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摘要（中文） ........................................................ I 摘要（外文） ....................................................... II 1绪论 .............................................................. 1
1.1课题研究的目的与意义 ......................................... 1 1.2 国内外研究状况 .............................................. 1 1.3 本设计要完成的工作 .......................................... 3 2全自动蓄电池容量检测仪的原理简述 .................................. 5
2.1电池容量检测模块原理简述 ..................................... 5
2.1.1 蓄电池容量检测方法 ..................................... 5 2.1.2 蓄电池容量试验条件及要求 ............................... 7 2.1.3 恒流放电电路的介绍 ..................................... 7 2.2 水浴温度检测模块原理简述 .................................... 8
2.2.1蓄电池容量与环境温度的关系 ............................. 8 2.2.2 水浴温度控制PID算法介绍 ............................... 8
3 硬件设计 ......................................................... 11
3.1 AT89C51简介 ................................................ 11
3.1.1 主要特性 .............................................. 11 3.1.2 时钟振荡电路和复位电路 ................................ 12 3.2 温度检测硬件设计 ........................................... 13 3.3 温度控制部分硬件设计 ....................................... 14 3.4电源稳压电路的设计 .......................................... 16 3.5恒流放电电路的设计 .......................................... 18 3.6 数字显示及键盘电路的设计 ................................... 19 3.7 报警电路及通信模块 ......................................... 23
3.7.1报警电路的设计 ........................................ 23 3.7.2 通信模块的设计 ........................................ 23 3.8 AD和DA接口电路的设计 ...................................... 24 4 软件的设计 ....................................................... 27
4.1主要度量转换 ................................................ 27 4.2 主程序的流程图 ............................................. 31 4.3 AD转换程序的设计 ........................................... 32 4.4键盘扫描程序的设计 .......................................... 33 4.5数字显示程序的设计 .......................................... 37 4.6 温度控制程序设计 ........................................... 38 5 结论与展望 ....................................................... 40 参考文献 ........................................................... 41 致 谢 .............................................................. 43
1绪论
1.1课题研究的目的与意义
铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善已成为世界上广泛使用的一种化学电源，具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富(且可再生使用)及造价低廉等优点。主要应用在交通运输、通讯、电力、铁路、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济各个领域，是社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品。随着铅酸蓄电池的广泛应用，如何精确检测蓄电池容量成为广大用户极为关注的问题。GB5008.1标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度25±2℃的水浴中”，由此可见，标准对于试验温度的要求25±2℃范围较为精确，且规定电池、水浴之间的距离，使之在反应过程中不会相互影响。因为蓄电池放电容量与温度的关系密切，标准才规定±2℃的要求，第一，只有在相同的环境条件下的试验结果才具有可比性，可重复性；第二，在放电过程中，蓄电池将化学能转换成电能，是放出能量，蓄电池要从环境中吸热，蓄电池温度下降，为避免影响化学反应的进行，需要有恒温水浴向蓄电池补充热能使其温度恒定。质检部门的监督检验及仲裁检验，工商部门市场监测，教学研究等工作，务求对蓄电池容量检测数据准确无误。务必使试验温度保持在标准要求范围内，才能减少系统误差，得出精确数据，真实反映产品的质量水平。研制蓄电池容量检测系统很有必要。 1.2 国内外研究状况
电池工业是新能源领域的重要组成部分，是全球经济发展的一个新热点，是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的产品。铅酸蓄电池产业是二十一世纪最有发展前途和应用前景的新型绿色能源体系, 同时关系到国家可持续发展战略的实现。近年来，致力于研究蓄电池容量检测仪的研制，铅酸蓄电池技术不断发展，一些产品日臻成熟。
2008中国仪器仪表与测控技术报告大会论文集中由杨明欣 佘勇孟 芳高 国富等人提出的《全自动蓄电池容量检测仪的设计》以陶瓷加热器(PTC)作为蓄电池放电负载，对蓄电池进行恒流放电测试，通过计算得到待测蓄电池的实际电容量。本设计以单片机作为核心，采用PID算法，实现对负载(陶瓷加热器PTC)阻抗的精确控制，以保证放电电流的恒定。此外，系统还具备欠压、过压报警、20条放电信息的存储查询以及实时时钟等功能，自动化程度高，有广泛的应用价值。
学术期刊《通信电源技术》2008年2期收录的由高玉峰、刘亚龙、李春
平所著的《基于改进型Boost电路的铅酸蓄电池容量检测装置设计》，针对铅酸蓄电池容量检测的特点,提出了一种以Boost电路为主电路,应用PI调节和PWM控制技术实现恒流放电的方案.对传统Boost电路进行改进,解决了启动浪涌电流大和蓄电池误接自保护的问题.阐述了放电电阻的优化设计方法,给出了设计准则.仿真和实验均验证了设计的正确性。
另外，在学术期刊《工业仪表与自动化装置》2011年4期中收录的由贾承谧所著的《全自动蓄电池容量检测仪的研制》。文章介绍研制的全自动蓄电池容量检测仪,该机配有光电隔离型模入、IO信号数据采集模块,提供了USB接口,方便与PC机相联,操作系统用目前流行的Windows,对4路蓄电池容量并行检测,每路可检测单个61224 V蓄电池,放电电流从0.01～80 A实现程序可控,能精确检测每个蓄电池的容量.
在2012年3期的《电源技术》学术期刊中由储开斌、陈树越、何宝祥所著的《基于DSP的蓄电池容量性能测试仪的设计》中提出了一种基于DSP的蓄电池容量性能测试仪的设计方案.以DSP为核心,多种控制模块为主要结构,用于测试蓄电池的容量、寿命及配组等相关指标.其中,充放电模块采用线性方案,高精度数据采集采用DSP内置AD芯片,实现高精度测量,符合国标对蓄电池的测试要求.可为研究分析和改善使用的蓄电池性能和寿命提供科学依据.该仪器可单机,也可通过RS-485进行组网测试,具有较好的市场应用前景.
虽然上述的研究已经逐步实现对蓄电池容量检测的合理化，也有部分已经成为产品，但是由于这种技术的限制以及电池内部能量的不可量化性，其产品仍不能满足要求。针对目前的实际情况，就蓄电池制造厂家、蓄电池测试技术研究机构，以及广大蓄电池维护人员而言，都在积极探索一种快速、准确、可靠、安全的蓄电池测试技术。特别对于广大现场维护工程师而言，这种需求更显迫切。遗憾的是，蓄电池是实现化学与电能之间转换的一种非常复杂的装置。蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程，蓄电池的充电过程是电能转化变为化学能的的过程。从电化学的角度，不能对于使用者提供更多的内部的信息。对它进行快速准确的容量测试是非常困难的。由于目前多是密封蓄电池，型号和规格千变万化，性能也不尽相同，外部只有两个电极接头。对于使用者来说，从外部来看，密封蓄电池是一个“黑箱”，至少是一个“灰箱”。对于蓄电池的设计和制造者同样如此。蓄电池容量测试技术的难点：
(1)蓄电池的化学能不能直接测量。
(2)蓄电池化学能本身是一个变量。由于化学反应不完全可逆。化学能随着使用次数和使用时间、储存时间而衰减。
(3)使用容量又与工作温度和充、放电率，充、放电的方法有关，并随着SOC
状态等条件在变化。
(4)容量相同的密封蓄电池的负载电压和内阻本身具有离散性。即使对于同一个厂、同期生产的、同型号的蓄电池也是如此，无法避免。而且，对于蓄电池组，使用时间越长，蓄电池个体之间的差异性和离散性越大，会出现两极分化。
(5)难以等效。一般来说，不能使用线性元器件或者其任意的组合来等效蓄电池的内部结构。退一步说，使用非线性元器件的组合，可以等效蓄电池的内部结构，也仅适用于特定的电池和特定的条件。不能适用于各种规格的电池以及同一个电池在不同的使用条件。 1.3 本设计要完成的工作
蓄电池具有良好的可逆性，电压特性平稳等诸多的优点，已经成为社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品，为了真实反其产品的质量水平，精确检测蓄电池容量，GB5008.1标准规定“整个试验期间蓄电池均放置在温度25±2℃的水浴中”。所以全自动容量检测仪工作时必须包括二部分，即蓄电池容量检测部分和水浴恒温控制部分。整个全自动蓄电池检测包括多路电压电流检测模块、水温检测模块、多路模拟开关选通模块、高速AD转换电路模块、计数定时模块、AT89C51单片机控制模块、键盘输入模块、LED显示模块、恒流负载控制模块、恒温调节模块等组成。如图1.1所示。
水浴恒温控制部分，由于整个试验期间要求蓄电池均放置在温度25±2℃的水浴中，所以控制过程中必须及时对温度进行精确控制。首先通过键盘设定恒温经行时的温度值，并且用数码管显示，然后在运行过程中将采样的温度模拟量输入AD转换器中经行模拟-数字装换，再将转换后的数字用数码管显示，最后用单片机输出控制量，DA转换后通过光电隔离和驱动电路送到可控硅SCR控制端，从而控制加热器的通电加热功率。
电池容量检测部分，在容量检测时必须按20h率容量、10h率容量、7min率27min率、储备容量的放电要求，即使同一的型号蓄电池的按不同的要求也有不同的放电电流，所以必须选择可控的恒流负载器。首先根据蓄电池的型号和容量检测的要求计算出放电电流，然后选择合适恒流负载器中继电器的开关，在测量期间对多路电压、电流的检测，经过高速多路模拟转换开关和AD转换器，将转换的数字用数码管显示，单片机根据键盘的输入值来控制横流负载器的继电器开关。如此可实现4路蓄电池容量的高精度检测。