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1、目 录1 绪论 11.1 课题的研究背景和意义 11.2 国内外研究状况 21.3 课题的研究内容 32 铅酸蓄电池的特性分析及影响蓄电池剩余电量的因素 42.1 铅酸电池的基本工作原理 42.2 铅酸蓄电池的基本电特性 42.2.1 蓄电池的电动势和开路电压 52.2.2 工作电压 62.2.3 蓄电池的容量 72.2.4 蓄电池内阻 82.3 影响蓄电池剩余容量的因素 82.4 小结 93 蓄电池电量检测装置的总体设计 104 蓄电池电量检测装置的硬件设计 114.1 电压数据采集电路的设计 114.2 电流采集电路的设计 124.3 温度采集电路的设计 144.4 单片机的选择 144.
2、5 液晶显示器接口电路的设计 164.6 电源模块的设计 194.7 报警模块的设计 194.8 小结 205 单片机蓄电池电量检测装置的软件程序设计 215.1 系统软件的模块化分析 215.2 nSP IDE 软件介绍 215.3 主程序模块分析 245.4 数据采集模块分析 255.5 LCD显示模块分析 285.6 报警模块分析 305.7 看门狗的设计 316 结束语 31参考文献 31致 谢 33汽车蓄电池电量检测装置的设计张聪（交通学院 交通运输专业 2006级 交通学0601班 062925137）摘 要：本文以汽车铅酸蓄电池为研究对象，研究设计了一套以凌阳SPCE061A单片
3、机为微处理器的蓄电池电量检测装置。该系统硬件部分采用了模块化结构，使检测电路扩展更加灵活。软件部分采用安时法实现了剩余电量检测，并通过加设看门狗电路来避免系统中可能存在的干扰。由于该系统可以随时随地的对蓄电池电量进行监测，故而具有重要的理论意义和工程推广价值。关键词：电动汽车；铅酸蓄电池；电量检测；单片机Design of Automobile Battery Power Detection SystemZhang Cong(School of Transportation , Communications and Transportation, Jiaotongxue0601 Grade20
4、06, 0625137)Abstract: This paper takes automobile lead-acid battery as the research object to research and design a set of storage battery examination system with the Sunplus SPCE061A singlechip as microprocessor. In the aspect of hardware, the system adopts modular structure, which makes the circui
5、t expansion more flexible. In the aspect software, the system adopts theampere hour method to realize dump energy detection. In addition, watchdog circuit is utilized to avoid possible interference which may exist in the system. As the system can monitor the battery power anytime and anywhere ,it pl
6、ays an important role in theoretical significance and value of promoting projects.Key words: electric vehicle ;lead-acid battery; power test; SCM1 绪论1.1 课题的研究背景和意义随着生活水平的日益提高，道路交通事业得到了空前的发展。汽车作为日常生活最常用的交通工具，已经成为我国居民消费的主要商品之一。然而在环境日益恶化的今天，给环境带来严重污染的汽车工业已成为众矢之的。汽车工业对严峻的挑战，必须为之拓展出新的环保和节能的路径。电动汽车的出现恰好可以
7、解决这一困境。电动汽车，是全部或部分的以电力作为驱动系统动力源的汽车，相对以汽、柴油燃烧作为动力的传统汽车而言，电动汽车在环保、清洁、节能等方面占据着明显的优势1234。电动车能量管理系统是发展电动车的关键技术之一，是电动车商品化、实用化的关键。对电动车能量管理系统研究的重点是如何用可测得的电池参数对现存电池容量状态做出准确可靠的预测，目前国内外普遍采用电荷状态（SOC）来描述电池容量状态，并出现了多种SOC的估算方法。到目前为止，电池的可测参数如电流，电压，温度，内阻都被用来计算SOC。但由于这些电池参数与SOC之间的关系复杂而又非线性，用传统数学方法建立模型很困难且可靠性低，所以近几年出现
8、了模糊逻辑方法来估计SOC，在一定程度上解决了传统数学方法的困难，但要获得准确性和可靠性，并具有自适应能力的模糊逻辑SOC判断系统，需要做大量的实验来获得专家经验，这将是非常艰难的工作。故而，对蓄电池剩余电量检测装置的研究与设计有着特别重要的理论和实际意义45。1.2 国内外研究状况蓄电池剩余电量的精确判定是电动车电池能量管理系统的关键技术，由于蓄电池在不同工作状态下动态特性十分复杂，如何精确的判定电池的荷电状态成了重点中的难点，在这个问题上国外很早就开始了相关的研究，而国内则起步较晚，目前国内外常用的方法主要有如下几种。1.开路电压法:即通过检测开路电压来估算剩余电量的多少。因为铅酸电池的剩
9、余电量量与它的开路电压有一定的正比关系。故而，可通过检测开路电压估算剩余电量量的多少。然而电动车要求检测装置能在放电过程中准确的显示剩余电量，而放电进行的过程中开路电压是无法检测到的。另外，虽然这种方法能够比较准确的得到剩余电量的百分比数，但由于额定容量的绝对值是随着温度、电池退化等因素变化的，使得这方法只能用于UPS、储能电池，若适用于电动车，则误差较大。2.恒流电压法:即检测铅酸蓄电池在恒流放电时的端电压。这种方法比较准确，但电动车在行驶时负载是不断变化的，铅酸电池的放电电流不是恒定的。所以，这种方法不适合应用于电动车剩余电量检测装置。3.内阻法:即通过计算铅酸电池的内阻来推算剩余容量。这
10、种方法实现比较困难，因为电池的工作条件对电池的内阻影响很大，内阻的计算需要考虑电动势的大小、端电压、放电电流值。然而，在电动车的实际工况下，电流变化是非常快的，因此计算起来比较复杂。另外，在放电的初期，内阻随放电率的变化并不明显，所以在电池放电的前期，应用内阻法是不准确的，所以内阻法也不适合应用于剩余电量检测装置。4.检测溶液密度法：即通过检测铅酸蓄电池中济液的密度来估算剩余电量。因为铅酸蓄电池的剩余电量跟溶液密度有一定的关系，所以通过测量溶液密度可得到蓄电池剩余电量，这种方法理论上较为准确可靠。但是却不适合用于电动车上，一方面，现在电动车为了提高抗震性一般采用密封铅酸蓄电池，这种蓄电池检测溶
11、液密度十分困难；令一方面，由于充电时产生冒气现象，即水分解成氧气和氢气从正负极冒出，这样使得铅酸蓄电池溶液水分减少，密度增加。此时，这种方法就不再准确可靠了。5.恢复效应法:在电池电量监测的研究中，恢复效应始终被视为阻碍电量监测的不利因素。例如，在使用开路电压法时，因为电池有恢复效应，所以不能随时得到电池开路电压，当电池从负载状态过渡到无负载的开路状态时，随着时间的延长，其电压呈时间的指数关系上升，电压上升速度渐慢，需要较长的时间才能达到稳定。若能找到可以正确描述电压恢复与时间的关系的函数，便可以利用此函数推算电压在未来多长时间后可能恢复到的稳定值，从而得到电池此时对应的开路电压，进而利用开路
12、电压与剩余电量的线性关系得到电池此时的剩余电量。即计算铅酸蓄电池在放电过程中的放电电量，然后用额定电量减去放电电量得到剩余电量。但是由于铅酸电池的额定电量随着充放电的次数的增多会发生变化，另外，在不同的放电电流下、不同的环境温度下以及上次充电情况的不同额定电量都是不一样的，而这种方法没有考虑到这些因素。因此，这种方法也需要改进6。6. 建立蓄电池的数学模型：即利用通过实验获得的电池数据(整个电池组的电压和电流)，建立电池的多输入单输出的线性CAR模型，通过系统辨识的方法，得出蓄电池的动态模型参数，利用此试验建模的研究结果，探讨实现对蓄电池SOC估计的修正方法。然而，这种方法需要建立庞大的数据库
13、，而且对于不同类型的蓄电池，所对应的关系也不相同。所以，这种方法很难实现7。7. 安时法：这种方法基于的原理较为简单，它将电池视为一个密闭的系统，并不去研究复杂的电化学反应及电池内部各参数之间的关系，而是着眼于该系统的外部特征，在电量监测中着眼于进出电池这一密闭系统的电量。该方法采用积分实时测量充入电池和从电池放出的能量，对电池的电量进行长时间的记录和监测，从而能够给出电池任意时刻的剩余电量。该方法较前述的几种方法而言，实现起来较简单，受电池本身情况的限制小，宜于发挥微机监测的优点。这种方法较适合汽车蓄电池的电量检测装置。当前，在国内外电动车电池电量检测装置的研究采用的方案主要是安时法，并在考
14、虑电池温度、放电条件等因素后，进行补偿，来提高剩余电量的测量精度。以下简单介绍两个国内外关于此方面的研究：1.清华大学研制的电动自行车智能控制器。该系统采用PHILIPS的8XC752微处理器作主控单元，电池荷电状态的判断采用开路电压法、负载电压法、安时法三种方法相结合，在放电前用开路电压法判断剩余电量，在放电开始后的几分钟内用负载电压法校正结果，在电池放电后期用安时法来预测剩余容量。该系统可谓代表了我国目前蓄电池剩余电量检测的最先进技术。2.Morio Kayano等人在论文8中介绍的应用于本田公司开发的电动车EV Plus上的电池剩余点量显示仪，采用公式如下:蓄电池剩余电量(Ah)=额定电
15、量放电电量自放电电量温度补偿电量蓄电池荷电状态(%)=100剩余电量/额定电量退化率(%)该系统综合考虑了电池的自放电、温度、电池老化的因素影响，从理论上来说，这套系统还比较理想，但该系统具有致命的局限性，即只能用于实验所用型号电池，对于其他型号电池需建立新的数据库。1.3 课题的研究内容研究检测蓄电池剩余电量主要是研究如何利用可测得的电池参数来推断剩余电量。从目前的情况看，铅酸蓄电池作为电动车电源，虽尚有许多不足，但由于其价格低廉，工艺成熟，特别是近年来技术己日趋完善，所以铅酸蓄电池在当前仍然是电动车的主要动力电源910。因此本课题仍以铅酸电池为研究对象，课题的主要研究内容是蓄电池剩余容量的
16、监测。因为蓄电池剩余容量预测的主要难点也就在于电池的实际容量难以确定，因为蓄电池的实际容量受很多因素影响，如不同的放电电流、不同的工作温度及上次放电情况不同，都会影响蓄电池的实际容量。大量的试验表明，在给定的电池荷电状态下，蓄电池端电压随着放电倍率的不同而变化，即可以利用端电压和放电电流来估计蓄电池的荷电状态。因此本设计提出的蓄电池剩余容量检测装置是采用目前技术最成熟的安时法并以凌阳十六位单片机SPCE061A为微控制器的检测装置。实验拟采用的电池为镇江市通达电源有限责任公司的运力牌3-D-180型铅酸蓄电池。具体工作内容如下:1.分析铅酸电池的电化学特性，并通过不同条件下的放电试验分析与荷电
17、状态相关的各种因素。2.对当前常用的铅酸电池荷电状态估计的方法进行对比研究，并在此基础上设计了以凌阳十六位单片机SPCE061A为微处理器的蓄电池电量实时监测系统。2 铅酸蓄电池的特性分析及影响蓄电池剩余电量的因素2.1 铅酸电池的基本工作原理电化学电池是一种把化学反应所释放的能量直接变成低压直流电能的装置。蓄电池也称为二次电池，其活性物质消耗后利用充电的方式使活性物质恢复，电池得以再生。电池内部反应自发生并向电池外部用电设备输出电流的过程叫放电。对于铅酸电池的反应过程，由于铅酸电池是工作在电池的正、负极上反应形成电流，故称为成流反应。目前公认的成流反应为双硫酸理论，即正极进行的成流反应为:
18、（1）负极进行的成流反应为: （2）电池总反应为: （3）2.2 铅酸蓄电池的基本电特性理解和利用蓄电池的电特性，对设计研究剩余电量大有帮助。因此在设计分析前，了解其基本电特性是很有必要的。2.2.1 蓄电池的电动势和开路电压电动势是电池在理论上输出能量大小的度量之一。如果其他条件相同，那么电动势越高的电池，理论上能输出的能量就越大，使用价值就越高。开路电压是电池在开路状态下的端电压。它等于组成电池正极混合电势与负极混合电势之差。电池的电动势等于组成电池的两个电极的平衡电位之差。即 （4）式中:E电池电动势正极的平衡电位负极的平衡电位铅蓄电池的电动势与电池的形状、尺寸无关，只是随着放电电流、剩
19、余容量的变化而变化，这种变化对于不同的蓄电池是不同的，对于不同的放电电流是不同的。所以模拟计算电动势的变化十分困难，通过计算电动势来估计蓄电池的剩余容量也是非常困难。对于铅酸电池的电动势的计算在实际过程中存在很多问题，不同的厂家生产的铅酸蓄电池内部结构、参数是不尽相同的，这样电动势也有所差异。又因为电池在放电过程中产生的极化使得电池的电动势降低，在不同的放电电流下，电池的极化速度是不同的，大致放电电流大一些则极化速度快，反之则慢。即铅酸电池的电动势随着放电电流、剩余容量的变化而变化，这种变化对于不同的蓄电池是不同的，对于不同的放电电流也是不同的。所以，模拟计算电动势的变化十分困难，通过计算电动
20、势来估计蓄电池的剩余容量也是非常困难的。如图1所示，SOC在30%70%之间，SOC与蓄电池开路电压近似线性关系，因此，在SOC30%70%范围内，开路电压可以作为检测电池荷电状态的尺度。图1 理想条件下，SOC与蓄电池开路电压的对应图形2.2.2 工作电压又称为闭环电压或负荷电压、放电电压。指电池接通负荷时电池在放电过程中所显示的电压。电池的放电电压随放电时间的平稳性表示电压精度的高低。电池工作电压的数值及平稳程度依赖放电条件，当高倍率和低温条件下放电时，电池的工作电压将降低，平稳程度下降;同样放电电流大则工作电压上升快，平稳程度下降等。对于铅酸电池的放电电压，在恒流时的变化基本上说是有规律
21、可寻的。但在电动车的实际应用中则比较困难。因为，电动车在行驶过程中，负载不断变化，使得放电电流也不断变化，这时蓄电池的放电电压的变化也非常大。所以简单的用放电电压来预测剩余容量是非常困难的，误差较大。通常，铅酸电池在一定电流下进行放电时，都是用曲线来表示电池的端电压和温度随时间的变化。把这些曲线称为该电池的特性曲线，用来表示蓄电池的各种特性。 1.放电曲线电池的放电电压V1低于开路电压V2，这是由于两极极化和内阻的存在。V1=V2 （5） 式中为溶液稳态扩散浓度过电位。随着放电的进行，正负两极均产生导电不良的硫酸铅。典型放电曲线如图2所示。可以看出总的趋势是随着放电时间的延续电池的端电压不断下
22、降。图2 铅酸电池典型放电曲线 2.放电率对放电曲线的影响图3给出了铅酸电池在不同放电率的放电曲线，从图中可看出，一般在放电率比较高时工作电压和放电容量要高一些。图3 铅酸电池25C各种小时率放电曲线理论上铅蓄电池的放电特性，恒流时的变化是有规律可循的。但在电动车的实际应用中，恒流放电几乎是无法实现的。因为电动车在行驶过程中，负载不断变化，使得放电电流也不断变化，其特性就难以简单的描述，因此必须进行大量的试验数据分析。2.2.3 蓄电池的容量电池有理论容量、实际容量、额定或公称容量和额定储备容量之分。用或表示。理论容量是根据活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高的理论值。为了比较不同系列的
23、电池常用比能量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给的理论电量，常以Ah/kg或Ah/L表示。实际容量是指电池所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积，用Ah表示。其值小于理论容量。因为组成活性电池时，除活性物质外，还包括非反应成分，如外壳导电零件等，同时还与活性物质被有效利用的程度有关。额定容量也叫公称容量，是按国家或有关部门颁布标准保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的容量。额定储备容量:在国际电工委员会(IEC)标准中规定，汽车型蓄电池的容量用额定容量和储备容量表示均可。我国采用额定容量。额定储备容量不分蓄电池规格大小，一律以25A电流放电，到终止电压1.75V时的放电时间以分
24、钟（min）计。对规格不同的电池，规定不同的放电时间。额定储备容量的含义是指汽车中充电系统发生故障时，全部供电由蓄电池单独提供必需的最大负荷时，蓄电池放电后维持的时间。2.2.4 蓄电池内阻电池内阻包括欧姆内阻和极化电阻两部分，二者之和为电池的全内阻。欧姆内阻主要是由电极材料、电解液、隔膜的电阻以及各部分零件的接触电阻组成。它与电池的尺寸、结构、电极的成型方式、隔膜材质和装配的紧度有关。极化内阻指在正极和负极在进行电化学反应时，由于极化引起的电阻。极化电阻与电池的工作条件、活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺有关。蓄电池内阻与电动势、端电压、放电电流的关系如下: （6）其中:为蓄电池内阻
25、为蓄电池电动势为蓄电池端电压 为蓄电池放电电流蓄电池的内阻在放电过程中会增加，而在充电过程中会减少。如若通过上面的公式来计算内阻。则需要检测电动势和端电压。而在电动车行驶过程中，负载是不断变化的，因此放电电流也是不断变化的，这使得检测端电压需要非常高的检测频率，另外在放电过程中电动势值也难以确定，因此在实际中难以通过上面的公式来计算蓄电池的内阻。铅酸蓄电池内阻的计算涉及到蓄电池的内部模型问题，不同的内阻模型由不同的计算方法，而且，随着模型的复杂计算内阻也随之困难化。因此，通过计算内阻来估计剩余容量非常困难。2.3 影响蓄电池剩余容量的因素铅酸蓄电池的放电过程是一个复杂的电化学变化过程，蓄电池的
26、剩余容量受到温度、放电电流、充电、电池退化等多种因素的影响，使得对于剩余容量的估计十分困难。当电池放电时，以下的一些因素将会给电池的实际剩余容量带来主要影响。 1.放电电流放电电流是指蓄电池放电时的电流密度的大小。放电电流的大小直接影响蓄电池的各种性能指标，是影响蓄电池容量的主要因素之一。在不同的放电电流下，蓄电池的起始端电压和截止端电压都是不同的。其中放电电流越大，则起始端电压和截止端电压越小、放电容量也越小，反之则都变大。 2.放电终止电压电池放电时，蓄电池的端电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压。图4为铅酸电池典型恒流放电曲线，从图中可以看出，充满电的铅酸蓄电池，其端电压在
27、放电起始阶段下降缓慢，只是在蓄电池电量接近放尽时，蓄电池端电压才开始大幅度地下降，因而在同样的条件下，铅酸蓄电池就能放出更多能量。图4 铅酸电池典型恒流放电曲线图 3.温度温度对蓄电池的剩余容量的影响也比较突出，随着温度的升高，蓄电池的放电时间增加，即放电容量增加，反之则下降。通常，在20C40C可获得最好的电流放电特性，温度过高也不好。图5给出了启动型铅酸电池在不同温度下的典型放电曲线。图5 铅酸电池在各种温度下的放电曲线2.4 小结综合以上介绍的影响蓄电池容量的各种因素，本系统设计采用安时法对汽车蓄电池剩余电量进行检测。此法，将蓄电池看做一个整体，不去研究蓄电池内部的变化，而是从外部着手，
28、对蓄电池的工作电压和输出电流进行实时监测，通过单片机计算出工作消耗的电量，以电池工作前的总电量减去这部分消耗的电量，便可得到电池的剩余电量。3 蓄电池电量检测装置的总体设计该设计采用凌阳十六位单片机SPCE061A为微处理器利用安时法对汽车蓄电池进行实时电量检测。系统模块结构如图6。凌阳十六位SPEC061A单片机声音报警装置zazhizh液晶显示装置电压采集装置电流传感器温度传感器信号处理信号处理信号处理显示模块电源模块报警模块数据采集模块电源图6 系统总体框架图 传感器将电压，电流，温度数据采集后，经过处理运放，进入SPCE061A单片机进行运算，而后将计算所得的电池剩余电量显示在LCD液
29、晶显示屏上。该设计共实现两个功能：(1)对蓄电池的端电压、输出电流实时监测，并采用安时法计算剩余电量，由显示屏输出。(2)具有过流、过压、过热、电量过低报警。系统整体分为五个模块：(1)数据采集模块：由电压数据采集器，电流传感器，温度传感器及各种信号处理，运放组成。其中电压采集采用线性光耦HCNR201和运算放大器LM358P来实现，电流采集采用北京华智公司设计的HBA25-SP闭环霍尔效应传感器和运算放大器采用AD620，温度采集采用单总线数字传感器DS18B20。(2)数据处理模块：即对数据进行处理的凌阳十六位SPCE061A单片机。(3)显示模块：即凌阳SPLC501液晶显示模块组，用以
30、显示经SPCE061A计算的剩余电量及报警警示字符。(4)报警模块：采用SPCE061A自带的语音系统，后接LM386进行音频放大，从而达到语音报警的效果。(5)电源模块：用设计的电压转换电路利用蓄电池为单片机和传感器供电4 蓄电池电量检测装置的硬件设计本章详细介绍了系统各部分的硬件设计和选择。4.1 电压数据采集电路的设计几种常用的电压数据采集电路方案的比较如表1所示。由于电池经过逆变器或者斩波器为电机供电，电磁干扰比较严重，因此应采用抗干扰能力强的数据采集电路。表1 电压数据采集电路方案比较类别适用电压范围精度抗干扰能力适合高速检测体积温度影响价格继电器宽高强不适合大小较高电阻分压宽一般差
31、适合大大低光耦宽高强适合小小低隔离运放窄很高很强适合小很小很高 利用光电耦合器件组成的电压数据采集电路方案费用低、体积小、精度满足系统要求并具有很强的抗干扰能力，因此，本系统采用了这种电压数据采集电路方案11，原理框图如图7所示。SPCE061A单片机运放U（+）光耦U（-） 图7 电压信号采集原理图 具体电压信号采集可以由线性光耦HCNR201和运算放大器LM358P来实现，其具体的电压采集电路如图8所示。HCNR201是美国Ag-ilent公司生产的高精度模拟光耦，具有成本低、线性度高、稳定性高、设计灵活等特点，它由一个高性能的发光二极管(LED)和两个光敏二极管PDl、PD2组成。 图
32、8 电压信号采集电路图 由于这种电压采集模块的信号输入幅值范围为03 V，故需将蓄电池的端电压信号先经电阻R7分压处理，以保证光耦输出的信号电平符合SPCE061A输入端口的输入要求，在软件编程时，再乘以相应的倍数，即可恢复电压的原始值。若经过R7后的信号为Vin，光耦输出的信号为Vout，则有： （7）式中，K为传输增益，对于每一只HCNR201来说，K是恒定的，其值在1+005之间，典型值为1。可以看出，通过调节、的值可改变该隔离电路的增益。本例中，选择=，即仅实现电压信号的隔离而不放大。Cl、C2作为反馈电容，主要用于信号滤波。最后采集的信号电压连接到SPCE061A的IOA1引脚。4.
33、2 电流采集电路的设计常规测试电池电流的方法是分流器（标准电阻）和霍尔感应式技术12。霍尔技术的原理是霍尔元件感应在导流排或线束周围的磁场，从而标定电流强度。霍尔技术又可分为开环技术与闭环技术。一般而言，基于分流器技术的电流测试器的成本比霍尔式的低，但是其能耗较高，容易引起发热及静态放电现象，难以满足某些苛刻的节能使用条件。此外，分流器技术是把测试设备串连在电池电路中，可能会引起电路噪声和信息失真。闭环霍尔电流传感器的电流应用范围很宽，从几毫安到几千安培都可以测试。这种方法的优势是传感器与被测系统隔离，不会对被测系统产生噪声影响，而且不会在被测系统中引起能量损失。可以说，闭环霍尔电流测试法是上
34、述三种技术中性能最高的。开环霍尔电流传感器也具有这个特点，但是系统精度和反应速度不及闭环。故这里采用的是北京华智公司设计的DHA25-SP闭环霍尔效应电流传感器。闭环霍尔电流传感器的工作原理如图9所示，它的原边电流In所产生的磁场，可通过一个副边线圈的电流Im所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即有如下等式： （8）式中：In为原边电流；N为原边线圈的匝数；Im为副边补偿电流；M为副边线圈的匝数。由上式可以看出，在已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流Im的大小，即可推算出原边电流In的值，从而实现原边电
35、流的隔离测量。本设计中N：M=1:1250。图9 闭环霍尔效应工作原理图 本设计采用闭环霍尔电流传感器来采集蓄电池的电流信号，该霍尔电流传感器的输出信号Sensor_IN进入仪表放大器AD620调理后，即可进入SPCE061A的引脚IOA0，图10所示是其电流采集电路。图10 电流采集电路图 4.3 温度采集电路的设计温度传感器采用MAXIM生产单总线数字传感器DS18B2013。DS18B20采用独特的单总线接口，仅需一条总线即可测量多点的温度。同时由于其为全数字量输出，可以方便的与单片机进行接口，并具有较强的抗干扰的能力。芯片的特性如下：温度测量范围-55C125C；测量精度0.5C（当温
36、度在-10C85C之间时）；具有片内A/D转换；912位温度数字输出量；温度到数字量的转换时间为93.75ms（9bit输出量）750ms（12bit输出量）。传感器采集温度信号后输入到SPCE061A的IOA2引脚。如图11。 图11 温度采集电路 4.4 单片机的选择本系统采用凌阳科技公司生产的16位、nSP内核的SPCE061A单片机，并通过SPCE061A实现对其他各组成部分的编程控制，SPCE061A属于独具特色、带语音功能的通用单片机，适用于数字语音识别应用领域，并且该单片机性价比高。该款单片机在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内
37、嵌32K字的闪存（FLASH）14。SPCE061A单片机主要的技术指标如下：（1）在2.6V3.3V工作电压范围内，工作频率范围为0.32MHz49.152Mhz，较高的处理速度使其能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号。（2）中断系统支持10个中断向量以及14个可来自系统时钟、定时器/计数器、时间基准发生器、外部中断、键唤醒、通用异步串行通信及软件中断的中断源，非常适合实时应用领域。（3）具有32位可编程的多功能I/O端口。（4）内嵌2K字的SRAM和32K字的FLASH。（5）包含有7通道10位通用A/D转换器和内置麦克风放大器与自动增益控制AGC功能的单通道声音A/D转换器。（6）具有
38、音频输出功能的双通道10位D/A转换器。（7）SPCE061A采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2A3.6V，极大地降低了其功耗。（8）另外，nSPTM的指令系统还提供具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令,为其应用增添了DSP功能,在复杂的数字信号处理方面既非常便利,又比专用的DSP芯片便宜得多。（9）具有低电压复位和低电压检测功能。（10）32767Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号。（11）具有WatchDog功能。（12）外围模块和外部端口（I/O）VDDH可以为2.
39、45.5V。（13）片内配置了音频录制、播放、识别等处理功能所需的硬件电路，例如，电压放大器、AGC 、ADC、DAC等。（14）可支持多种时钟源方式，晶体振荡器强振和弱振，以及32768Hz实时时钟。（15）在线仿真功能单元ICE，从而极大的简化了片外仿真器的硬件逻辑，甚至免用外接那种传统的仿真器。（16）具备凌阳格式的同步串行接口。（17）具备节电模式，并且具有触键唤醒功能。（18）音频数/模转换器输入通道，内置了两级麦克风放大器（AMP）并且带有自动增益控制（AGC）功能，以便于支持音频输入功能。（19）具有不可破解的程序代码保护功能。SPCE061A单片机的结构原理如图12所示。其主要
40、特点如下：（1）体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展。（2）具有较强的中断处理能力。（3）功能强、效率高的指令系统。（4）低功耗、低电压。（5）内置在线仿真器，便于调试。（6）高性能价格比。图12 SPCE061A单片机的结构原理4.5 液晶显示器接口电路的设计由LCD控制器、ROM、RAM和LCD显示器用PCB连接在一起称为液晶显示模组。本系统采用凌阳SPLC501 液晶显示模组，显示电量检测的结果15。图13为液晶显示器系统框图。12864SPLC501C0332630127图13 液晶显示器系统框图表2 SPLC501 液晶显示模组的基本参数显示模式黄色模式STN液晶显示格式128X64
41、点阵地图形液晶显示输入数据兼容68/80系列MPU数据输入背光黄色LED模块尺寸72.8（长）73.6（宽）9.5（高）mm视屏尺寸58.84（宽）35.79（长）mm点大小0.42（宽）0.51（长）mm像素尺寸0.46（宽）0.56（长）模组上的液晶显示器采用凌阳科技的 SPLC501 芯片作为 LCD 驱动和控制器，为 12864 点阵图形液晶显示器。可进行字符显示、汉字显示以及图形显示可应用在需要图形、文本显示的系统中。SPLC501液晶显示模组采用的驱动控制芯片为凌阳科技的SPLC501A芯片，SPLC501A为液晶显示控制驱动器，集行、列驱动器和控制器于一体，广泛应用于小规模液晶显
42、示模块。SPLC501A单芯片液晶驱动，可以直接与其他微控制器接口总线相连。微控制器可以将显示数据通过 8位数据总线或者串行接口写到SPLC501A的显存中。SPLC501A的特点： （1）内置8580位显示 RAM。RAM 中的一位数据控制液晶屏上的一个象素点的亮、暗状态。“1”亮“0”暗。 （2）具有 65 行驱动输出和 132 列驱动输出（注：模组中的液晶显示面板仅为64行、128列）可以直接与80系列和68系列微处理器相连。 （3）内置晶振电路，也可以外接晶振，工作温度范围为40摄氏度85摄氏度。表3 SPLC501液晶显示器的引脚说明表接口引脚名功能CS1片选，低电位有效RES复位脚
43、A0数据命令选择脚R/W对于6800系列MPU的读/写信号（R/W）对于8080系列MPU的写信号（W/R）EP对于6800系列MPU的时钟信号使能脚（EP）对于8080系列MPU的读信号（RD）DB08位数据总线DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7VR端口输出电压C86C86=H 选择6800MPU系列C86=L 选择8080MPU系列PS串、并行时序选择SPLC501液晶显示器的引脚说明见表3。SPLC501液晶显示器与SPCE061A的具体连接方式如图14。 图14 SPLC501液晶显示器与SPCE061A的接口电路图4.6 电源模块的设计本设计要在汽车上使用，采用车载蓄电池供电
44、，蓄电池电压为12V16。但是系统正常运行需要5V和3V电源供电，所以电源模块的功能是把12V电压降压得到系统正常工作所需的电压。该电源模块采用MC7805三端稳压器将12V电压降到5V，再采用凌阳SPY0029A将5V电压降到3V作为单片机的电源17。图15为本设计的电源模块电路图。图15 电源模块电路图4.7 报警模块的设计当数据采集模块所采集到的数据信息超出预存在存储器中的警戒数值时，报警模块工作，发出报警提示音。SPCE061A 内置2 路10 位精度的DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。报警模块电路如图16所示。其中的SPY0030 是凌阳的一款音频放大芯片，可以工作在2.
45、46V 范围内，最大输出功率可达700mW。图16 报警模块电路4.8 小结本节主要研究了基于凌阳SPCE061A的汽车蓄电池电量检测装置的硬件设计，给出了系统的的总体构成框图及各个模块的电路的详细设计。本系统能够完善的进行电压、电流、温度的采集、输出显示及语音报警的播放。基于凌阳SPCE061A的汽车蓄电池电量检测装置的硬件设计的总体电路图如图17所示18。图17 系统硬件设计的总体电路5 单片机蓄电池电量检测装置的软件程序设计5.1 系统软件的模块化分析模块化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把软件系统划分成若干模块的过程。每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的功能19。模块程序的开发只需根据模块的输入及输出定义，按其所需的输入并检查其输出以校核模块的正确性。由于程序具有良好的模块接口，可以把问题限定在模块内，一旦
