基于單片機的蓄電池檢測系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 送和接收的信號都需經中速光電耦合器 6N135進行隔離 ,由于 DS2438輸出電流較小 ， 不能驅動光電耦合器 ， 故增加了驅動 /緩沖器 74LS07。DS2438的數據輸出端 DQ為漏極開路 ， 所以需增加上拉電阻 R7。 數字信號在傳輸過程中抗干擾能力強 ，因此 提高了測量精度 。 各檢測板并行工作 ， 可以同時監測電池組中的各單體蓄電池的狀態。 顯示電路設計 本設計中采用兩種方式進行顯示：液晶顯示和上位機顯示。其中液晶顯示選擇用1602液晶顯示器，可以直觀地顯示出當前被測電池的電壓、 電流、溫度及剩余電量，除能顯示數字外還可以顯示漢字。同時用戶可根據需要，利用 AT89C51的 UART串口，通過 12 串口線與上位機相連，利用上位機顯示，使人機界面變得更加友好。當被測電池狀態過警戒線時，智能系統通過蜂鳴器發出聲音報警，同時顯示中也會給出警示信號，提示用戶做出相應的處理。下面對兩種顯示方式分別進行介紹。 1602液晶顯示 液晶顯示器 LCD(Liquid Crystal Display)是一種被動發光型的顯示器，即液晶本身并不發光，而是利用液晶經過處理后能改變光線通過方向的特性，而達到白底 黑字或黑底白字或者藍底白字顯示的目的。液晶顯示器具有體積小、重量輕、分辨率高、功耗低、抗干擾能力強、驅動電壓低等優點，因此被廣泛地應用在智能儀器、數字儀表、控制系統及人類生活的各種顯示領域中。 1） 1602液晶顯示的特點 a) 1602液晶顯示器為若干個 5*8或 5*11的點陣顯示字符。每個點陣塊為一個字符位，字符間距和行距都為一個點的寬度； b) 1602液晶主控制驅動電路為 HDD4780或其他全兼容電路，如 SED278（ SEIKOEPSON），KS0066(SAMSUNG),NJU6408(NER JAPN RADIO)； c) 具有字符發生器的 ROM可顯示 192種字符（ 160個 5*7點陣式字符和 32個 5*10點陣字符）； d) 具有 64個字符的自定義字符的 RAM，可自定義 8個 5*8點陣字符或 4個 5*11點陣字符； e) 具有 80個字節的 RAM； f) 單 +5V電源供電。 2） 1602液晶顯示器引腳功能 1602工作過程可簡析為：液晶顯示模塊經數據總線接收外部微處理器 MCU發來的指令和數據，并存入內部的指令和數據寄存器中，在這些指令的控制下，行、列驅動器對128*64點陣的 LCD顯示屏進行控制，從而實現所需 信息的顯示。 1602液晶顯示模塊的各外部引腳名稱、功能和用法見表 。 表 1602液晶顯示器的引腳功能 引腳號 符號 狀態 功能 1 VSS 電源地 2 VDD +5V邏輯電源 3 V0 對比度控制，通過 1KΩ電阻接地 4 RS 輸入 寄存器選擇， 1：數據； 0:指令 5 R/W 輸入 讀寫操作選擇， 1：讀； 0：寫 6 E 輸入 使能信號，高電平或是下降沿有效 7 D0 三態 數據總線（ LSB） 8 D1 三態 數據總線 9 D2 三態 數據總線 10 D3 三態 數據總線 13 11 D4 三態 數據總線 12 D5 三態 數據總線 13 D6 三態 數據總線 14 D7 三態 數據總線（ MSB） 15 LEDA 輸入 背光 +5V 有些液晶沒有背光，有些引腳與此不同 16 LEDK 輸入 背光地線 3） 1602與單片機的接線 1602液晶顯示器與單片機的接線圖如圖 。 1602與單片機接線圖 上位機顯示 本系統測量數據可通過串口線將數據送到上位機進行顯示，所以需要接口讓單片機和上位機進行通信。目前，通信方式主要分為 兩種：串行通信 (RS232C、 RS422A、 RS48USB)和并行通信。 RS232C標準定義了 25根引線，對于一般的雙向通信，只需使用串行輸入 RXD、串行輸出 TXD和地線 GND。 RS232C標準的電平采用負邏輯，規定 +3～ +15V之間的任意電平為邏輯“ 0”電平， 3～ 15V之間的任意電平為邏輯“ 1”電平，與 TTL和 CMOS電平是不同的。在接口電路和計算機接口芯片中大都為 TTL或 CMOS電平，所以在通信時，必須進行電平轉換，以便與 RS232C標準的電平匹配， MAX232芯片可以完成電平轉換這一工作。因為 MAX232具有驅動能力，所以不需要外加驅動電路。采用 MAX232接口的硬件接口電路如圖 。 圖 串行通訊接口電路 鍵盤與聲光報警電路 鍵盤電路設計 鍵盤是單片機系統中的一個很關鍵的部分，它能實現向計算機輸入數據、傳送命令等功能，是人工干預計算機的主要手段。 一般情況下，鍵盤是由一組規則排列的按鍵組成，一個按鍵實際上是一個開關元件。其主要功能是把機械上的通斷轉換為電氣上的邏輯關系（ 0和 1）。常見的種類有：獨立式鍵盤 和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤的特點是每個按鍵單獨占用一根 I/O口線，每個按鍵工作不會影響其他 I/O口線的狀態，多用于所需按鍵不多的場合。在本系統中， 設計需要用到 0— 9十個數字鍵， 應采用矩陣式鍵盤。 4 3鍵盤結構如下圖 。 圖 鍵盤電路 圖中所示的列線通過電阻接 +5V，當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行和列線斷開，列線呈高電平。當鍵盤上某個鍵閉合，該鍵所對應的行線和列線短路。如果把列線接到微機的輸入口，行線接到微機的輸出口，那么在微機的控制下，使行線 的輸出為低電平，其余三根行線 、 、 都為高電平，然后微機通過輸入口讀列線的 14 狀態，如果 、 、 都為高電平，則 這一行上沒有閉合鍵，如果讀出的行線狀態不全為高電平，則為低電平的列線和行線 的相交的鍵處于閉合狀態； 如果 的這一行上沒有鍵閉合，接著使行線 為低電平，其余行線為高電平。用同樣的方法檢查 這一行上有沒有閉合鍵，以此類推，最后使 為低電平，其余行線為高電平，檢查 這一行上有無鍵閉合。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態的的過程稱 為對鍵盤的一次掃描。這是識別鍵盤最常用的方法，其控制方法即：先判斷是否有鍵按下；如有，再判斷哪一個鍵按下，并得到鍵碼值，然后根據鍵碼值轉向不同的功能程序。 聲光報警電路 作為可以進行蓄電池各個數據參數檢測的設備，聲光報警電路部分不可缺 少， 當檢測到電池狀態不在正常范圍 就應該通過聲光方式發出警報，防止過 放電引起的電池損害和發生的意外事故。其電路如圖 。 圖 聲光報警電路 本設計中的聲光報警部分包括蜂鳴器以及紅、綠、黃、藍四個 LED報警指示燈 。單片機本身 I/O的驅動能力不是很高，所以對蜂鳴器的驅動需要加入一個 PNP三極管，這樣能夠使蜂鳴器的聲音更加響亮，起到更好的報警作用。三極管基極的電路保證了只有在單片機輸出低電平時，蜂鳴器才會發聲，避免了誤報警的發生。由于動態顯示比靜態顯示更能吸引人的視線，所以本設計發光二極管采用動態閃爍方式，紅色二極管閃爍代表電壓檢測超限，綠色二極管閃爍表示電流檢測超限，黃色二極管閃爍表示溫度檢測超限，藍色二極管閃爍表示剩余容量超限。無論哪種數據參數超限，蜂鳴器都產生聲音報警。 硬件看門狗電路 微處理器在運行中 會受到各種各樣的干擾，如電源及空間電磁干擾，當其超過抗干擾極限時，就有可能引起微處理器死機或程序跑飛。尤其在實際應用環境中，更容易受到復雜干擾源的干擾影響。在系統中加入看門狗電路就可以很好的防止這類情況的發生。該系統中使用的是 XICOR公司生產的可編程看門狗定時器 X25045。它集合了看門狗定時器、電源監測電路和 512*8的串行 EEPROM。因而 X25045具有以下功能： 1)看門狗定時器：看門狗定時器對微控制器提供了獨立的保護系統。當系統故障時，在可選的超時周期之后， X25045看門狗將從 RESET信號做 出響應。用戶可以從三個預置的值選擇此周期。一旦選定，即使在電源周期變化之后，此周期也不變化。 2)電源監測：利用 X25045低 Vcc檢測電路，可以保護系統，使之免受低電壓狀況的影響。當 Vcc降到最小 Vcc轉換點時，系統復位。復位一直確保到 Vcc返回且穩定時為止。 3)串行存儲： X25045的存儲器部分是 COMS的 4096位串行 EEPROM，它內部按 512*8來組織。 X25045的特點是具有簡單的三總線工作的串行外接口 (SPI)和軟件協議。圖 為芯片引腳圖。 圖 X25045芯片引腳圖 圖 9 4 4矩陣鍵盤結構 15 各引腳含義如下： CS：片選輸入 S0：串行輸出 SCK：串行時鐘輸入 SI：串行輸入 WP：寫保護輸入 RESET：復位輸出 Vcc：電源 Vss：地 因單片機沒有 SPI接口，則必須通過移位方式實現單片機與 X25043的通訊。圖 為單片機與 X25045的接口電路 。 圖 硬件看門狗電路 單片機的 ，它控制 X25045的選通； X25045的串行輸出相連， X25045的串行輸入相連，這兩個端口實現單片機與 X25045的數據通訊。 X25045的時鐘輸入相連，控制串行輸入輸出的時序。單片機的 RST引腳與 X25045的 RESET引腳相連， RESET的復位信號可使單片機復位。 硬件總原理圖見篇末附圖。 16 4 系統軟件設計 系統硬件電路設計完成之后，就要進行軟件的設計和調試。如果沒有軟件來控制硬件電路和外圍設備，系統仍然是不完善的。在監控系統中，軟件的編制需要符合以下基本要求： 1) 易理解、易維護 。通常是指軟件系統容易閱讀和理解，容易發現和糾正錯誤，容易修改和補充。由于檢測控制系統的復雜性，設計人員很難在短時間內就對整個系統理解無誤，應用軟件的設計和調試不可能一次就完成，有些問題是在運行中逐步暴露出來的，這就要求編制的軟件容易理解和完善。 2) 實時性。實時性是監測控制系統的普遍要求，既要求系統及時相應外部事件的發生，并及時給出處理結果。 3) 可測試性。檢測控制系統軟件的可測試性具有兩方面的含義：其一是指比較容易地制定出測試準則，并根據這些準則對軟件進行測定；其二是指軟件設計完成后，首先在模擬環境 下運行，經過靜態分析和動態仿真運行，證明準確無誤后才可以投入實際運行。 4) 準確性。準確性對檢測控制系統具有重要意義。系統中要進行大量運算，算法的正確性和準確性對控制結果有直接影響，因此在算法的選擇、位數選擇方面要適合要求。 5) 可靠性。可靠性是檢測控制軟件最重要的指標之一，它要求兩方面的意義：一試運行參數環境變化時，軟件都能可靠運行并給出正確結果，也就是要求軟件具有自適應性；二是工業環境極其惡劣，干擾嚴重，軟件必須保證在嚴重干擾條件下也能可靠運行，這對檢測控制系統尤為重要。 開發語言和開發環 境 51 單片機的編程語言常用的有兩種，一種是匯編語言，一種是 C 語言。本設計中采用匯編語言編程，下面了解其基本概念和主要優點。 匯編語言是單片機設計的基礎語言。它的特點是使開發人員能夠充分的對單片機硬件資源進行管理和操作。所謂匯編語言就是用助記符、符號和數字等來表示指令的程序語言，容易理解和記憶，與機器語言是一一對應的。它是為了彌補機器語言不易記憶，不易查錯和不易修改而產生的一種低級語言。所謂程序設計就是用計算機能夠識別的語言，把需要解決的問題的步驟描述出來單片機不像其他微型計算機有自己的系統軟件，所有的單片 機程序均需要用戶自己設定程序。到目前為止，雖然已經有絕大部分的單片機都能夠在一些高級語言環境下編程，但匯編語言也有許多優點是其他高級語言所不具有的。如：程序結構緊湊、占用的內存和 CPU 資源少；程序簡短、執行速度快；與計算機內部硬件結構緊密、能充分發揮硬件的作用；實時性強、適用于實時檢測控制系統 [9]。 匯編語言的程序設計步驟主要包括：分析問題、確定思路、畫流程圖、編寫程序、程序調試。這些步驟在軟件設計中將一一體現。 本設計中的軟件采用 WAVE公司開發的編譯系統進行編寫，采用各個子模塊組成整個 17 程序。軟件主要功 能包括：設置系統初始狀態、電池電壓、電流、剩余電量的在線測量，溫度的測量、報警的設定和串行通訊、鍵盤的掃描、電池狀態顯示、聲光報警等。 上述功能主要由：主程序模塊、測量模塊、鍵盤掃描模塊、 LCD顯示模塊、串口通信模塊等來實現。 主程序模塊 系統上電之后要對系統進行初始化設置，在初始化設置時主要對系統中用到的一些標志位和定時器進行設定，如果檢查到報警值沒有進行設置則設置報警值，對串口進行初始化等工作。在系統初始化之后要開啟中斷，開始掃描鍵盤，等待定時器的中斷。具體框圖如圖 ： 圖 主程序流程框圖 數據測量程序模塊 為了滿足監測的實時性，本系統單片機采用定時中斷的方式訪問 DS2438，進行電池參數采集。首先設置單片機的計數器為定時方式，開啟計數器，定時長短可隨需要靈活設定。然