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自动化学院工程设计训练及生产实习报告学院自动化学院专业自动化专业班级08062813学号08061633学生姓名陈庆勇指导教师林伟杰学期2011年-2012年第一学期完成日期2012年1月第一部分工程设计训练报告1.引言1.1课题背景铅酸蓄电池行业与电力、交通、信息等产业发展息息相关,铅酸蓄电池以其成本低、容量大、安全可靠等特点,在社会生产经营活动和人类生活中处于不可或缺的地位。我国蓄电池行业规模相当庞大,应用也非常广泛,针对铅酸蓄电池的使用不当带来的问题(如硫化、容量减小、使用寿命缩短等),实现蓄电池的管理显得非常有必要，然而国内目前应用于该领域的嵌入式系统产品不多。基于MSP430F149的蓄电池管理模块设计,就是为了在线检测电池状态,为用户选择充电方法提供数据依据,提高充电质量和效率，因此研究出一套低成本的管理系统是很有实际应用价值的。2.蓄电池特性及状态参数2.1蓄电池的工作原理2.1.1蓄电池的充电原理充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。充电时总的化学反应方程式：PbSOHPbOOHPbSO42224222（2-1）当蓄电池充电后，两极板上原来被消耗的活性物质恢复了，同时电解液中硫酸成分增加，水分减少，密度升高。由此可以看出，电解液密度的变化反应了蓄电池的充电程度。2.1.2蓄电池的放电原理（1）正常放电放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I。同时在电池内部进行化学反应。充电时总的化学反应方程式：OHPbSOPbSOHPbO24422222（2-2）当蓄电池放电后，两极板上活性物质被消耗了，同时电解液中硫酸成分减少，水分增加，密度降低。由此可以看出，电解液密度的变化反应了蓄电池的放电程度。（2）过放电由多个单体电池串联组成的电池组放电时，容量最小的电池必然存在过放电现象。铅酸蓄电池过放电不会产生气体，这为电池的密封提供了有利的条件。（3）自放电电池在放置时存在自放电现象。蓄电池的自放电反应主要发生在负极，若想使电池密闭就必须最大限度的降低负极的自放电速度。2.2充放电特性2.2.1充电特性（1）恒压充电恒压充电是指在充电过程中保持电压，而充电电流随充电的深入而逐渐减少，但在初始阶段，为避免通过电池的电流太大，限定最大的电流。其特征曲线如图2-1所示：图2-1恒压充电特性图（2）恒流充电恒流充电是指在充电过程中保持电流恒定，特征是电池的充电电压随时间逐渐上升，直至最后达到一个相对高的值。其特征曲线如下图2-2所示：图2-2恒流充电特征图2.2.2放电特性（1）放电容量的影响因素放电电流越大，放出的容量越多；温度越高，防触电额容量越多；放电终止电压低，放出的容量多。为了避免电池的过度放电，根据放电电流的大小，制造厂家规定了最低放电终止电压，我们设置的终止电压最好不低于该终止电压。（2）放电特性曲线放电特性曲线是描述蓄电池放电过程的曲线，它与放电电流有密切的关系，如图2-3所示。图2-3蓄电池的放电特性曲线由放点特性曲线，可得：相同的放电特性曲线放映了相同的蓄电池性能；用较大的电流进行放电冲击，可在短时间内得到明显的下跌曲线，进而测的电池内阻。2.3特性参数2.3.1放电容量蓄电池的容量是指其在一定条件下所能放出的电量，它是衡量一只蓄电池优劣的主要指标，它标志着蓄电池存储能量的多少。容量的计算单位是安培每小时，可知当蓄电池进行放电时，容量等于放电电流和放电时间的乘积。蓄电池的容量通常定义为：蓄电池在特定的放电速率下有效的安时数。当蓄电池放电至终了电压时，可以认为其有效电量已全部消耗。2.3.2静止电动势蓄电池的电动势与电解液密度有关，一般电解液密度越大，电动势就越高。另外蓄电池电动势还和电解液的温度有关，但是温度的影响不是很大。用高阻抗电压表在常温下测得的正负极板间的电位差就是蓄电池的静止电动势。2.3.3电池内阻电池内阻是电池性能的一个关键参数。电池内阻与电池制造工艺、电池结构、极板、隔板、电解液等因素有关。蓄电池的内阻分为金属性电阻和电化学性电阻。金属性电阻包括终端、夹板、栅格以及栅格与涂胶之间的电阻，电化学性电阻包括涂胶、电解液和隔板的电阻。电池内阻越小，电池性能就越好。电池内阻可以通过内阻仪测得或充放电数据计算得到。2.3.4端电压蓄电池的端电压是在正负极上实际测得的电压。蓄电池的工作状态不同，端电压也不同。当蓄电池不工作，即不向用电设备供电时，蓄电池的端电压等于它的电动势。当蓄电池向外供电时，它的端电压将小于电动势，等于电动势减去内部电压降，即U=E-IR；当蓄电池处于充电状态时，它的端电压就是充电电源加在正负极上的电压，其值大于电动势，等于电动势加上内部电压降，即U=E+IR。蓄电池的端电压不仅和电池的电动势有关，而且与充放电电流、内阻和充放电时间有关。2.4蓄电池参数检测2.4.1电池内阻测量因为蓄电池内部阻抗与蓄电池的容量及完好性有着密切的关系，蓄电池的性能可以通过蓄电池内阻精确体现出来。一般而言，电池的容量越大，内阻就越小，因此可以通过蓄电池内阻的测量，对电池的容量进行在线评估。目前，内阻测量常见方法主要有：密度法、直流法和交流法。本文中，电池内阻可以通过内阻仪测得或充放电数据计算得到。2.4.2电池端电压的测量测量采用电阻分压，由精密的电阻取得经放大倍数小于1的放大器放大后送至单片机的A/D端。2.4.3电池温度的测量采用DS18B20数字温度传感器贴于电池外壳进行测量。3.系统设计3.1系统整体方案3.1.1系统概述整个系统是由MSP430F149单片机、蓄电池、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、充放电控制模块、显示器、键盘、通信电路等组成的，实现对蓄电池电压、电流、温度及剩余电量的实时在线监测。本文设计的蓄电池管理系统主要有以下几个功能：（1）实时监测蓄电池的温度,通过温度及其他参数来计算蓄电池的充放电参数,避免因使用不当或蓄电池温度过高等因素缩短蓄电池的寿命。（2）实时监测蓄电池的端电压和电流,若发现电池容量小于警戒阈值,即提醒充电或自动切换备用电池。（3）能通过对参数的分析计算出蓄电池的剩余容量,并通过数码管实时显示出来。（4）系统能够自动修正蓄电池的内部参数来适应因使给蓄电池带来的一些变化,还能通过控制充放电电路获得更好的充电效果。3.1.2系统框图图3-1系统结构框图3.1.3系统控制核心本系统采用的控制核心是MSP430F149单片机。MSP430F149单片机在系统中不仅要实时监测蓄电池的电流、电压、温度等参数以及系统运行状态，还必须根据所采集到的数据进行处理，并对充电控制模块输出控制信号以实现对蓄电池系统的管理；同时，还负责实现按键控制和系统状态输出显示。MSP430是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机，它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟,支持8M的时钟。由于为FLASH型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且JTAG口直接和FET的相连，不须另外的仿真工具，方便实用，而且，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响。3.2系统信号采集的实现3.2.1电压采集模块监测的对象主要是电池组的充放电电压。本系统中该检测模块主要利用了单片机内置的A/D转换器，由电阻取得其值经放大器放大后送至单片机的A/D端。由于单片机的A/D转换器的量程很小，所以要采用放大倍数小于1的放大器，将大电压降低到A/D转换器的量程内的值，前面还要接整流滤波电路。电路结构框图如图3-2所示：图3-2电压采集模块结构图3.2.2电流采集模块监测的对象主要是电池组的充放电电流。本系统中为采集铅酸蓄电池的充放电电流数据，可在电池负端串联一个电流采样电阻把电流信号转换成电压信号，再经过一比例放大电路调整成单片机A/D口所能接收的电压信号。由于蓄电池可能处于充电状态也可能处于放电状态，当它处于充电状态时，运放输出的是正电压，当它处于放电状态时，运放输出的是负电压，而负电信号单片机是无法采集的,所以还要对电路进行一些特殊处理。本系统引入了参考电压和电阻使输出电压定位在正电压范围内，然后由单片机程序处理采样信号以识别充放电电流电路结构框图如图3-3所示：图3-3电流采集模块电路结构框图3.2.3温度采集模块本设计采用DS18B20单总线数字式智能型温度传感器，直接将温度物理量转化为数字信号，并以总线方式传送到控制器进行数据处理。DS18B20对于实测的温度提供了9～12位的数据和报警温度寄存器，测温范围为-55～+125℃，其中在-10～+85℃的范围内测量精度为±0.5℃。此传感器可适用于各种领域、各种环境的自动化测量及控制系统,具有微型化、功耗低、性能高、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。此外，每一个DS18B20有唯一的系列号，因此多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上，给应用带来了极大的方便。系统采用热传导的粘合剂将器件粘附在蓄电池表面上，当环境空气温度与被测量的蓄电池温度不同时，应将器件的背面和引线与空气隔离。接地引脚是通向管芯的最主要的热量路径，必须保证接地引脚也与被测温的蓄电池有良好的热接触。3.3可控充放电模块该模块是本次设计中的硬件难点。充放电控制电路与外电网相连，对蓄电池进行充放电；能根据控制电路发出的指令或标志位,实现对蓄电池分阶段以不同电流充放电；且有自动断电的功能，可实现充放电管理。本系统中采用三相桥式全控整流桥技术实现充放电的转换。由电压、电流采集模块采集数据，利用MSP430F149中的A/D转换电流电压值，作为系统的反馈变量。处理后的反馈变量与设定值进行比较，根据一定的控制规律决定单片机是否给出触发信号来打开可控硅。电路框图如图3-4所示：图3-4可控充放电模块电路框图由于长时间对蓄电池组进行充电，电荷堆积于电池电极上而产生反向电压，实际上表现为电池内阻的增加，不但蓄电池中的有效化学物质不能完全参加化学反应，降低了蓄电池组容量的利用率，而且还会引起蓄电池组的严重发热，从而影响充电速度与质量，继而影响蓄电池组的性能和寿命。为此，采用了“充-停-放-充-停-放”循环充电的充电策略。3.4系统外设模块3.4.1显示模块本系统采用带中文字库的LCD12864液晶显示屏，LCD12864液晶显示屏是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面；可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示；低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。液晶显示屏上应要求显示端电压，电动势，电池温度，充放电电流等信息。当系统进入设定状态时，屏幕的下方会出现相应的设置信息画面。若是出现报警时，将显示在屏幕右上角。若系统处于通讯状态，在屏幕上也有所显示。报警和通讯显示是通过判断报警标志位和通讯标志位来进行操作的。3.4.2键盘模块键盘在单片机管理系统中是必不可少的，键盘是人机相互对话的桥梁，性能良好的键功能有助于管理系统作用的充分发挥。本系统的功能键的定义如下：ENTER：确认键，执行用户的命令，进入需要显示的屏幕；SET：设置功能键，按下进入设置状态，对报警温度，电压，电流等进行设置；↑：加减或上移键，设置时对数值进行增加，光标的上移；↓：减键或下移键，设置时对数值进行