蓄電池巡檢儀硬件電路設(shè)計.docVIP

31摘 要在各個大型電站或其他行業(yè)之中，直流電源屏和UPS電源系統(tǒng)對維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著十分重要的意義。而及時的發(fā)現(xiàn)失效電池對保持直流電源屏的正常工作起著關(guān)鍵的作用。本次畢業(yè)設(shè)計論文主要是使用MCS-51系列單片機中的一種AT89C4051對蓄電池巡檢儀的硬件電路和軟件編制做出初步的設(shè)計.本次設(shè)計采用AT89C4051作為CPU，輔以三態(tài)緩沖器74HC244來讀取并儲存蓄電池組的站號，通過對電池不斷的測量，如果上位機的發(fā)出的站號與電池的站號一致，那么測量值就可以發(fā)向上位機。而蓄電池的模擬信號的采集主要通過TLC549 A/D轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)通過光藕隔離和上位機通訊，在一定的召喚和應答規(guī)約之下通過RS485通訊端口便可以與PC機交換數(shù)據(jù)或與其他網(wǎng)絡(luò)相連實現(xiàn)遠程遙測的功能。本篇論文采用PROTEL99軟件來實現(xiàn)硬件電路的設(shè)計，軟件采用C語言編程。關(guān)鍵詞：三態(tài)緩沖，數(shù)模轉(zhuǎn)換，異步通訊, 規(guī)約 AbstractThe DC Power Supply and Uninterruptable Power System often play a key role in maintaining the safety of large electrical equipment in Power Plant or other Transmission Substation. So Detecting the Batteries, which are in bad working condition, immediately seems very meaningful and so often is.This thesis mainly concentrates on the application of one kind of chip-AT89C4051 in MCS-51 family. In my thesis, I use the At89c4051 to design the theoretic map of measuring hardware and peripheries. Meanwhile, I further the discussion of software with C programmable language. In my thesis, I choose At89c4051 as the Central Process Unit accompany with Tri-State Buffer 74HC244 which is used to collect the code of the battery. In most of occasion, the upper control computer send the code of the battery in order to select the battery which we want to measure, at the same time, the measuring part could receive the signal. If the code accord exactly with protocol which is made by us, the measuring part start to upload the measuring result to the upper control computer. In this situation we use Serial Interface (RS485) to communicate with remote control unit or other PC through optical-Segregation in order to carry out the Long Distance Measurement. This thesis use Protel 99 as main designing tool to achieve hardware design and C programmable language to accomplish software design.Keywords: Tri-State Buffer A/D Converter Asynchronous Communication Protocol 第一章 概述第一節(jié)：蓄電池在電力行業(yè)中的運用直流操作電源系統(tǒng)是變電站、發(fā)電廠不可缺少的二次設(shè)備。該系統(tǒng)由整流電源和蓄電池組組成。在正常情況下，整流電源為變電站、發(fā)電廠內(nèi)直流設(shè)備供電，同時給蓄電池組充電，保證蓄電池處于滿容狀態(tài)。當發(fā)生交流停電時，蓄電池組放電，保證直流設(shè)備不會停電。目前在電力系統(tǒng)廣泛使用的是閥控式密封鉛酸蓄電池。隨著變電站等級的提高，蓄電池的容量呈遞增狀態(tài)，而蓄電池的費用也呈遞增曲線。尤其是500kV變電站及發(fā)電廠用的直流操作電源系統(tǒng)，蓄電池組在整套設(shè)備的費用比重會遠遠大于整流電源所占費用比重。因此蓄電池的維護成為非常重要的問題。測量蓄電池品質(zhì)最直觀的辦法就是測量蓄電池的端電壓，其能直接反映蓄電池的過充和欠充。為了及時得到每節(jié)蓄電池的情況，并且減少維護的工作量（目前電力系統(tǒng)正在大力推行變電站無人值守），在較為重要的變電站，特別是110kV以上等級的變電站及發(fā)電廠的直流操作電源系統(tǒng)中大多要求配置蓄電池檢測裝置。閥控式密封鉛酸蓄電池以2V為基本單元，大容量的蓄電池均采用2V/節(jié)，小容量的為內(nèi)部6個單元串聯(lián)，構(gòu)成12V/節(jié)，也有些較少的品牌采用6V/節(jié)。我國變電站內(nèi)部直流設(shè)備通常為220V/110V，220V的直流操作電源需配置18/19節(jié)12V蓄電池或103108節(jié)2V蓄電池，110V的直流操作電源以次類推。蓄電池頭尾串聯(lián)，最后與整流器的輸出并聯(lián)。 通信電源系統(tǒng)與直流操作電源系統(tǒng)類型相似，也是由整流器和蓄電池組組成，只是其輸出電壓為-48V（其正端與大地相連），對應輸出電壓，蓄電池組由4節(jié)12V或24節(jié)2V蓄電池串聯(lián)而成。對于重要的系統(tǒng)，特別是無人值守的通信基站，為蓄電池組配置蓄電池測試儀也成為一種趨勢。第二節(jié)：傳統(tǒng)的蓄電池巡檢儀為檢測單節(jié)蓄電池電壓，要在蓄電池兩極引出采樣線。例如：18節(jié)蓄電池一一串聯(lián)組成蓄電池組，則要引出19根采樣線；若是108節(jié)蓄電池組成蓄電池組，則需要109根采樣線。目前應用比較普及的蓄電池測試儀采用巡檢方式，通過端子接入采樣線，如下圖所示。+ 整流器 -蓄電池測試儀采樣線端子蓄電池測試儀內(nèi)部單片機控制繼電器逐一切換，將每節(jié)電池分別與單片機測量系統(tǒng)共地相連，從而測得單節(jié)蓄電池端電壓。蓄電池測試儀通過串行通訊口將數(shù)據(jù)傳至直流操作電源微機監(jiān)控裝置，便于操作人員觀察、記錄，還可與直流操作電源系統(tǒng)其它信息一起再傳給變電站綜合自動化后臺裝置，直至電力系統(tǒng)主站。采用巡檢方式的蓄電池測試儀的優(yōu)點是造價低廉，但缺點也很明顯，主要有以下幾點：1） 現(xiàn)場連接線太多，尤其是采用2V蓄電池時，要連接大量的采樣線；2） 連接采樣線有一定危險性。由于采樣線是通過端子接入單片機系統(tǒng)，而考慮到體積和成本，相鄰接線點距離很近；蓄電池采樣線是帶電作業(yè)，連接蓄電池具有一定危險性，而長距離連接蓄電池采樣線，尤其是采樣線數(shù)量較多，不易分辨其順序，不但操作任務較重，發(fā)生事故的機率也高；3） 可靠性低。蓄電池測試儀從直流母線上取電作為裝置輸入電源，若受到強電干擾，有可能造成某一時刻一節(jié)以上繼電器動作，則蓄電池會通過采樣線形成短路；4） 壽命受采樣頻率影響。目前較好品牌的繼電器的切換次數(shù)多為105106次， 若切換頻率較高，會影響繼電器進而整個裝置的使用壽命，因此采用巡檢方式的蓄電池測試儀均以加大繼電器切換時間來延長裝置壽命，但這樣會造成數(shù)據(jù)更新周期偏長。第三節(jié)：新型蓄電池巡檢儀新型蓄電池智能測試裝置由若干測試單元組成，工作時每節(jié)蓄電池配置一塊測試單元，測試單元內(nèi)置單片機，以單節(jié)蓄電池作為其電源輸入，通過電路將蓄電池電壓變換成單片機工作電壓，同時單片機通過自帶的AD測試出蓄電池端電壓。測試單元通過跳線對應唯一通訊站號，上位機通過隔離的485總線，帶站號分別召喚每個測試單元，獲得每個蓄電池的端電壓數(shù)據(jù)。根據(jù)鉛酸蓄電池的電壓級別，測試單元分為2V和12V兩種。兩者原理基本一致，2V的測試單元要通過升壓電路，將蓄電池端電壓升到單片機的工作電壓；而12V的測試單元則通過降壓電路，將蓄電池端電壓降到單片機的工作電壓。 與傳統(tǒng)的蓄電池巡檢裝置相比：新型蓄電池智能測試裝置有以下幾個優(yōu)點：1） 其測試單元尺寸很小，并且以每節(jié)蓄電池端電壓作為其輸入電源，因此可就近連線，甚至置于蓄電池表面。與蓄電池一一對應，連接線的危險性大大降低，只要注意正負即可；2） 根據(jù)蓄電池節(jié)數(shù)配置測試單元，通用于直流操作電源和通信電源。目前直流電源系統(tǒng)，包括直流操作電源和通信電源均配置微機監(jiān)控裝置，其裝置也多配有RS485通訊口，若其使用合適的RS485驅(qū)動芯片，最多可支持256個通信節(jié)點，則測試單元可直接作為若干通訊節(jié)點接入該通訊口的485總線，單節(jié)蓄電池端電壓數(shù)據(jù)直接進入上一級監(jiān)控裝置，進一步節(jié)省資源；3） 由于不采用繼電器切換方式，不但使用壽命長，而且每個測試單元同時工作，數(shù)據(jù)更新速率取決于上位機召喚頻率，數(shù)據(jù)刷新率大幅度提高。4） 測試單元通過端子上485總線，與上位機只有兩根通訊線相連，取代了傳統(tǒng)蓄電池巡檢裝置的大量采樣長線，現(xiàn)場清爽，走線方便，如下圖所示；+ 整流器 -上位機系統(tǒng)485總線測試單元測試單元測試單元測試單元AB 本次設(shè)計主要以ATMEL公司的AT89C4051為CPU，輔以74HC244，TLC549，MAX756等芯片來實現(xiàn)針對2V蓄電池的蓄電池測試單元的測量以及通訊。 下面的章節(jié)將會對各種芯片結(jié)構(gòu)和原理，和硬件電路的設(shè)計進行分別詳細闡述。第二章 硬件電路的核心芯片第一節(jié) ATMEL系列的AT89C4051 AT89C4051是一種8位的，4K FLASH閃存，128BIT RAM的CPU一） 基本特征2） 具有MCS-51系列產(chǎn)品的基本功能3） 2.7V-6V的工作電壓4） 雙基準內(nèi)存鎖存器5） 15根可編程的I/O線6） 6個中斷源7） 直接LED的輸出驅(qū)動8） 低功率閑置和功率關(guān)閉模式9） 4K可重復編程的閃存10） 全靜態(tài)操作頻率0-24MHz11） 1288位的RAM12） 2個16位計數(shù)器和定時器13） 可編程的串行通信異步收發(fā)通道14） On-Chip模擬比較器二） 基本描述 AT89C4051有4K字節(jié)的閃存（可編程可擦除只讀內(nèi)存EPROM）的低電壓高效運行的8位微處理器。這個設(shè)備通過使用AMTEL的非易失的內(nèi)存技術(shù)和工業(yè)標準與MCS-51兼容。 我們通過比較通用的8位CPU和單片集成電路中的閃存可以知道。對于許多的嵌入式控制系統(tǒng)來說，ATMEL的AT89C4051具有更高的靈活性和高效性。 AT89C4051提供下述標準特征：1）4K字節(jié)的FLASH閃存 2）128字節(jié)的RAM 3）15根I/O線 4）兩個16位的定時器/計數(shù)器 5）一個5矢量雙水平的中斷系統(tǒng) 6）一個雙向串行通道 7）一個精度模擬比較器 8）芯片中的震蕩器和時間電路。此外AT89C4051零頻率狀態(tài)下運行的靜態(tài)邏輯并提供兩個軟件節(jié)能模式以供使用。Idle Mode閑置方式使CPU停止工作，但允許RAM，計數(shù)器/定時器，串行接口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。Power Down Mode會保存RAM中的內(nèi)容，但使震蕩器停止工作，并且終止芯片其他功能直至重啟。如圖-2 所示基本管腳 一） 管腳的基本功能VCC：供電電源GND：接地Port1：端口一是八位雙向I/O口。P1.2-P1.7端口提供上拉。而P1.0-P1.1需要外部上拉。P1.0-P1.1常常作為正向輸入和反向輸入，這兩個輸入分別在芯片中的精度比較模擬器。端口1輸出緩沖能下降20MA，并且可以直接驅(qū)動LED顯示器。端口1置1，它變?yōu)檩斎?，當管腳P1.2-P1.7作為輸入并且被外部拉低，那么他們將由于內(nèi)部的拉閥而作為電流源。端口1同樣在閃存編程和修改時接收代碼數(shù)據(jù)。Port3：管腳P3.0-P3.5和P3.7是7根雙向I/O口，內(nèi)存內(nèi)部上拉閥，P3.6為比較器的輸入和輸出端口，但不能作為通用的I/O口。端口3的輸出緩沖能下降20MA。當端口3被置1，端口3被內(nèi)部拉閥上拉同時可以被視為輸入。作為輸入，端口3的管腳被外部拉底，這樣端口3將形成I1L，這些均是由內(nèi)部拉閥所決定的。 同時端口3同樣可以作為AT89C4051的各種特殊功能：P3.0：RXD P3.1：TXD P3.2: （作為外部中斷0）P3.3：（作為外部中斷1） P3.4：T0計時器0的外部輸入P3.5：T1計時器1的外部輸入RST：輸入重置，所有的I/O引腳會被全置為1，一旦RST被置為高電平。如果保持RST引腳為高電平兩個周期那么震蕩器將會重啟。 每一個機器周期等于12個震蕩周期或時鐘周期XTAL1：震蕩轉(zhuǎn)換放大器和內(nèi)部時鐘運行電路的輸入端XTAL2：震蕩轉(zhuǎn)換放大器和內(nèi)部時鐘運行電路的輸出端二） 震蕩器的主要特征 XTAL1，XTAL2，分別是轉(zhuǎn)換放大器的輸入和輸出，轉(zhuǎn)換放大器往往可被作為震蕩器使用如圖3所示。震蕩器可以是石英震蕩器也可以是瓷共振震蕩器。為了從外部時鐘源去驅(qū)動這個電路，當XTAL1被驅(qū)動的時候，此時XTAL2應該被隔離。我們往往對外部時鐘源的工作周期沒有太多的要求，因為內(nèi)部時鐘電路往往通過兩個連續(xù)的分割，但仍然要注意最高電壓和最低電壓。 圖三：震蕩器的連接 圖四：外部時鐘驅(qū)動布置圖C1，C2=30PF10PF（石英） 或 40PF10PF（瓷）三） 特殊功能寄存器（SFR） 如同單片機MCS-51中的一樣，并不是所有的寄存器地址都被占據(jù)。芯片將不會去使用那些未被占據(jù)的地址。同樣，對這些地址的讀取將會被返回隨機的地址，同時寫操作將會產(chǎn)生不確定性。用戶不能對這些未列出的地址進行操作。因為這些地址主要被保留在未來使用以備新的功能，如果那樣的話，重置或初始化這些地址將會是零。如表1所示SFR在寄存器中的分布：四） 幾種低功率工作方式 1）Idle Mode 閑置方式所謂的閑置方式就是將自身放入休眠狀態(tài)，而其他所有芯片上的外圍設(shè)備仍然處于激活狀態(tài)，這種方式往往通過軟件來激活。同時芯片上的RAM和SFR在這種方式下不會改變。這種方式往往通過有效中斷或硬件重置電路來結(jié)束。 如果沒有外部上拉電阻那么P1.0 &P1.1應該被置零，反之應置為一。我們應該注意，如果閑置方式是通過硬件重置方式來被終止的，那么程序會在終止的地址上繼續(xù)恢復程序的運行，但是在內(nèi)部程序恢復之前存在兩個機器周期，在這種情況之下，內(nèi)部的硬件會禁止外部對內(nèi)部RAM的修改,但修改端口卻未被禁止。所以為了防止錯誤的對端口進行寫操作當閑置模式終止時，那么我們激活閑置模式的過程應該與我們對端口引腳或外部存儲器的激活步驟不一樣。2）斷電模式 斷電模式下震蕩器停止，并且激活斷電模式的程序是最后一個執(zhí)行的程序，同時RAM和SFR會保持原來的值直到斷電模式結(jié)束。硬件重置是結(jié)束斷電模式的唯一辦法，那么硬件重置會重新定義SFR但不會對RAM造成影響。但只有當恢復到正常的工作電壓的時候，同時應該保持激活足夠長的時間一直到晶振重新啟動并穩(wěn)定后我們才能進行重置。 3)褪色檢測 當下降到極限值時，所有端口除了P1。0，P1。1外全部被輕微的上拉，回到原值時，內(nèi)部重置在15Msec后有效。一般來說褪色檢測的電壓范圍在%，如圖5所示 圖5第二節(jié)： MM74HC244 三態(tài)緩沖器的基本結(jié)構(gòu)a) 概述MM74HC244主要采用最先進的的硅門技術(shù)中的CMOS技術(shù)，具有高速，非逆轉(zhuǎn)性的三態(tài)緩沖器。MM74HC244具有高驅(qū)動電流的驅(qū)動輸出，這些強力的驅(qū)動在驅(qū)動大總線時也能保持高速的運行。且內(nèi)部電路中的傳導速度可以與低功率肖特基持平，但其電路主要還是和CMOS電路有關(guān)。MM74HC244是一個非逆轉(zhuǎn)的三態(tài)緩沖器，同時擁有兩個低電平可使1G，2G分別控制4個緩沖器，同樣的這些設(shè)備沒有施密特觸發(fā)輸入。b) 基本特點1） 基本的傳導延遲：14NS2） 對系統(tǒng)總線的三態(tài)輸出3） 更廣泛的電壓工作范圍2-6V4） 74系列的低靜態(tài)電源電流5） 輸出電流下圖6所示為MM74HC244的連接圖下表2為管腳的真值表 第三節(jié)： 帶串行控制8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC549一） 概述TLC549 是以 8 位開關(guān)電容逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的 CMOS A/D 轉(zhuǎn)換器。它們設(shè)計成能通過 3 態(tài)數(shù)據(jù)輸出和模擬輸入與微處理器或外圍設(shè)備串行接口。TLC549 僅用輸入/輸出時鐘（ I/O CLOCK ）和芯片選擇（ CS ）輸入作數(shù)據(jù)控制。 TLC548 的最高 I/O CLOCK 輸入頻率為 2.048MHz ，而 TLC549 的 I/O CLOCK 輸入頻率最高可達 1.1MHz 。有關(guān)與大多數(shù)通用微處理器接口的詳細資料已由工廠準備好，可供使用。TLC549 的運用與較復雜的 TLC540 和 TLC541 的運用非常相似；不過， TLC549提供了片內(nèi)系統(tǒng)時鐘，它通常工作在 4MHz 且不需要外部元件。片內(nèi)系統(tǒng)時鐘使內(nèi)部器件的操作獨立于串行輸入/輸出的時序并允許 TLC548 和 TLC549 象許多軟件和硬件所要求的那樣工作。 I/O CLOCK 和內(nèi)部系統(tǒng)時鐘一起可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送以及對于 TLC548 為每秒 45,500 次轉(zhuǎn)換、對于 TLC549 為每秒 40,000 次轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度。TLC549 的其他特點包括通用控制邏輯，可自動工作或在微處理器控制下工作的片內(nèi)采樣-保持電路，具有差分高阻抗基準電壓輸入端、易于實現(xiàn)比率轉(zhuǎn)換（ratiometric conversion）的高速轉(zhuǎn)換器，定標（ scaling ）以及與邏輯和電源噪聲隔離的電路。整個開關(guān)電容逐次逼近轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計允許在小于 17s的時間內(nèi)以最大總誤差為 0.5最低有效位（LSB）的精度實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。TLC549的工作溫度范圍為 0 至 70 TLC549 的工作溫度范圍為-40 至85 。 表-3 二）特點 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器 差分基準輸入電壓 轉(zhuǎn)換時間 17 s Max每次總存取與轉(zhuǎn)換周期數(shù)TLC549 高達 40,000片內(nèi)軟件可控采樣棗保持總不可調(diào)整誤差（ Total Unadjusted Error ） 0.5LSB Max 4MHz 典型內(nèi)部系統(tǒng)時鐘寬電源范圍 3V 至 6V 低功耗 15mW Max能理想地用于包括電池供電便攜式儀表的低成本、高性能應用引腳和控制信號與 TLC540 、 TLC545 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器以及 TLC1540 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器兼容 CMOS 工藝三）基本管腳和內(nèi)部功能 圖-7 c) 基本時序上圖-8顯示出TLC549的基本時序，本論文主要關(guān)心的是CPU在讀取Data_out的時序，下面將詳細闡述：A. 轉(zhuǎn)換周期需要 36個系統(tǒng)時鐘周期（最大為 17 s），它開始于 CS 變?yōu)榈碗娖街?I/O CLOCK的第 8 個下降沿，這適用于該時刻其地址存在于存儲器中的通道。B. 在 CS 變?yōu)榈碗娖街?，最高有效位?A7 ）自動被放置在 DATA OUT 總線上。其余的 7 位（A6-A0）在前 7個I/O CLOCK 下降沿由時鐘同步輸出。 B7-B0 以同樣的方式跟在其后d) 基本工作特性二、特性工作溫度范圍內(nèi)（自然通風）的極限參數(shù)（除非另有說明）+電源電壓， VCC 6.5V任何輸入端輸入電壓范圍 -0.3V 至 VCC+0.3V輸出電壓范圍 -0.3V 至 VCC+0.3V峰值輸入電流范圍（任何輸入端） 10mA峰值總輸入電流范圍（所有輸入端） 30mA工作溫度范圍（自然通風），TA ：TLC548C ，TLC549C 0至 70TLC548I ， TLC549I -40 至 85 儲存溫度范圍， Tstg -65 至 150 引線溫度，離外殼 1.6mm(1/16 英寸)，10秒 260 + 強度超出所列的極限參數(shù)可能導致器件的永久性損壞。這些僅僅是極限參數(shù)，并不意味著在極限參數(shù)條件下或在任何其它超出推薦工作條件下所示參數(shù)的情況下器件能有效地工作。延長在極限參數(shù)條件下的工作時間會影響器件的可靠性。詳見下表-4：注釋 1.在 REF-與 GND 連接在一起的情況下所有電壓值均相對于網(wǎng)絡(luò)地端（除非另有說明）。2.溫度低于-40 時，不推薦 D 封裝。 3. 大于加至 REF+電壓的模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為全“ 1 ”（ 11111111 ），小于加至 REF-電壓的模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為全“ 0 ”（ 00000000 ）。為了工作良好， REF+電壓高于 REF-電壓至少 1V 。而且，當此差分基準電壓降至 4.75V 以下時，總失調(diào)誤差可能增加。4. 這是時鐘輸入信號從 VIHmin 降至 VILmax 或從 VILmax 升至 VIHmin 所需的時間。在正常室溫附近，對于遠程數(shù)據(jù)采集應用（在這些應用中，傳感器和 A/D 轉(zhuǎn)換器放在離控制微處理器幾英尺遠處），在輸入時鐘跳變時間慢至 2 s 的情況下器件可保持其功能。5. 為了使 CS 端噪聲所引起的誤差為最小。在響應控制輸入信號以前，內(nèi)部電路在 CS 之后等待內(nèi)部系統(tǒng)時鐘兩個上升沿和 1 個下降沿。 CS 建立時間由 ten 和 tSU(CS)這兩個指標給出。e) 應用資料簡化模擬輸入分析利用下面的等效電路，模擬輸入電容從 0 充電至 VS （在 1/2LSB 之內(nèi)）所需的時間可推導如下：電容充電電壓由下式給出：（1）其中：離 1/2LSB 的最終電壓由下式給出： （2）使式（1）和式（2）相等并求解時間給出： （3）和（4）因此，在給定數(shù)值的情況下，模擬輸入信號建立時間為（5）此時間必須小于時序圖中所示的轉(zhuǎn)換器采樣時間。 圖-9Vi=ANALOG IN 端的輸入電壓Vs=外部驅(qū)動源電壓Rs=源電阻Ri=內(nèi)部電阻Ci=等效輸入電容+ 驅(qū)動源要求：源的噪聲和失真必須與轉(zhuǎn)換器的分辨率相當在輸入頻率上 RS 必須為實數(shù)f) 基本工作原理四、工作原理TLC548 和 TLC549 都是在單個芯片內(nèi)的完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。每一個器件包含內(nèi)部系統(tǒng)時鐘，采樣和保持， 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)寄存器以及控制邏輯電路。為了提高靈活性和訪問速度，器件有兩個控制輸入：I/O CLOCK 和芯片選擇（ CS ）。這些控制輸入和與 TTL 兼容的 3 態(tài)輸出易于與微處理器或小型計算機的串行通信。器件可在 17 s 或更短時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。 TLC548 每 22 s 重復一次完整的輸入-轉(zhuǎn)換-輸出（ input-conversion-output ）周期， TLC549 每 25 s 重復一次輸入-轉(zhuǎn)換-輸出周期。內(nèi)部系統(tǒng)時鐘和 I/O CLOCK 獨立使用且不需要任何特定的速度或二者之間的相位關(guān)系。這種獨立性簡化了器件的硬件和軟件控制任務。由于這種獨立性和系統(tǒng)時鐘的內(nèi)部產(chǎn)生，控制硬件和軟件只需關(guān)心利用 I/O時鐘讀出先前轉(zhuǎn)換結(jié)果和啟動轉(zhuǎn)換。內(nèi)部系統(tǒng)時鐘以這種方式驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路以便控制硬件和軟件不需要涉及此項任務。當 CS 為高電平時， DATA OUT 處于高阻狀態(tài)且 I/O CLOCK I/O 時鐘）被禁止。當使用另外的 TLC549和 TLC548 器件時，這種 CS 控制功能允許 I/O CLOCK 與其計數(shù)部件（ counterpart ）端共用同樣的控制點。當使用多個 TLC548 和 TLC549 器件時，這也用于使所需的控制邏輯端為最少?？刂茣r序已設(shè)計成使啟動轉(zhuǎn)換與取得轉(zhuǎn)換結(jié)果所需的時間和工作為最少。正?？刂茣r序為：1. CS 被拉至低電平。為了使 CS 端噪聲所產(chǎn)生的誤差為最小，在識別低跳變之前，內(nèi)部電路在 CS 之后等待內(nèi)部系統(tǒng)時鐘兩個上升沿與其后的下降沿。然而，由于 CS 上升沿的作用，即使直到經(jīng)歷了 Tsu (CS)時間，其余的集成電路仍不識別跳變。 DATA OUT 也將在 Tdis 之內(nèi)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。當器件用于噪聲環(huán)境中時，這種技術(shù)可用來保護器件使其免受噪聲的影響。當 CS 變?yōu)榈碗娖綍r，前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位（MSB）開始出現(xiàn)在 DATA OUT 端。2. 前 4 個 I/O CLOCK 周期的下降沿輸出前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的第 2 、第 3 、第 4 和第 5 個最高有效位。在 I/OCLOCK 第 4 個高電平至低電平的跳變之后，片內(nèi)采樣和保持電路開始對模擬輸入采樣。采樣操作主要包括內(nèi)部電容器充電到模擬輸入電壓的電平。3. 其后再把三個 I/O CLOCK 周期加至 I/O CLOCK 端，在這些時鐘周期的下降沿，第 6 、第 7 和第 8 個轉(zhuǎn)換位被移出。4. 最后（第 8 個）時鐘周期被加至 I/O CLOCK 。此時鐘周期高電平至低電平的跳變使片內(nèi)采樣和保持電路開始保持功能。保持功能在接著四個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)繼續(xù)進行，在此之后保持功能結(jié)束且在下面 32個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，總共為 36 個周期。在第 8 個 I/O CLOCK 周期之后， CS 必須變?yōu)楦唠娖?，否則 I/O CLOCK 必須保持低電平達至少 36 個系統(tǒng)時鐘周期以供保持和轉(zhuǎn)換功能的完成。在多個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)CS 可保持低電平。在多個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)使 CS 保持低電平時必須特別注意防止 I/O CLOCK 線上的噪聲閃變。如果在 I/O CLOCK 上發(fā)生閃變，那么在微處理器/控制器和器件之間的 I/O 時序?qū)⑹ネ?。此外，如?CS 變?yōu)楦唠娖?，那么它必須保持高電平直至轉(zhuǎn)換結(jié)束為止。否則， CS 的有效高電平至低電平跳變將引起復位，它使正在進行的轉(zhuǎn)換失敗。在 36 個系統(tǒng)時鐘周期發(fā)生之前，通過完成步驟 1 至 4 可以啟動新的轉(zhuǎn)換，同時正在進行的轉(zhuǎn)換中止。此操作產(chǎn)生先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果而不是正在進行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。對于某些應用，諸如選通（strobing）應用，需要在特定的時間點啟動轉(zhuǎn)換。此器件能適應這些應用。雖然片內(nèi)采樣和保持在第 4 個有效 I/O 時鐘周期的負沿開始采樣，但是直到第 8 個有效 I/O 時鐘周期的負邊沿之前，保持功能并不開始。它應當開始于必須轉(zhuǎn)換模擬信號的瞬間。 TLC548/TLC549 繼續(xù)采樣模擬輸入，直到 I/O 時鐘的第 8 個下降沿為止。然后控制電路或軟件立即拉低 I/O CLOCK 并啟動保持功能以及在所需的時間點保持模擬信號并開始轉(zhuǎn)換。第四節(jié)：對RS485串口通信的低功率收發(fā)器MAX485一） MAX487的概述 MAX487是專門對RS485或RS422串口通信方式的低功率收發(fā)器。每一個部分包含一個驅(qū)動和一個接收器，具有較少的回轉(zhuǎn)率，這樣便可以減少電磁干擾（EMI）。驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)率沒有受到限制能達到2.5Mbps.(傳輸波特率)二） MAX487的基本特點1）在MAX的包中有八個最小的引腳SO2）無錯誤傳輸，有限的回轉(zhuǎn)率3）01的低電流關(guān)閉模式4）低靜態(tài)電流1205）-7V12V的普通模式的輸入電壓的范圍6）三態(tài)輸出7）30nS的傳輸延時，5nS的上升或下降時間8）支持半雙工和全雙工的通信模式9）單一5V電源供電10）允許總線上可以有128個收發(fā)器11）電流限制，溫控關(guān)斷，實行過載保護特別地，不同于MAX481，MAX485，MAX490。MAX487具有其自身的特點1） 一般只支持半雙工的通信模式2） 傳輸率一般在。0。25Mbps3） 有限的SLEW-RATE4） 支持低功率關(guān)斷5） 接收或驅(qū)動有效6） 靜態(tài)電流1207） 總線上最多可以掛128個收發(fā)器8） 8個管腳由于要對多個電池采集數(shù)據(jù)，那么需要選擇可以掛128個收發(fā)器的MAX487。下表-5表示出MAX487直流的基本電氣參數(shù)三）管腳的基本功能：接收輸出。如果AB超過200mV那么RO為高電平,如果AB超過200Mv，RO則為低電平。：接收輸出有效。當為低電平時，RO有效。反之，當 為高時RO無效。：輸出驅(qū)動有效。當為高時，驅(qū)動輸出Y和Z有效，反之則無效 ：驅(qū)動輸入。如果為低電平那么將迫使Y為低，Z為高。同樣的如果為高電平那么Y為高，Z為低。：非逆轉(zhuǎn)驅(qū)動輸出：可逆轉(zhuǎn)驅(qū)動輸出：非逆轉(zhuǎn)接收輸入和非逆轉(zhuǎn)驅(qū)動輸出：逆轉(zhuǎn)接收輸入和逆轉(zhuǎn)驅(qū)動輸出：電源 ：內(nèi)部未連接四） 基本內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖-10第三章：硬件電路的設(shè)計蓄電池測試單元系統(tǒng)框圖如下：電壓變換電路I/O單RXD片 TXD機I/O通訊站號設(shè)置電路B+B-光耦隔離電路485驅(qū)動芯片ABA/D在本次設(shè)計中，蓄電池電壓既是蓄電池測試單元的輸入電源，也是測試單元的測量對象。由于蓄電池測試單元采用AT89C4051為CPU，其工作電壓為+5V，而蓄電池的電壓不能正好達到CPU的工作電壓，因此在蓄電池和CPU之間應設(shè)置電壓變換電路。若測試的蓄電池為12V的規(guī)格，則采用普通的三端穩(wěn)壓器即可。而本設(shè)計針對的是2V的鉛酸蓄電池，因此該電壓變換電路為BOOST升壓電路，在本次設(shè)計中采用后面介紹的MAX756進行升壓變換，MAX756是MAXIM公司生產(chǎn)的高效率、低功耗升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)置PFM（脈沖頻率調(diào)制）振蕩器、PFM控制器、PFM比較器、軟起動電路、電壓基準及MOEFET開關(guān)管，還具有限流電路。其輸入電壓范圍為0.8V5.5V，輸出為5V/3V電壓，輸出額定電流為200mA。其工作原理為內(nèi)部MOSFET開關(guān)管導通時，外部管腳連接的電感進行儲能；內(nèi)部MOSFET開關(guān)管關(guān)斷時，電感釋放能量，在管腳OUT產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出，通過電容濾波，得到穩(wěn)定輸出電壓。外接肖特基二極管1N5817，使得輸出電壓不會反回至輸入端。由于AT89C4051內(nèi)部不帶A/D變換器，因此在輸入端和CPU間設(shè)置A/D變換器，考慮到成本和性能的要求，在本次設(shè)計中采用價廉物美的串行8位A/D芯片TLC549，其通過AT89C4051的I/O將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量以串行方式一位一位傳給CPU。上位機與測試單元通過485總線傳遞數(shù)據(jù)，因此在測試單元中配置RS485驅(qū)動芯片，將CPU的TTL和485電平進行轉(zhuǎn)換。在測試單元中，CPU的電源取自蓄電池，蓄電池的負極即為CPU和測量電路的基準地。而在整個系統(tǒng)中，每節(jié)蓄電池配置一個測試單元，顯然每個測試單元都是不共地的。而由于它們都通過485總線與上位機連接，即擁有一個共同的485通訊地，因此在485驅(qū)動芯片與CPU之間通過光耦連接。在本次設(shè)計中，考慮到成本和性能的要求，采用TLP521隔離串行收發(fā)信號RXD和TXD，及485芯片收發(fā)的控制信號?？紤]到TLP521的反應速率，在本次設(shè)計中，串行通訊的波特率定為4800。由于2V蓄電池組成的直流操作電源蓄電池組通常包括102108節(jié)蓄電池，而普通的485芯片只能支持32個節(jié)點，故本次設(shè)計采用前面介紹的MAX487，其能支持128的節(jié)點，滿足系統(tǒng)的要求。第一節(jié)：AT89C4051的基本外部連接 如上圖-11所示，CPU正常工作的基本前提是有正常的晶振頻率，這里我們選取石英震蕩器，基本震蕩頻率選取11.0951MHZ，這樣便能很容易在內(nèi)部實現(xiàn)4800或9600的波特率。如圖所示，石英震蕩器與兩個電容形成一個外部協(xié)振放大器，分別連接外部放大器的輸入和輸出端XTAL1，XTAL2。 AT89C4051具有P1的雙向I/O口，可以對其端口直接讀寫。P3也是雙向I/O口，但是P3口通常用于其他的功能，這樣才能完成外部中斷，異步，同步通信等要求。我們在第一章已經(jīng)提到P3口的特殊功能。P3.0一般作為通信的接收端RXD，P3.1一般作為通信的發(fā)送端TXD。 同時我們還必須考慮到CPU還必須具有處理外部中斷的要求，在這樣的前提下，我們通常將P3.2設(shè)為（作為外部中斷0）P3.3（作為外部中斷1）。此外我們還將P3.4設(shè)置為T0計時器0的外部輸入，P3.5為T1計時器1的外部輸入。 這樣我們可以確定出，我們可以把P1端口作為讀取蓄電池站號的雙向端口。根據(jù)要求，我們需要對256個蓄電池進行巡檢，那么顯然我們需要安排8位二進制數(shù)來代表這256個電池的站號。那么我們需要8根I/O線來讀取這些站號，但現(xiàn)實是P1口只有8根I/O線，但是我們還需要對片選（TCS），外部時鐘信號（CLK）作出定義，最為重要的是我們還必須安排一根I/O線對采集的電池的電壓信號進行讀取。所以看起來8根I/O線是遠遠不夠的。 第二節(jié)：三態(tài)緩沖器與撥碼開關(guān)的連接以及CPU的控制為了解決這種狀況，我們可以只安排4根I/O線對74HC244中的站號進行讀取。根據(jù)需要可以用P3.7來控制先讀取高四位，還是低四位。根據(jù)上圖，當P3.7=1，與P3.7直接相連為高。此時V5截止，直接接地，為低電平。由于和全部是低電平有效，所以無效而有效。如圖-6中的三態(tài)緩沖器內(nèi)部結(jié)構(gòu)74HC244所示，我們很容易分析出2A1-2A4有效，在我設(shè)計的電路圖中表示低四位通而高四位被屏蔽。反之，當P3.7=0則是低四位屏蔽，高四位通。我們只要根據(jù)需要來選擇P3.7的值便可以選擇先讀高四位還是先讀低四位。如下圖-12所示： 我們可以定義1A1對應站號值的最高位，依次2A4對應最低位。當我們撥上撥碼開關(guān)時，對應的位為0，未撥上的位為1。組成二的進制數(shù)恰好是實際站號的求反。我們只要通過軟件逐位求反即可。這樣我們便可以將站號順利地送入三態(tài)緩沖器74HC244中。第三節(jié)：8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC549的外部硬件連接如下圖-13所示，與地相連，通過TL431與VCC相連，從而構(gòu)成一低一高的參考電壓，此為逐次逼近式的重要條件。中接受由CPU給出的時鐘信號。由上面的章節(jié)我們可以知道在 CS 變?yōu)榈碗娖街?，最高有效位?A7 ）自動被放置在 DATA OUT 總線上。其余的 7 位（A6-A0）在前 7個I/O CLOCK 下降沿由時鐘同步輸出。 B7-B0 以同樣的方式跟在其后。同時由前面的分析我們可以發(fā)現(xiàn)，前 4 個 I/O CLOCK 周期的下降沿輸出前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的第 2 、第 3 、第 4 和第 5 個最高有效位。在 I/OCLOCK 第 4 個高電平至低電平的跳變之后，片內(nèi)采樣和保持電路開始對模擬輸入采樣。采樣操作主要包括內(nèi)部電容器充電到模擬輸入電壓的電平。其后再把三個 I/O CLOCK 周期加至 I/O CLOCK 端，在這些時鐘周期的下降沿，第 6 、第 7 和第 8 個轉(zhuǎn)換位被移出。最后（第 8 個）時鐘周期被加至 I/O CLOCK 。此時鐘周期高電平至低電平的跳變使片內(nèi)采樣和保持電路開始保持功能。這里的CS為低電平有效，當CS為零時。這時TLC549便開始工作。AIN為模擬信號的輸入端口，電池的模擬電壓信號通過這個端口進入TLC549開始轉(zhuǎn)換。但是需要特別注意的是AIN是有一定的電壓范圍的。但是我們必須根據(jù)實際要求去選擇測量蓄電池的值，所以當電池的電壓大于AIN所能承受的電壓時，我們必須采用電阻分壓的辦法來減少輸入AIN中的電壓。 圖-13由上面的章節(jié)我們知道，輸入電壓的高電平控制電壓，。如上圖所示，我們可以得公式：，所以我們DOUT得到的數(shù)字信號并不能代表真實的電池電壓的數(shù)字信號，所以必須在軟件程序中進一步做還原處理。具體的處理方法將會在下一章的程序設(shè)計中詳細闡述。第四節(jié)：升壓芯片MAX756和通信收發(fā)器MAX4871) 使用DC/DC升壓電路的必要性 我們知道一般的CPU的供電電源一般都要5V，通常的做法是用電力電子系統(tǒng)對外部工業(yè)220V的工頻電源進行變流，需要AC/DC的降壓電路，如果每個檢測裝置配備一個電源這樣無疑成本和體積便會大幅度的提高。 如果可以因地制宜的對我們所需要測量的電池進行利用，通過一個很小的DC/DC升壓芯片，我們便可以很容易的得到5V的CPU電源。具體見下圖-142) 通訊的硬件電路 通訊主要采用RS485的異步全雙工串行的通訊模式，通常采用的通訊格式為從低位到高位依次為：起始位，數(shù)據(jù)位，校驗位，停止位。校驗位主要用于檢驗看發(fā)送的數(shù)據(jù)是不是和規(guī)約中的一致，如果一致，則發(fā)送數(shù)據(jù)，表示一次發(fā)送和接收成功。我們這里主要用比較簡單的和校驗。這里我們有RXD（接收數(shù)據(jù)）和TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）不需要用一根通訊線來實施分時操作。但CPU接收到上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)（主要包含和校驗，站號信息的數(shù)據(jù)）和下位機的規(guī)約中的站號，如果一致，那么數(shù)據(jù)可以通過TXD發(fā)送應答信號（主要包含和校驗，以及通過處理后的電池電壓值）。 通訊中也有共地的問題，MAX487需要和被測量的電池采用一個地。然而電池的測量地是不斷變化的，顯然將所有電池的負端作為共公地連起來將會引起短路。所以采用光耦隔離將所有電池的測量地共起來和MAX487共地。 C485主要是用來控制發(fā)送和接收的。MAX487中的(Receive Enabled)表示接收出有效。當為低電平時，RO有效表示可以接收。反之，當 為高時RO無效。(Driver Enabled)表示輸出驅(qū)動有效。當為高時，驅(qū)動輸出Y和Z有效則發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD），反之則無效。 圖-15通過上位機的顯示功能或遠程通訊功能，我們能很快的發(fā)現(xiàn)工作不正常的電池。進一步的,我們可以讓電池的站號在一段時間內(nèi)不斷變化,那么不斷給下位機發(fā)出遞增的電池的站號,這樣0-255號蓄電池的電壓便能依次通過下位機的應答上傳到上位機,這樣反復便可以實現(xiàn)對所有蓄電池的巡檢,從而及時的發(fā)現(xiàn)任何一個不正常工作的蓄電池.下面附上整個硬件電路設(shè)計圖:第四章:蓄電池巡檢儀的軟件設(shè)計第一節(jié)：蓄電池站碼的讀取的程序一般地，我們在程序的初始化的時候就應該運行這個鍵值讀取程序。這個鍵值對整個程序都有效。 void read_key(void) / 讀取鍵值的程序 P3_7=1; /如果P3_7=1讀取低四位 if (P1_7=0) key=1; if (P1_6=0) key=key+2; if (P1_5=0) key=key+4; if (P1_4=0) key=key+8; P3_7=0; /如果P3_7=0讀取低四位 if (P1_7=0) key=key+16; if (P1_6=0) key=key+32; if (P1_5=0) key=key+64; if (P1_4=0) key=key+128; 前面我們已經(jīng)討論過，只有四根I/O線，但是要處理八位數(shù)據(jù)，所以必然要實行分時處理。如果P3_7=1那么高四位屏蔽，低四位通，反之如果P3_7=0那么低四位屏蔽，高四位通。在這個程序中，我們選擇從低位讀到高位。 一般讀取八位二進制數(shù)有兩種辦法，一種便是讀一位，移一位。由于C語言中，在移一位的同時最高位或最低位將會被移出，所以可能要采取保