 品振时，a d u c 8 1 2 的采集速率，也就是a d 转换的速度最高可以达到2 0 0 k b s 。 由于具有和8 0 5 1 兼容的内核，除了某些特殊功能( 如a d c 、d a c ) 的程序编写外， 其它程序的编写完全和5 1 一+ 样，这使5 1 单片机的开发者很容易学会开发a d u c 8 1 2 单片机系统。该芯片还自带8 k 字节n 速电擦除( f l a s h e e ) 程序存储器、6 4 0 字节 闪速f 乜擦除数据存储器和2 5 6 字节静态随机存取存储器( s r a m ) 。很多情况下，不 需要外加存储器。虽然如此，a d u c 8 1 2 还能外接最多1 6 m b 的外部数据存储器和最 多6 4 k b 的外部程序存储器。此外，它还支持看门狗定时器、电源供应监测以及a d c 的直接存储器存取( d m a ) 等功能。在外围接口上，a d u c 8 1 2 带有3 2 条可编程的 加线，包括s p i 和标准u a r t 串行i o 端口。a d u c 8 1 2 的功能结构图如图2 4 所示。 堕垒全叁型苎墨丝坠堡塾皇兰萱璺墨丝竺! 盟! 堕塑 图2 , 4a d u c 8 1 2 功能方框图 a d u c 8 1 2 和5 1 系列单片机玎发一个显著的差别就是a d u c 8 1 2 不需要购买专门 的单片机丌发系统，必需要有q u i c k s t a r t 软件包，就可以通过串口从上微机直接把程 序代码写入a d u c 8 1 2 的程序存储器中。q u i c k s t a r t 丌发系统是一个功能完善的 a d u c 8 1 2 单片机系列歼发工具包，呵以免费从a d 公司网页下载，网址： h t 姬：w w w a n a l o g ：c o r r d m i c r o c o n v e r t e r 。q u i c k s t a r t 软件包的主要功能有：代码开发， 完整的汇编器和c 编译器( 限制2 k b 代码) ；代码下载，测速电擦除u a r t 串行下裁 器，在一切硬件都准备好以后，运行代码f 载程序就町以把程序代码写入到a d u c 8 1 2 芯片中；芯片资料文档中有关于a d u c 8 1 2 单片机性能最完整的介绍。在代码下载前， 先把a d u c 8 1 2 的串行接口利计算机的串口依次接好。在a d u c 8 1 2 的5 2 根引脚中第 4 1 引脚为p s e n ，上电复位时，如果丽引脚接+ v c c ，芯片上电后就处在正常工 作状态，反之，如果p s e n 引脚通过l k q 的电阻接地，则芯片上电后，就处于j n 速 电攘除程序串行下载模式，这时，运行q u i c k s t a r t 软件包中的d o w n l o a d e x e 程序就 可以把单片机的程序代码写入到a d u c 8 1 2 的闪速电擦除程序存储器中，写入前， 下载软件会自动对存储器进行电擦除。这个功能为a d u c 8 1 2 单片机系统的丌发提供 了一个非常便利的条件。开发者可以在既不需要购买专门的开发系统又可以在调试 过程中不取下芯片的情况下，根据需要对a d u c 8 1 2 的片内存储器进行多次电擦除一 写入操作。 a d u c 8 1 2 丰富的片内资源以及其便捷的丌发环境，为系统的设计与调试带来方 便，并且能够降低丌发设计的成本。 2 2 3a d u c 8 1 2 外围电路设计 a d u c 8 1 2 基本外围电路如图2 5 所示，它实现如下功能： 输入输出接门与扩展：系统的模拟信号输入包括三路压力信号和三路温度信号， 这些信号经过处理后送入a d u c s l 2 的p 1 端1 ：1 ( p 1 0 到p 1 5 ) ；系统的数字信号输入 包括8 个电磁阀门的开关信号，数字信号输出包括8 个电磁阀门的控制信号。系统 数字信号的输入输出采用总线芯片进行扩展，其中，数字信号输入采用双向八总线 传送器接i 发器7 4 l s 2 4 5 扩展，数字信号的输出采用三态8 d 锁存器7 4 l s 3 7 3 扩展， 使剧厂八反向线驱动器7 4 h c 2 4 0 以提高总线输出驱动能力。 提供系统时钟：采用1 1 0 5 9 2 m h z 晶振，一个机器周期约为1 u s 。 1 6 殳堕圭查竺墨丝兰堡垒垫查翌墨旦堡兰兰皇兰兰。一 j 作模式选择：将p s e n 引脚上的跳线j p 3 接通时，系统工作二串行下载模式； 跳线断- 1 i 时，系统工作于证常模式( 自动运行单片机内部程序) 。 r s 2 3 2 串行通讯；通过单+ 5 v 供电的双通道r s 2 3 2 线驱动接受器a d m 2 0 2 实现 a d u c 8 1 2 与p c 的串行通讯。 手动复位：用单片机监测电路芯片m a x 8 1 3 制作了手动重启电路，运行的任何 时候，按下“重启”按钮，即可手动重启系统。 数据存储器扩展：a d u c 8 1 2 内部集成了6 4 0 字节的1 l j 速，电擦除数据存储器以及 2 5 6 字节r a m 数据存储器，为了保存采集的原始数据以及中间结果数据，采用6 2 6 4 对数据存储器进行扩展。 存储器及片选地址译码：采用一片7 4 l s l 3 8 泽码地址信号线的高二位，通过门 电路实现存储器以及各个扩展i o 端口的寻址。系统的地址空间分配如下： 2 0 0 0 h 3 f f f h ：数据存储器6 2 6 48 k 4 0 0 0 h 一5 f f f h ：数字输入信号扩展端口地址 6 0 0 0 h 一7 f f f h ：数字输出信号扩展端口地址 其他：空闲。 图2 5 a d u c 8 1 2 周围电路原理图 2 2 4 模拟信号采集电路设计 a d u c 8 1 2 的a d c 转换模块集成了快速、8 通道、1 2 位单电源a d 转换器。它 内部自带高精度、低漂移和经过校准的2 5 v 参考电压。也可以通过v r e f 管脚使用外 部的参考电压，外部参考电压范围为2 3 v a v d d 。为了设计方便，本文采用内部参 考电几= 。模拟信号的输入范围为0 v 到v r e f ，在此范围内，设计的编码变换发生在 连续整数个l s b 值的中1 1 日j ( 即1 2 l s b ，3 2 l s b ) ，量化误差为士i 2 l s b ( 1 l s b = f s 2 “= 2 5 v 4 0 9 6 = 0 6 1 m v ) 。在0 到v r e f 范围内，理想的输入输出变换特征细 竺垒全垒型苎! 竺垦堡塾皇兰篁兰墨竺竺! ! 盐! 堕全生 图2 6 所示。 图2 ，6 a d c 转换示意图 图2 7 表示了a d 转换器模拟信号输入单元的等价电路。根据图中开关位置的不 同，每次a d 转换分为两个不同的阶段。在采样阶段( s w l 和s w 2 处于“t r a c k ”位 置) ，输入采样电容被充电，充电电压与模拟输入成比例。在转换阶段( s w l 和s w 2 处于“h o l d ”位置) ，通过内部逐次逼近逻辑寄存器s a r 调整d a c 电容，直到节点 a 的电压为零，表明输入电容上的采样充电与d a c 电容输出充电平衡。保存在s a r 中的最终的数字量被锁存起来作为a d c 变换的输出结果。 图2 7 内部a d c 结构图 当选择个新的输入通道时，2 p f 采样电容上的剩余电荷会在新选择的输入上j 。 牛个瞬态电流。信号源必须能够在采样开关拨到“h o l d ”( 保持) 模式前从瞬态电 流中恢复过柬。可以通过在软件中插入延时来解决这个问题，但是用硬件解决会减 轻软件设计的负担。图2 8 所示为本文所用的硬件解决方案。因为0 0 1 u f 电容大于 苎堕圭童堂墨垫量堡垒垫查翌窒望翌主兰苎堡墨一 采样电容( 2 p f ) 的4 0 9 6 倍，所以当2 p f 电容上电压变化时，它上面的电压变化量 不会超过个计数( 1 4 0 9 6 ) 。图中的肖特基二极管用来防止模拟输入端的最高电压 和最低电压超出允许范围，如果图中的运算放大器为与a d u c 8 1 2 同样供电的轨对轨 运算放火器，则没有必要使用肖特基二极管。虽然单电源轨对轨运放的输出可以很 接近地，但是不可能真正达到地。所以本文中采用i f 负双电源供电。 图2 8 模拟信号输入缓冲 压力信号调理电路 系统中压力的测量包括反应室压力的测量以及多通管的压力测量，其中，多通 管的压力用两个不同量程的压力变送器进行测量，以满足系统的精度要求。压力变 送器选用陕西秦明电子有限公司生产的d b y 3 0 0 序列压阻式压力变送器，输入电压 + 2 4 v ，输出信号l 一5 v 。由于a d u c 8 1 2 的模拟信号输入范围为0 2 ，5 v ，所以需要埘 压力变送器的输出信号进行调理，调理电路如图2 9 所示。首先通过运算放大器产牛 一个一1 v 的电压，与压力变送器输出信号反相叠加，再反相，变为0 4 v ，然后对此 信号进行分压，分压后结果经跟随器送入a d u c 8 1 2 进行a d c 变换。 图2 9 压力信号调理电路 温度测量电路 系统中温度的测量包括多通管温度测量与反应室温度测量。多通管的温度基本 上在室温范围内，采用a d 5 9 0 进行测量。a d 5 9 0 的温度测量范围为一5 54 c + 1 5 0 ， 它具有如下特点i i 剐： 1 a d 5 9 0 是经过校准的两端温度传感器器，只需要一个直流电压供应( + 4 v 到+ 3 0 v ) ，使用这个器件不需要别的如发送、滤波、导线补偿、线性化电路： 2 a d 5 9 0 经过激光修正，并经过大量的最终测试，使得a d 5 9 0 单元可以很容易的 进行替换； 3 a d 5 9 0 是电流输出，而且所需电流很小，这使得它适合远程传感； 4 ，它具有很高的输出阻抗( i o m o ) ，使得它对供应电源的漂移和波动有很好的抑 制作用； 5 a d 5 9 0 可以承受高达4 4 v 的前向电压和2 0 v 的反向电压，因而不容易被损坏。 多通管的温度测最电路如图2 1 0 所示，a d 5 9 0 的电流输出接采样电阻，采样电 1 9 堡垫鱼垒型苎墨丝墨堡塾皇兰重墨墨丝塑堡苎坐全查 阻阻值可以通过电位器进行调节。 牛手；静i n 5 8 1 7 。厂篷l 图2 1 0 a d 5 9 0 温度测量电路 反应器的温度采用k 型热电偶进行测量。k 型热电偶的特征可以近似用卜面的 线忭方程表示： ? ( 4 17 y ? c ) ? 口? 瓦) ( 2 - 4 ) 式中，v n b 为k 型热电偶的输出电压，t 为热端温度( 测量端) ，t o 为冷端温度。 本系统中，待测温度最高为6 0 0 4 c ，假设t o 为o c ，代入( 2 4 ) 式，v a b 的最 大值为2 4 6 m v ，电压输出信号用运放l f 4 1 1 放大1 0 0 倍后送入a d u c 8 1 2 进行a d 转换，温差信号放大电路如图2 1 1 所示，电位器r 5 5 用来对放大倍数进行微调。热 电偶冷端温度补偿有多种方法【1 6 1 ”1 ，如沐浴法( 将冷端置于冰水混合物中) 、恒温 箱法( 将冷端置丁_ 恒温箱中) 、单铜电阻补偿