实时检测干电池放电特性的控制系统研究

陆云飞

（淮南联合大学，安徽 淮南 232002）

1 系统方案的设计

1.1 系统的要求

设计制作一个干电池放电特性测量仪，负责干电池放电数据的采集处理.

设计目的:

(1)测量并采集干电池放电前及放电时的电压和电流值，并实时显示数值.

(2)对采集的数据进行定时保存，保存时间间隔为1秒，保存的数据包括时间、电压和电流，电压和电流分别以伏特和安培为单位，取小数点后3位.

(3)负载阻抗至少可选八种，用键盘选择负载阻抗.

(4)可以进行多次断续放电直至达到电压或电流预设下限值.

(5)允许预设多节干电池串、并联放电.

(6)显示出干电池放电曲线.

1.2 系统的总体构架

根据试题的要求，本简易干电池放电特性测量仪由四大模块构成：单片机控制模块、显示模块、数据采集模块、电源及负载阻抗切换与选择模块.如图1-1所示.

图1-1 系统总体构架框图

1.3 设计方案

采用C8051F020系列单片机为16位的单片机，内部自带12位的A/D转换模块，输入输出端口丰富，主频相对较高，计算速度快.F020提供8路AD转换，利用其中一路直接电压量采样，另一路由霍尔元件实现电流量的采样.

2 系统硬件设计

2.1 系统的总体设计

本系统的硬件设计中，由C8051F020单片机为总控制器，外围电路包括电压、电流数据采样模块，电源与阻抗切换选择模块，显示模块，键盘模块等模块构成，如图2-1所示.

图2-1 系统硬件框图

2.2 系统的单元电路的设计

2.2.1 实时时钟电路

本系统在时钟电路的设计过程中，选择了DS1302，它是一种高性能、低功耗的实时时钟，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，可一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据.实时时钟可提供秒、分、时、月和年，实现数据与出现数据的时间的同时记录.其与控制器的硬件接口电路如图2-2所示.

图2-2 时钟电路

2.2.2 电源与负载阻抗切换电路

在电源串并联连接形式选择电路中，控制器控制继电器K9断开，K10吸合电源为串联连接形式对外供电；若控制器控制K9吸合和K10吸合，电源为并联形式对外供电，如图2-3所示.在负载阻抗切换电路设计过程中，由控制器信号来控制相关继电器吸合，实现不同阻抗的切换，如图2-4所示.

图2-3 电源串并联选择电路

图2-4 负载阻抗切换电路

2.2.3 数据采集模块

本系统实现了电流和电压数据的实时采集，其中电流数据采集通过霍尔元件CSM006NPT5实现，其硬件原理图如图2-5所示.

图2-5 电流、电压数据采集模块

3 系统软件设计

3.1 系统软件的组成

在本设计中，系统功能的实现由三级菜单构成，三级菜单如图3-1所示，一级菜单为显示界面，如图3-1(a)所示，在该界面按“确定”键可进入二级菜单；二级菜单由工作模式、曲线显示、原始记录和实时值四项构成，如图3-1(b)所示，可通过上下选择键对二级菜单中不同功能进行切换，在选定相应选项后，按“确定”键进入第三级菜单；第三级菜单完成设计的基本功能及扩展功能，放电曲线的显示及原始记录的回放功能如图3-1(c)、3-1(d)和3-1(e).键盘为4x4矩阵键盘，各键功能如表1所示.

表1 矩阵键盘各键功能

图3-1 系统显示三级菜单

3.2 系统的主程序流程图

简易干电池放电特性测量仪主程序流程图，如图3-2所示.

图3-2 主程序流程图

4 系统调试

4.1 测试的方法

当继电器的控制端为低电平时继电器的常开触点闭合导通，这时可用万用表测量电路中的电压与电流记录，同时将LCD显示的实时值进行记录，把测量值与显示值相比较，取若干组数据记录于表2.

4.2 部分测试数据

表2 测量数据

5 小结

本检测系统的设计，主要以F020单片机为控制单元，结合A/D转换和采样电路模块，软件设计语言采用单片机C语言，可直接进行烧录，体现了嵌入式系统的优势.

〔1〕周立功.SoPC 嵌入式系统基础教程.北京航天航空大学出版社，2006.

〔2〕兰吉昌.单片机C51 完全学习手册.化学工业出版社，2008.

〔3〕刘鲲. 单片机C 语言入门. 人民邮电出版社，2010.