蓄电池容量检测设计

1、 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 王志宾 指导教师： 唐晓燕 完成日期 2011 年 5 月本科生毕业设计（论文） 基于单片机的蓄电池性能测试电路的设计Test Circuit of Accumulators Function Based on MCU总计： 毕业设计（论文） 27 页表 格： 0 个插 图 ： 18 幅本 科 毕 业 设 计（论文）基于单片机的蓄电池性能测试电路的设计Test Circuit of Accumulators Function Based on MCU 学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电

2、气工程及其自动化 学 生 姓 名： 王志宾 学 号： 097409028 指 导 教 师（职称）：唐晓燕（讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 基于单片机的蓄电池性能测试电路的设计电气工程及其自动化专业 王志宾摘 要 阀控铅酸蓄电池作为后备电源已经广泛应用于工业生产，交通、通信和军事领域。如何高效率管理这些蓄电池，提高后备电源系统的可靠性是一个很现实的重要课题。因此，本课题设计一基于单片机的蓄电池性能检测系统。该系统采用精密电阻和电池构成串联电路，用交流注入法对蓄电池注入微弱正弦波信号，通过对输出响应进行一系列的放大、幅相检测、AD转换和采集，然后根据测量到的电压比来推算电池内阻。试验结

3、果表明：该方法能够被有效地用于铅酸电池内阻测量，测量结果稳定有效。关键词 幅相检测；AD转换；单片机；电池内阻 Test Circuit of Accumulators Function Based on MCUElectrical Engineering and Automation Specialty WANG ZhibinAbstract: Valve control of lead-acid batteries as a backup power supply has been widely used in industrial production, transportation,

4、communications and military areas. How to efficient management these batteries, improve the reliability of backup power system is a very realistic important topic. Therefore, the subject is based on single chip design a battery performance testing system. The system adopts the precise resistance and

5、 battery constitute a series circuit, using ac injection method to inject weak battery sine wave signal, a series of output response by the amplification, amplitude and phase detection, AD transform and acquisition, and then based on the measured resistance calculation battery voltage board. Test re

6、sults show that the method can be used effectively as lead-acid battery resistance measurement, the measured results stable and effective. Key words: Amplitude and phase detection; AD transform; SCM; battery resistance 目 录1引言11.1研究背景11.2蓄电池研究现状11.3蓄电池的性能指标21.4蓄电池性能的判断因素32测试方法研究42.1内阻参数的相对性与绝对性42.2蓄电

7、池内阻与容量的关系52.3蓄电池等效电路52.4方案的探讨62.5交流法73硬件电路的设计83.1总体框架83.2主处理器模块103.3探测电路123.4差分放大电路133.4.1 INA321芯片简化图133.4.2 INA2321电路图143.5幅相检测电路143.5.1 AD8302介绍143.5.2 AD8302电路图153.6模数转换模块设计163.6.1 模数转换芯片AD0809163.6.2 ADC0809与单片机的接口电路173.7液晶显示183.7.1 LCD1602介绍183.7.2 LCD1602与单片机的接口电路204软件部分214.1 主程序214.2 A/D转换子程

8、序224.3 LCD1602初始化部分23结束语25参考文献26致谢271 引言1.1 研究背景阀控铅酸蓄电池(Valve Regulated Lead Acid BatteryVRLAB)作为后备电源已经广泛应用于工业生产，交通、通信和军事领域。如何高效率管理这些蓄电池，提高后备电源系统的可靠性是一个很现实的重要课题。现代社会在能源日益紧张的情况下，太阳能、风能等新能源的开发，电动汽车或混合动力汽车的出现，能有效缓解能源紧张的局面，这就进一步引发了对具有高能量储备性能的VRLAB的巨大需求。对动力型VRLAB电池组进行实时有效的监测管理是提高系统可靠性必不可少的重要方法。本课题的研究设计具有

9、非常广阔的发展前景和巨大的经济价值。1.2 蓄电池研究现状目前测量蓄电池性能方法很多，常见的有以下几种：第一种方法是通过检测电解液密度确定蓄电池剩余容量，这也是铅酸蓄电池检测普遍采用的方法。电解液密度在充电过程中逐渐变高，放电过程中逐渐降低。通过测量电解液的密度可判断蓄电池的充放电程度。第二种方法是高电率放电法判断蓄电池剩余容量，它是通过测量大负荷下的端电压来判断蓄电池的剩余容量。它是模拟启动机启动时的负载，测出蓄电池在大电流放电时的端电压，根据端电压变化来判定蓄电池的技术状态。此方法能检测蓄电池有无故障及向启动机基与单片机的船用蓄电池智能检测系统供电的能力，但不能测量正在充电和刚充完电的蓄电

10、池。第三种方法是湿度法检侧蓄电池的容量，湿度法是借助固体电化学湿度传感器，在蓄电池充放电过程中，将电解液相对湿度变化转化为传感器阻抗值的变化来确定蓄电池的容量。相对湿度小时，阻抗较大，反之阻抗较小。这种方法只是刚刚提出，还没有看到真正的应用。第四种方法是利用蓄电池的阻抗求算蓄电池的剩余容量，这种方法多用来测量密封的蓄电池。它是利用蓄电池充电过程中阻抗值升高，放电过程中阻抗值降低的特性，从被测量电池的频率响应数据预示电池的容量。交流电桥法测量是在忽略浓差极化因素下进行的，因为电池对交流信号既有电阻特性又有电容特性，使得所测电池内阻随频率变化而变化。目前电池内阻的测量方式主要有两种：直流放电法和交

11、流阻抗法直流放电法以理想直流电路为基础，对蓄电池进行瞬间大电流放电(一般为几十到上百安培)，然后测量电池两端的瞬问压降，再通过欧姆定律计算出电池内阻。该方法简单、易于实现，在实践中得到了一定的应用。但该方法必须在静态或脱机的情况下进行，无法实现在线测量，且蓄电池组放出的瞬间电流较大，对蓄电池组和负载均会造成较大冲击，影响电池使用。此外，测量结果稳定性不佳，一般适用于对测量精度和安全性要求不高的场合。交流阻抗法是一种以小幅值的正弦波电流或者电压信号作为激励源，注入蓄电池，通过测定其响应信号来推算电池内阻。交流阻抗法既不是稳态法，也不是暂态法，而是在一个稳态下施加一个小的扰动，是一种准稳态方法。该

12、方法的优点在于在线测量可避免小扰动对系统产生的影响，扰动与系统的响应之间保持近似线性关系。然而，目前这种方法在实现上较为困难，仍有值得改进之处。本文中基于交流阻抗法，给出一种易于实现的内阻测量方法，并通过实验验征了方法的有效性。1.3 蓄电池的性能指标（1）安全性能安全性能指标不合格的蓄电池是不可接受的，其中影响最大的是爆炸和漏液。爆炸和漏液的发生主要与蓄电池的内压、结构、工艺设计（比如安全阀失效）及应当禁止的不正确操作有关。（2）额定容量为了蓄电池的容量，定义了蓄电池的额定容量。额定容量是蓄电池制造的时候，规定蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的电量，其单位为Ah。使用条件不同，蓄电

13、池能够放出的容量也不同。（3）内阻蓄电池的内阻是指电流流过蓄电池内部时所受的阻力，铅酸蓄电池的内阻很小，需要用专门的仪器才可以测得到比较准确的结果。一般所指的蓄电池内阻是充电态内阻，即蓄电池充满电时的内阻。与之对应的是放电态内阻，并且不太稳定。蓄电池的内阻越大，蓄电池自身消耗掉的能量越多，其使用效率越低。内阻很大的蓄电池在充电时发热很厉害，使蓄电池的温度急剧上升，对蓄电池和充电器的影响都很大。随着蓄电池使用次数的增多，由于电解液的消耗及蓄电池内部化学物质活性的降低，蓄电池的内阻会有不同程度的增大，质量越差的蓄电池增大的越快。蓄电池内部阻抗会因放电量增加而增大，尤其是在放电终止时阻抗最大，主要因

14、为放电的进行使得极板内产生不良导体硫酸铅以及电解液比重下降，故放电后务必马上充电。若任其持续放电，则硫酸铅形成安定的白色结晶（即硫化现象）后，即使充电，极板的活性物质亦无法恢复原状，从而将缩短蓄电池的使用寿命。（4）循环寿命循环寿命是指蓄电池可经历的重复充放电次数。蓄电池的寿命和容量成反比关系，循环寿命还与充放电条件密切相关，一般充电电流越大（充电速度越快），循环寿命越短。（5）蓄电池的额定电压国家标准规定的蓄电池电压值为额定电压，用V表示。（6）电解液电解液是由高纯度硫酸和纯水组成的无色透明的稀硫酸，它和阴、阳极板起化学作用，把化学能转化成电能，同时在蓄电池内部起导电作用。1.4 蓄电池性能

15、的判断因素（1）使用环境温度对蓄电池的影响。 目前电厂、供电局使用的绝大多数为阀控密封铅酸蓄电池，其最佳工作温度为25，由于其采用密封结构，其内部热量很难散失。升高10，蓄电池的寿命将减少12。所以在蓄电池安装时也要注意，每节电池间要保持至少厘米的间距，这样有利于通风。（2）过充电对蓄电池的影响 阀控式密封铅蓄电池一直都是处于浮充状态下工作的，浮充电压选择是否妥当对电池寿命影响极大。浮充电压选得偏高或电池温度升高时，若没有及时将浮充电压调下来，就会造成过充加速电池的失水，导致电池的容量下降。 在电池均充时，均充电压过高或环境温度过高会引起蓄电池内部液体温度升高，由于阀控式蓄电池采用密封结构，热

16、量不易排除，进而也会导致“热失控”现象的发生，降低电池的容量。（3）过放电对蓄电池的影响 蓄电池的放电也是有严格规定的，蓄电池对负载放电时不能低于规定的终止电压，若低于此值则会对蓄电池产生过放，从而导致蓄电池活性物质降低而影响其性能及使用寿命，而且很难恢复。（4）充电设备的输出质量对蓄电池的影响 目前大量使用的阀控式密封铅酸蓄电池不同于铅酸蓄电池或镉镍蓄电池，其内阻更小，对充电设备的输出性能指标要求更高。充电设备与蓄电池并联运行时，纹波系数较大将引起蓄电池长期处于脉动充电放电状态，从而加速了蓄电池老化过程，影响蓄电池的使用寿命，同时，由于阀控式密封铅酸蓄电池采用贫液或少液结构，一次过充或过放，

17、都有可能严重损坏蓄电池，新型蓄电池的出现对充电设备在调节精度、自动化程度、可靠性等方面提出了新的要求。因此，充电设备的性能好坏将直接影响蓄电池及整个直流系统的安全运行。 蓄电池的结构特殊，除漏液、鼓包外，无法从外观判断其性能的好坏，所以衡量其性能的唯一标准就是通过核对性放电来测试其实际容量。1.5 本论文所做的主要工作本设计主要包括探测电路、差分放大电路、幅相检测电路、模数转换模块、主处理器模块以及液晶显示部分。经探测电路取得蓄电池两端电压，经过差分放大电路将微弱的电压信号进行放大，在幅相检测电路中测得与参考电压的比值和相位差，送入主处理器模块进行数据处理，根据处理结果在液晶显示中显示蓄电池性

18、能。2 测试方法研究根据大量试验发现，蓄电池的内阻可以反映出一个蓄电池的好与坏。通过测量蓄电池内阻来判断蓄电池容量和性能经济可靠，操作方便，近年来已引起国内外的普遍重视。单体电池的内阻与其剩余容量以及性能状况的关系不是线性的，但大量实验结果以及统计数据表明，如果单体电池的内阻增加超过某个经验数据，这个电池就不能放出应有的容量了。蓄电池完全充电（充满）和完全放电（放完）时，其内阻相差2-4倍左右。随着放电过程的进行，内阻逐步增大。另外，随着电池老化，其内阻也逐渐增大，剩余容量也随之下降。由于蓄电池完全充电和完全放电时内阻变化率比电池端电压变化率（端电压变化率为30%-40%）要大的多，故用测量蓄

19、电池内阻R来预测其剩余容量，要比开路电压法精确的多。在蓄电池的理论中，始终将蓄电池的内阻作为蓄电池的重要参数加以论述，但在实际中在，如何利用内阻参数的意义上，分歧较多。尤其在用蓄电池的内阻监测蓄电池性能失效方面，存在诸多争论。其实采用不同测量标准、不同条件下的测量蓄电池内阻，并讨论其意义（即与性能、容量等的关联性），由于标准不一，其结论自然不一。为了便于问题的分析，为此引入内阻的相对性、绝对性的概念。2.1 内阻参数的相对性与绝对性内阻存在相对性与绝对性的两方面特性，应充分认识内阻参数相对特性与绝对特性的意义，从而全面把握内阻这一重要参数。关于内阻参数的相对性方面是指，在众多铅酸蓄电池参数中，

20、其内阻值是一个比较特殊的概念，这主要是因为：（1）首先作为蓄电池内阻，其包含了欧姆阻抗和极化阻抗，蓄电池内阻是指在某种条件下的数值，如是充电态还是放电态，充、放电的不同阶段，内阻是不同的，只有在明确其状态和明确其测量标准，才能有其具体意义，这是其本质的相对性。（2）作为测量手段和方法的不同，由于测量原理不同，其包含的意义也不尽相同。这是因为测量方法和手段，对于欧姆阻抗和极化阻抗而言，在采用不同测量方法和手段时，各部分在测量值中所占比例差异较大，所以只有在明确其测量标准后，讨论才具有现实意义，这是蓄电池内阻参数测量方面相对性。几十年来，在实践中广泛采用直流放电法，测量蓄电池内阻，即使这样，也同样

21、是一个相对数值。虽然大家沿用至今，但仍然不能将其绝对化。近十几年来，随着新技术的涌现，对于内阻测量的新方法，也不断涌出。如果仍然将直流法测量的内阻绝对化，则无法接受新的测量手段带来的对内阻意义的理解。关于内阻绝对性是指蓄电池在运行或失效过程中，其内阻的变化是绝对的，从以下几个方面可以明确：（1）在实际应用中，目前没有一个蓄电池性能严重衰减或容量严重下降，但其内阻没有变化的实例。通过近十年对蓄电池内阻的研究及国外相关机构的研究报告，都准确地说明了这一点。（2）在蓄电池失效模式中（尤其是阀控铅酸蓄电池），无论何种模式的失效，都必然在内阻得以体现。正是由于内阻的相对性及其变化的绝对性，为实际应用带来

22、了清晰的理论：（1）只有在同一条件下，同一手段方法测量的内阻才是讨论蓄电池性能的参数的根本；在此标准下，讨论蓄电池内阻变化与蓄电池性能或容量存在其关联性，才可能得出准确可靠的结论。（2）在同一条件下，采用不同手段方法，测量蓄电池内阻，内阻的含义不尽相同，其数值不可能完全一致。但始终以一种手段方法，测量蓄电池不同条件下的内阻变化，用以考察蓄电池性能状况是可行的。（3）在不同条件下，采用不同手段方法，测量蓄电池内阻，以期建立蓄电池内阻与蓄电池性能或容量衰减的某种关联，是不能成立的。但可以在相同条件下、相同手段方法下，测量内阻变化值与蓄电池性能状况或容量衰减建立某种关联，这样才能清楚地加以分析。2.

23、2 蓄电池内阻与容量的关系在剩余容量高于高于50%的区间内，电池内阻几乎没有变化，而且几乎不受放电电流的影响；当剩余容量小于50%时，电池内阻却明显增大，而且放电电流越小，电池内阻增加越快。测内阻法的优点在于对在线使用的蓄电池来说，此法对系统影响最小，并可在电池整个使用周期内精确测量。电池内阻可以采用很多方法来测，比如：动态电阻法、交流或直流法。2.3 蓄电池等效电路蓄电池里面是依靠化学反应来提供电能的，阻抗分析是电化学研究中的常用方法，一般情况下，电池在充电或放电时，其内阻R有一下3部分组成，如公式（1）所示 （1）式中的R为欧姆内阻；Rc为浓差内阻；Re为活化内阻。在很多研究方法中，使用图

24、1来等效蓄电池。图1蓄电池阻抗等效电路中Lp、Ln。为正负极电感；Rtp和Rtn,是电极离子迁移电阻；Cdlp，、Cdln。是极板双电层电容；Zwp，Zwn为Warburg阻抗，由离子在电解液和多孔电极中扩散速度决定；Rhf是前面提到的欧姆电阻。蓄电池的阻抗包括欧姆电阻和正负极阻抗，电池阻抗是一个复阻抗，在其他条件不变的情况下与测试频率有关。通常情况的内阻是指某一固定频率下的内阻值，一般的内阻测试有两种：测蓄电池的内阻测量，如镍镉电池、镍氢电池和锂电池，使用的频率一般为1KHz；用于测铅酸电池的频率一般为10-60Hz。2.4 设计方案论证蓄电池内阻的精确测量是有一定的难度的，有几个原因。第一

25、，蓄电池内阻小到毫欧数量级。第二，精度要求高，重复性，稳定性要好，内阻的变化在一个长时间里是很小的，达不到精度，重复性和稳定性的要求，测量是没有意义的。第三，在线测量，干扰十分严重，特别是在同心系统中使用中、还有来自通信设备的干扰。第四，必须是在线测量，离线测量意义不大。目前测量蓄电池内阻的常见方法有密度法、开路电压法、直流放电法、交流注入法。（1）密度法主要是通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，而现在的蓄电池基本都是封闭式的，无法取得电解液。该方法的适用范围窄并且这种方法在精度上有很大的缺陷。（2）开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池的内阻，精度很差，甚至得出错误的结论。

26、因为，即使一个容量已变小的蓄电池，在浮充状态下其端电压仍可表现正常。（3）直流放大法就是通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池的瞬间电压降，通过欧姆定律计算出电池内阻。由于瞬间大电流对蓄电池有一定的危害，并且当内阻值很小时，在一定电流下的电压变化幅值相对较小，给准确测量带来困难。另外，由于放电过程电压的变化，需要选择稳定区域计算电压变化幅值。实际测量中，直流方法所得数据的重复性较差。（4） 交流法通过对电池注入一个低频交流电流信号，测出蓄电池两端的低频电压和流过的低频电流以及两者的相位差，从而计算出电池内阻。交流注入法由于不需要放电，不用处于静态或脱机状态，可以实现安全在线监测管理，避免了对设

27、备运行安全性的影响。同时对蓄电池施加的低频信号频率非常低。电流值也非常小，故不会对电池的性能造成影响，并且不需要负载箱。首先产生一个1KHz的恒定交流激励信号，交流法通过对蓄电池注入一个交流信号Is，测量出蓄电池两端的电压响应信号Vo，以及两者的相位差，由阻抗公式（2）和（3） （2） （3）即可计算出蓄电池的阻抗，进而反映出蓄电池的性能。有以上比较，我们选用交流法，来进行蓄电池性能的测试。2.5 交流法当使用受控电流时电流如公式（4）所示 （4） 产生的电压响应如公式 （5）所示 （5） 若使用受控电压激励如公式（6）所示 （6） 产生的电流响应如公式（7）所示 （7） 两种情况的

28、阻抗均为： 即阻抗是与频率有关的复阻抗，其模如公式（8）所示 （8）相角为。 一般情况下激励引起的电压幅值变化小于10mV，这样能保证阻抗测量的线性。从理论上讲，向电池馈入一个交流电流信号，测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻，如公式（9）所示 （9）式中 Vav-为检测到交流信号的平均值；Iav - 为馈入交流信号的平均值用交流法测量内阻时，将一个交流测试信号加在电池上，然后测量出电池的电流（I）和该电流在电池两端的交流电压降（V），由此可以推到出阻抗R。由于交流信号频率一般都选择得可以忽略电容的影响，测得的数据实际上就是电阻，交流法的缺点是易受充电器纹波和其他噪声源的影响。但是如果

29、选择适当的测试频率，并采用有效的滤波器，还可以避免电源纹波和其他噪声的影响的。交流法的有点对在线使用的蓄电池来说，此方法对系统的影响最小，并可在电池的整个使用期内精确测量。同时施加的低频信号频率非常之低，施加的交流电流也非常小，故不会对蓄电池的性能造成影响，并且不需要负载箱。 当蓄电池处于开路状态时，可以近似地认为蓄电池正负极处于平衡电位状态。在蓄电池正负极加上恒定的电位差时，就会有滞留在其中流过；如果在此电位差上叠加一个幅度相当小（一般小于10mV）的正弦交流电压就会有正弦交流电流虫其中流过，该电流的大小依赖于电极电位和电极表面附近液层中参与电化学反应的物质的浓度。交流电流中依赖于电极电位的

30、这部分是跟交流电压同相位的，可以用传输电阻来表示。依赖于物质浓度的这部分交流电流是受反应物和生成物扩散过程控制的，Warbug提出这种控制作用可以表示为一个电阻和一个电容串联组成的阻抗，该电阻和电容成分跟交流电频率平方根成正比。如果电化学反应结果会有一部分物质吸附在电极表面，则这部分表面就被覆盖了，就会对总的交流电流大小有影响，它跟交流电压的频率相同但相位不同，这种影响可以用电阻和电容并联组成的电抗来表示。当电池两级上没有电化学反应进行时，在正弦交流电压作用下的交流只用于电极双重电容的充放电。由于铅酸蓄电池交流阻抗中有感抗存在，不能采用在复数平面图中相应虚部为零时阻抗实部值作为电池内阻值，而采

31、用电池阻抗模变化最小的频率区域（0.1-10KHz）中阻抗实部的平均值作为电池内阻，此时浓差极化的干扰就相对小一些。3 硬件电路的设计3.1 总体框架在实际使用中，由于馈入信号的幅值有限，电池的内阻在微欧或毫欧级，因此，产生的电压变化幅值也在微伏级，信号容易受到干扰。尤其是在线测量时，会受到充电机或用电负载的影响。交流法，首先要有一个交流源，原理框图如图2所示，交流原，就是提供交流信号，使之注入到蓄电池后能在蓄电池两端产生一个交流相应信号。同时考虑到交流流源与蓄电池串联后，蓄电池会产生一个直流信号。为了避免与恒流源影响。故在串联电路中串联一个电容，电容可以起到隔直流，通交流的作用。其阻值的大小

32、选取，选择较大电容阻值的，因为选择较大的电容c，交流信号在其分的电压降，就少，其阻抗为 1/jc。蓄电池的内阻不是纯电阻，里面存在有容性成分，故交流信号经过蓄电池后相位差会发生变化。所以要测出蓄电池的阻抗，还要测出相位差。为了测出相位差我们需要一个参考电压，电阻Ro，就是提供一个参考电压，R取值1K，流过一个恒定的交流信号，如公式（10）所示 （10）R上产生一个已知的电压信号，如公式（11）所示 （11）设计总体框图如图2所示 交流源蓄电池差分放大AD8302幅相检测A/D采样单片机LCD显示图2 设计总体框图因为交流信号经过蓄电池后，在蓄电池两端的相应信号十分微弱，直接取值不方便，并且如果

33、直接取值还携带有直流信号，故我们选择一个差分放大器，其输入信号就是蓄电池两端的的信号，经过差分放大。得到蓄电池两端的交流相应电压信号，并且此时已经将直流信号去掉。同样我们对已知的参考信号R两端的信号作为输入信号也经过差分放大器。所以，我们就需要两个完全一样的差分放大器，放大器我们选用INA2321芯片，INA2321放大器一块芯片里面有两个完全一样的放大器。故经过INA2321后，信号放大同样的倍数。放大后的信号经过AD8302幅相检测芯片可以得到两个输入信号的幅度之比和两输入信号的相位差。假设幅度之比为q,则蓄电池两端的相应电压信号如公式（12）所示 （12）带入阻抗公式（2）和（3），其中

34、Vo=Umax= qARo，Is=Imax=A 得公式（13） R=qRocos （13）在单片机里数据处理后，送入LCD显示。直观现实出来蓄电池性能的好坏。3.2 主处理器模块AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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， 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。（1）主要特性与MCS-51 兼容 4K字节

35、可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 AT89C51引脚如图3所示图3 AT89C51引脚（2）管脚说明：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P1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

36、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。 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

37、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，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0

38、（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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S

39、FR8EH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

40、：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。本设计采用的处理器模块如图4所示图4 主处理器模块3.3 探测电路此电路就是连接蓄电池的直接电路，伸出的两根线，分别如蓄电池的正负极相接，即可完成。该部分电路如图4所示图5 探测电路3.4 差分放大电路放大器芯片INA2321是INA321系列输入输出电压范围可以达到电源电压的提供的微功耗 CMOS 仪表放大器，可以单电源以及双电源。INA321 系列提供低成本、低噪声、微功耗的差分信号的放大器 40A 的电流消耗。 当芯片关闭，该INA321 有静态电流小于 1A。在几纳秒返回到正常工作，关机功能，可以在使IN

41、A321 得到最佳应用，低功耗电池或多路复用。在内部增益配置为 5V/V，INA321 提供了灵活的外接电阻可以得到灵活的增益。 INA321芯片简化图该芯片引脚如图5所示图6 INA321芯片引脚引脚5、6分别与1接上电阻R1和R2，电阻阻值的不同可以得到不同的增益，如公式（14）所示 （14） INA2321电路图 INA2321芯片有两个这样的，接法与之类似，其INA2321芯片的外围连接电路如图6，引脚3和2接蓄电池两端的信号，引脚5和6接已知电阻Ro两端的信号。作为差分放大器的输入信号。输出端为引脚13和9。此放大电路滤出了直流成分的影响，而且解决了，相应信号微弱，难易采集的问题，其

42、中根据实际情况，图中电阻R7、R8、R9、R10的阻值选取合适的阻值。但是R7与R10、R9与R8必须分别取值相同，才能得到相同的增益。另外，INA2321中两个放大器存在相同的环境中（温度等），即它们产生相同的放大倍数。图7 差分放大电路3.5 幅相检测电路本次设计用的是AD8302，该芯片可以得到两个输入信号的幅度之比和两输入信号的相位差。3.5.1 AD8302介绍AD8302是ADI公司的用于RF/IF幅度和相位测量的单片集成电路，主要由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成，能同时测量从低频到2.7GHz频率范围内的

43、两输入信号之间的幅度比和相位差，可应用于RF/IF功率放大器线性比的测量、RF功率的精确控制、驻波比测量及远程系统的监视和诊断等。AD8302引脚如图7所示。AD8302主要有测量、控制器和电平比较器三种工作方式，但其主要的功能是测量幅度和相位。AD8302通过两个宽度对数检波器使幅度测量范围可达60dB，独立的相位检测器检测范围可达180°。图8 AD8302引脚图当芯片输出引脚VMAG和VPHS直接跟芯片反馈设置输入引脚MSET和PSET相连时，芯片的测量模式将工作在默认的斜率和中心点上(精确幅度测量比例系数为30mV/dB，精确相位测量比例系数为10mV/度，中心点为900mV

44、)。另外测量模式下，工作斜率和中心点可以通过引脚MSET和PSET的分压加以修改。在中心点900mV处其增益是0dB，-30dB-+30dB的增益范围对应于0-1.8V的输出电压范围；在中心点900mV处其相位为90度，0-180度的相位范围对应于1.8-0V的输出电压范围。 AD8302电路图AD8302芯片的外围连接电路如图8 图9 幅相检测电路R1，R2为输入端电阻。R3为UREF输出端的负载。C1、C4为交流输入的耦合电容，C2和C3为滤波电容，C5，C6为电源退耦电容。3.6 模数转换模块设计 模数转换芯片AD0809AD0809芯片引脚如图9所示 图10 AD0809芯片引脚（1）

45、A/D转换器的功能是将模拟量电信号转换成数字量。   工作电压：+5V；片内无时钟，一般需外加640KHz以下且不低于100KHz的时钟信号；模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存与译码器组成，地址锁存允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸信号加到A/D转换部分进行转换。A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的DB。（2）ADC芯片的控制信号 启动转换信号（START）：是由CPU提供给ADC芯片的，

46、在正脉冲的下降沿转换开始； 转换结束信号（EOC）：一旦启动转换，EOC立即变低，直至转换结束，EOC输出高电平，通知CPU转换已结束； 允许输出信号（OE）：ADC转换结束后，转换结果存放在输出锁存器中，并没有送入数据总线上。CPU取数时，发出OE信号选通芯片内部三态输出缓冲器将数据输出。 （3）引脚功能D7D0：8位数据输出线 IN7IN0：8路模拟信号输入 ADDC、ADDB、ADDA：8路模拟信号输入通道的地址选择线 ALE：地址锁存允许，其正跳变锁存地址选择线状态，经译码选通对应的模拟输入信号 START：启动信号，上升沿使片内所有寄存器清零，下降沿启动A/D转换 EOC：转换结束，

47、转换开始后，此引脚变为低电平，转换一结束，此引脚变为高电平 OE：输出允许，此引脚为高电平有效，当有效时，芯片内部三态数据输出锁存缓冲器被打开，转换结果送到D7D0 CLOCK：时钟，最高可达1280KHz，由外部提供 REF（+）、REF（-）：参考电压正极、负极，通常REF（+）接Vcc，REF（-）接GND Vcc：电源，+5V，GND：地线 模拟输入与数字量输出的关系为N（VIN-VREF（-）×256/（VREF（+）-VREF（-），当VREF（+）+5V，VREF（-）0V，若输入模拟电压为2.5V，则转换后的数字量N128，即二进制数：10000000B3.6.2 A

48、DC0809与单片机的接口电路AD0809芯片与单片机的连接如图10所示图11 AD0809与单片机的连接图引脚ADD A 、ADD B、ADD C分别接单片机P2.3、P2.4、P2.5，用来选择需转换的模拟通道，转换的数字量与单片机的P1口相连，当OUTPUT ENABLE引脚有效时，单片机读取转换过的数据。 3.7 液晶显示 LCD1602介绍字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。本设计用的是16*2（16列2行） 模块。1602可以显示内部常用字符(包括阿拉伯数字，英文字母大小写，常用符号和日文假名

49、等)，也可以显示自定义字符(单或多个字符组成的简单汉字，符号，图案等，最多可以产生8个自定义字符)。（1）1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W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R

50、/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。（2）1602LCD的指令说明1602液晶模块的读写操作、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：

51、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 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。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

52、表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。（3）读写操作时序如图11和12所示：图12读操作时序图13 写操作时序（4）1602LCD的RAM地址映射液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。1602的内部显示地址如图13所示。图14 1602LCD内部显示地址在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。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

53、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。 LCD1602与单片机的接口电路LCD1602与单片机的连接如图14所示图15 LCD1602与单片机的连接控制信号由单片机 P2.0P2.2控制，数据从P0.0P0.7引入。通过P2.0来选择是用数据寄存器还是指令寄存器，P2.2作为芯片使能端子，P2.1控制芯片是进行读操作还是写操作。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。4 软件部分该部分主要是关于A/D转换、单片机、LCD1602的编程。经过幅相检测电路得到电压比值和相位差，在A/D转换器中转化为相应的数字量，送到单片机进行数据处理，最后经过显示器显示，直观地观察蓄电池性能的好坏。4.1 主程序主程序如图15所示开始LCD初始化调用A/D转换子程序延时调用A/D转换子程序数据处理子程序显示结果判定蓄电池性能结束图16 主程序主程序刚开始先对液晶显示器进行初始化设置，然后调用转换子程序，先对增益系数转换，经一段时间再对阻抗角转换，按公式R=qRocos