實時檢測干電池放電特性的控制系統研究

陸云飛

（淮南聯合大學，安徽 淮南 232002）

1 系統方案的設計

1.1 系統的要求

設計制作一個干電池放電特性測量儀，負責干電池放電數據的采集處理.

設計目的:

(1)測量并采集干電池放電前及放電時的電壓和電流值，并實時顯示數值.

(2)對采集的數據進行定時保存，保存時間間隔為1秒，保存的數據包括時間、電壓和電流，電壓和電流分別以伏特和安培為單位，取小數點后3位.

(3)負載阻抗至少可選八種，用鍵盤選擇負載阻抗.

(4)可以進行多次斷續放電直至達到電壓或電流預設下限值.

(5)允許預設多節干電池串、并聯放電.

(6)顯示出干電池放電曲線.

1.2 系統的總體構架

根據試題的要求，本簡易干電池放電特性測量儀由四大模塊構成：單片機控制模塊、顯示模塊、數據采集模塊、電源及負載阻抗切換與選擇模塊.如圖1-1所示.

圖1-1 系統總體構架框圖

1.3 設計方案

采用C8051F020系列單片機為16位的單片機，內部自帶12位的A/D轉換模塊，輸入輸出端口豐富，主頻相對較高，計算速度快.F020提供8路AD轉換，利用其中一路直接電壓量采樣，另一路由霍爾元件實現電流量的采樣.

2 系統硬件設計

2.1 系統的總體設計

本系統的硬件設計中，由C8051F020單片機為總控制器，外圍電路包括電壓、電流數據采樣模塊，電源與阻抗切換選擇模塊，顯示模塊，鍵盤模塊等模塊構成，如圖2-1所示.

圖2-1 系統硬件框圖

2.2 系統的單元電路的設計

2.2.1 實時時鐘電路

本系統在時鐘電路的設計過程中，選擇了DS1302，它是一種高性能、低功耗的實時時鐘，附加31字節靜態RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，可一次傳送多個字節的時鐘信號和RAM數據.實時時鐘可提供秒、分、時、月和年，實現數據與出現數據的時間的同時記錄.其與控制器的硬件接口電路如圖2-2所示.

圖2-2 時鐘電路

2.2.2 電源與負載阻抗切換電路

在電源串并聯連接形式選擇電路中，控制器控制繼電器K9斷開，K10吸合電源為串聯連接形式對外供電；若控制器控制K9吸合和K10吸合，電源為并聯形式對外供電，如圖2-3所示.在負載阻抗切換電路設計過程中，由控制器信號來控制相關繼電器吸合，實現不同阻抗的切換，如圖2-4所示.

圖2-3 電源串并聯選擇電路

圖2-4 負載阻抗切換電路

2.2.3 數據采集模塊

本系統實現了電流和電壓數據的實時采集，其中電流數據采集通過霍爾元件CSM006NPT5實現，其硬件原理圖如圖2-5所示.

圖2-5 電流、電壓數據采集模塊

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件的組成

在本設計中，系統功能的實現由三級菜單構成，三級菜單如圖3-1所示，一級菜單為顯示界面，如圖3-1(a)所示，在該界面按“確定”鍵可進入二級菜單；二級菜單由工作模式、曲線顯示、原始記錄和實時值四項構成，如圖3-1(b)所示，可通過上下選擇鍵對二級菜單中不同功能進行切換，在選定相應選項后，按“確定”鍵進入第三級菜單；第三級菜單完成設計的基本功能及擴展功能，放電曲線的顯示及原始記錄的回放功能如圖3-1(c)、3-1(d)和3-1(e).鍵盤為4x4矩陣鍵盤，各鍵功能如表1所示.

表1 矩陣鍵盤各鍵功能

圖3-1 系統顯示三級菜單

3.2 系統的主程序流程圖

簡易干電池放電特性測量儀主程序流程圖，如圖3-2所示.

圖3-2 主程序流程圖

4 系統調試

4.1 測試的方法

當繼電器的控制端為低電平時繼電器的常開觸點閉合導通，這時可用萬用表測量電路中的電壓與電流記錄，同時將LCD顯示的實時值進行記錄，把測量值與顯示值相比較，取若干組數據記錄于表2.

4.2 部分測試數據

表2 測量數據

5 小結

本檢測系統的設計，主要以F020單片機為控制單元，結合A/D轉換和采樣電路模塊，軟件設計語言采用單片機C語言，可直接進行燒錄，體現了嵌入式系統的優勢.

〔1〕周立功.SoPC 嵌入式系統基礎教程.北京航天航空大學出版社，2006.

〔2〕蘭吉昌.單片機C51 完全學習手冊.化學工業出版社，2008.

〔3〕劉鯤. 單片機C 語言入門. 人民郵電出版社，2010.