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溫州大學甌江學院本科畢業(yè)設計 機械工程及自動化專業(yè)
溫州大學甌江學院
WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE
本科畢業(yè)設計（論文）
題 目
智能蓄電池傳感器的設計
?！I(yè)
機械工程及其自動化
班 級
08機械自動化本一
學生姓名
經緯
學 號
08207013121
指導教師
儲軍
職 稱
講師
摘 要
隨著我國通訊、電力、UPS等行業(yè)的迅猛發(fā)展，蓄電池的用量也在快速增加。就目前我們的蓄電池使用條件，經常會發(fā)生一些意想不到的狀況發(fā)生，比如看似正常的蓄電池放電時卻放不出電來。這種狀況的發(fā)生主要原因在于蓄電池的運行狀態(tài)沒有得到有效的監(jiān)測，從而導致蓄電池組中某一塊或多塊蓄電池發(fā)生故障而沒有及時的分揀出來，進而導致整個蓄電池組不能正常放電。
由于上述原因，LEM公司針對蓄電池的運行機理以及失效模式開發(fā)出了世界上體積最小同時各種功能高度集成的智能蓄電池傳感器Sentinel，能夠準確測量單體蓄電池的內阻、溫度以及電壓等參數。本文針對該款智能型傳感器，對其內部溫度檢測系統(tǒng)的內部組成及內部電路、電壓檢測系統(tǒng)的組成和電路和報警檢測系統(tǒng)的內部組成和電路進行設計，重點介紹內部溫度檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)構造和系統(tǒng)特點，溫度檢測系統(tǒng)采用89S51單片機為核心，配合其它輔助模塊完成溫度的檢測，最后利用PRO/E對該款智能型傳感器外部特性進行三維建模。
關鍵字：蓄電池傳感器，檢測系統(tǒng)，PRO/E，三維建模
ABSTRACT
Along with our country communications, electric power, UPS industry swift and violent development, quantity of accumulator is rapidly increasing. At present our battery condition, often occur in some beat all situations, such as seemingly normal battery discharge when they put out to. This state of affairs is the main reason for battery operation state did not get effective monitoring, thereby causing the battery in one or a plurality of battery failure occurs due to not timely sorting out, resulting in the battery can not be normal discharge.
Because of the above reasons, LEM company for battery operation mechanism and failure mode developed the world's smallest and various functions of highly integrated intelligent battery sensor Sentinel, capable of accurately measuring the monomer battery internal resistance, temperature, voltage and other parameters. In this paper the intelligent sensor, the internal temperature detecting system of internal composition and the internal circuit, voltage detection system and the circuit and the alarm detection system for the internal components and circuit design, focusing on the internal temperature detection system structure and system characteristic, temperature detection system using 89S51 single chip as the core, with the other auxiliary module completes the temperature detection, finally using PRO / E on the intelligent sensor external characteristics for three-dimensional modeling.
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Keywords: Battery sensor，Detection system，PRO/E, Three dimensional modeling
目 錄
第一章 緒論 - 1 -
1.1引言 - 1 -
1.2目前蓄電池傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 - 1 -
1.3課題研究內容及意義 - 2 -
第二章 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的模塊的設計 - 3 -
2.1溫度檢測系統(tǒng)的基本構成 - 3 -
2.2總體結構方案 - 3 -
2.3實現(xiàn)方式選擇 - 3 -
第三章 系統(tǒng)模塊電路設計 - 5 -
3.1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)模塊電路設計 - 5 -
3.1.1溫度采集模塊 - 5 -
3.1.2顯示功能模塊 - 10 -
3.1.3鍵盤輸入控制模塊 - 13 -
3.2 電壓測量模塊設計 - 14 -
3.2.1 ADC0809簡介 - 14 -
3.2.2電壓測量模塊的電路圖。 - 16 -
3.3 電流測量電路設計 - 16 -
3.4 報警電路設計 - 18 -
第四章 智能蓄電池傳感器外形PRO/E建模 - 20 -
4.1 PRO/E軟件簡介 - 20 -
4.2傳感器三維建模步驟 - 20 -
4.3 本章小結 - 22 -
結論 - 23 -
致謝 - 24 -
參考文獻 - 25 -
- 27 -
第一章 緒論
1.1引言
蓄電池是通信、信息、金融系統(tǒng)中最重要的后備電源保障。電源系統(tǒng)的好壞將直接影響通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。目前,幾乎所有的通信系統(tǒng)電源供電都是由不間斷的電池提供的,有的大型通信系統(tǒng)還建立專門的電池室,一般有一主一備兩套的電源系統(tǒng),通常由多個固體電池串并聯(lián)組成。當電池溫度過高時勢必影響到電池的工作效率和壽命,因此對電池的工作溫度進行實時的溫度監(jiān)控具有實際意義!但是，由于蓄電池的運行狀況或真實保障能力很難通過常規(guī)方法來掌握，致使作為最后一道保險繩的蓄電池在關鍵時刻出現(xiàn)問題，給一些重要系統(tǒng)造成巨大損失。
1.2目前蓄電池傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀
蓄電池作為安全不間斷供電的最后一道保障措施，同時也是不間斷供電系統(tǒng)里面最不安全的因素。從系統(tǒng)理論我們知道，系統(tǒng)的安全程度取決于系統(tǒng)中最不安全的因素，也就是我們經常引用的“木桶理論”。
針對蓄電池的運行機理和失效模式，國內已經有相關的標準出臺，在直流供電的場合安裝對蓄電池監(jiān)測的必要裝置，比如電壓巡檢儀等。但是根據后備蓄電池的工作條件，有可能長期不放電，在兩次定期核對性放電測試期間，同樣有可能失效，而電池的端電壓是完全正常的。
隨著科學的發(fā)展，集成電路的出現(xiàn)，對蓄電池的檢測不單單是對電壓的檢測，同時的蓄電池的溫度進行測量和報警，這樣能夠更加有效的對蓄電池的工作狀態(tài)進行檢測。
隨著集成電路的出現(xiàn)，數字技術在測量中獲得了成功的應用。20世紀60年代出現(xiàn)了以集成電路芯片為基礎的第二代儀器儀表——數字式儀器儀表，如數字電壓表、數字電流表、數字頻率計、記憶示波器等。這類儀器儀表的特點是將模擬信號的測量轉變?yōu)閿底中盘柕臏y量，并以數字方式顯示和輸出測量結果，適用于快速響應和高精度的要求，還可以將數據通過接口輸入計算機處理。
隨著單片機的問世，20世紀70年代出現(xiàn)了內含微處理器的第三代儀器儀表——數據采集。數據采集儀表不僅能完成某些測量任務，還能進行各種復雜的數據運算處理，且能適應被測參數的變化，進行自動補償，自動選擇量程、自動校準、自尋故障、自動進行指標判斷與分選以及進行邏輯操作、定量控制與程序控制等工作。隨著新型單片機和大規(guī)?？删幊碳善骷某霈F(xiàn)，新研制生產的數據采集系統(tǒng)不斷產生，并且正在逐漸取代傳統(tǒng)的儀器儀表。
1.3課題研究內容及意義
本課題研究一種智能蓄電池傳感器，設計考慮使用單片機作為主控核心。設計自動監(jiān)控系統(tǒng)對蓄電池進行安全監(jiān)測。單片機以其功能強、體積小、使用方便、性價比高等優(yōu)點，在實時控制、自動測試、智能儀表、計算機終端、遙測通訊、家用電器等許多方面得到了廣泛的應用。
本課題研究的內容包括
1、蓄電池的溫度測量模塊的設計。
2、電壓測量模塊的設計。
4、電流測量模塊的設計。
3、報警模塊的設計。
4、利用PRO/E對智能蓄電池傳感器外形進行三維造型
第二章 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的模塊的設計
2.1溫度檢測系統(tǒng)的基本構成
溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計包括以下幾個主要功能模塊
1、 溫度采集模塊：本系統(tǒng)采用AD7416數字溫度傳感器，完成溫度數據的采集和A/D轉換功能。
2、 數據處理模塊：該模塊采用微處理器來實現(xiàn)，微處理器模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，微處理器選用89S51系列單片機，該處理器具有運用靈活、高速、低功耗的優(yōu)點。
3、 顯示功能模塊：采用常用的LED顯示器。
4、 鍵盤輸入控制模塊：獨立式鍵盤輸入。
5、 溫度檢測系統(tǒng)報警模塊。采用揚聲器報警。
2.2總體結構方案
蓄電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計方案如圖2.1所示。
圖2.1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體方案框圖。
2.3實現(xiàn)方式選擇
實現(xiàn)以上功能的前提條件是建立一個基本的硬件平臺,而用于蓄電池溫度的傳感一般可采用兩種方式：采用傳統(tǒng)的溫度傳感器+放大+A/D轉換方式或者直接采用先進的具有和CPU接口的數字溫度傳感器,如DALLAS公司的DS18B20、ADI公司的AD7416以及NS公司的LM75。
第一種方式是經典的單片機系統(tǒng)前向通道的設計模式,溫度傳感器可根據精度要求和測量范圍(有時可達數千攝氏度)選擇熱電偶或鉑電阻。由于傳感器一般是微弱的模擬信號輸出并且容易受到現(xiàn)場環(huán)境的干擾。因此如何提高信號增益和抗干擾是前向通道設計的關鍵。其基本的通道結構如圖2.2所示。
圖2.2 前向通道結構
當然,當精度要求不高時,也可以采用熱敏電阻作為溫度傳感探頭。在室溫環(huán)境下,熱敏電阻的阻值與環(huán)境溫度基本成線性關系。這樣可以通過電阻分壓簡單地將溫度值轉化為電壓值,并直接送往A/D轉換器。
當測量精度大于0.5%,測量范圍在零下數十攝氏度至一百多攝氏度時,比較簡單的辦法是采用數字溫度傳感器。數字溫度傳感器與CPU接口方便。一般采用串行總線方式,如IC總線的AD7416、單總線的DS18B20等。采用數字溫度傳感器的好處是可不必過多考慮前向通道中諸如信號放大、零點漂移、傳感器供電和干擾等因素,可以在滿足系統(tǒng)要求的前提下最大限度地減少系統(tǒng)開發(fā)成本和技術難度。
本系統(tǒng)采用6片AD7416溫度傳感器。當整個系統(tǒng)確定了關鍵的溫度傳感器后,其他功能的實現(xiàn)可以根據實際情況靈活選擇。如溫度顯示可根據用戶要求和成本選擇LCD或LED數碼管方式。溫度門限值設定和保存可以選用EEPROM，如AT24C02。后向通道控制可根據負載功率大小選用繼電器或可控硅。
第三章 系統(tǒng)模塊電路設計
3.1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)模塊電路設計
3.1.1溫度采集模塊
溫度采集模塊采用AD7416數字溫度傳感器,AD7416數字式溫度傳感器是美國模擬器件公司（ADI）出品的單片溫度監(jiān)控系統(tǒng)集成電路，其內部包含有帶隙溫度傳感器和10位模數轉換器，可將感應溫度轉換為間隔為0。25℃量化間隔的數字信號，以便和用戶設置的溫度點進行比較。AD7416片內寄存器可以進行高低溫度門限的設置，當溫度超過設置門限時，過溫漏極開路指示器（OTI）將輸出有效信號。另外，可以AD7416內部寄存器可以進行讀寫操作，最多可允許8片AD7416掛接在同一總線上。該溫度傳感器可廣泛應用于數據采集系統(tǒng)中的環(huán)境溫度監(jiān)測，工業(yè)過程控制，電池充電以及個人計算機等系統(tǒng)。
1、基本特性與引腳功能
AD7416具有如下基本特性：
1. 工作電壓范圍為+2.7V～+5.5V；
2. 測溫范圍為-55℃～+125℃；
3. 具有10位數字輸出溫度值，分辨率為0.25℃；
4. 精度為±2℃(-25℃～+100℃)和±3℃（-55℃～+125℃）；
5. 轉換時間為15～30μs，更新速率為400μs；
6. 帶有過溫漏級開路指示器（OTI）；
7. 具有I2C兼容的串行接口和可選的串行總線地址；
8. 具有低功耗關閉模式（典型值為0.2μA）；
AD7416采用8腳表面貼SO和8腳小型SOIC封裝形式，圖3.1所示為AD7416的引腳排列圖，各引腳功能如表3.1所列。
圖3.1 AD7416管腳圖
表3.1 引腳功能
引腳
符號
功能描述
1
SDA
串行數據輸入、輸出端
2
SCL
時鐘信號輸入端
3
OTI
過溫漏級開路輸出端
4
GND
接地端
5
A2
串行總線地址輸入端
6
A1
串行總線地址輸入端
7
A0
串行總線地址輸入端
8
VDD
電源端
2、工作原理
AD7416的內部功能框圖如圖3.2所示。它的片內帶隙溫度傳感器可按預先設置的工作方式對環(huán)境溫度進行實時測量，并將結果轉化為數字量存入到溫度值寄存器中（地址00H），其環(huán)境溫度與輸出數據的關系如表3.2所列。
表3.2 環(huán)境溫度與輸出數據的關系
環(huán) 境 溫 度
二進制數字輸出
-50℃
11 0011 1000
-25℃
11 1001 1100
-0.25℃
11 1111 1111
0℃
00 0000 0000
+0.25℃
00 0000 0001
+10℃
00 0010 1000
+25℃
00 0110 0100
+50℃
00 1100 1000
+75℃
01 0010 1100
+100℃
01 1001 0000
+125℃
01 1111 0100
AD7416預先設置的工作方式分兩種：
1. 自動測溫方式。在這種方式下，AD7416每隔400μs對環(huán)境溫度測量一次，每次的量化轉換時間為15～30μs，其余時間芯片則自動轉入休眠狀態(tài)；
2. 低功耗方式。這種方式通常應用在測溫頻率較低的場合。當用戶需要對環(huán)境溫度進行測量時，可通過I2C串行接口總線來寫入操作命令，此時，芯片將由休眠狀態(tài)轉入測溫狀態(tài)。當溫度量化轉換結束后，芯片將重新轉入休眠狀態(tài)。
3、 AD7416內部寄存器
AD7416內部的配置寄存器（地址01H）為8位讀/寫寄存器，如表3.3所示，可用于設置操作方式，其格式為：
配置寄存器各部分的功能如下：
1. D7～D5始終設置為000；
2. D4和 D3用于設置故障排隊長度，以防止測溫系統(tǒng)在受到干擾時錯誤地觸發(fā)過溫指示器（OTI），故障排隊長度可分別設置為1、2、4和6次；
3. D2用于設置OTI的輸出極性。0表示低電平輸出，1表示高電平輸出；
4. D1 用于設置OTI的工作方式。0表示采用比較方式工作，即當環(huán)境溫度超過TOTI時觸發(fā)OUT輸出，其輸出電平一直保持到環(huán)境溫度降至THYST；1表示采用中斷方式工作，即當環(huán)境溫度超過TOTI的觸發(fā)OTI輸出，其輸出電平將一直保持到下一次讀操作，而在這期間，即使環(huán)境溫度降到THYST，輸出電平也不翻轉；
5. D0用于設置工作方式。0表示采用自動測溫方式，1表示采用低功耗方式。
6. THYST溫度點寄存器（地址02H）和TOTI溫度點寄存器（地址03H）均是16位讀/寫寄存器，分別用于設置低端和高端溫度點的門限值，所設數值以二進制補碼的形式存入高9位，其余位置0。
7. HYST溫度點寄存器（地址02H）和TOTI溫度點寄存器（地址03H）均是16位讀/寫寄存器，分別用于設置低端和高端溫度點的門限值，所設數值以二進制補碼的形式存入高9位，其余位置0。
表3.3 AD7416內部配置寄存器格式
D7 D6 D5
D4 D3
D2
D1
D0
通道選擇
故障排隊
OTI輸出極性
比較/中斷
工作方式
圖3.2 AD7416 內部功能結構
4、 AD7416工作時序
AD7416采用I2C串行總線和數據傳輸協(xié)議來實現(xiàn)同外設的數據傳輸。在數據傳輸過程中AD7416作為從器件通過數據輸入/輸出線SDA以及時鐘信號線SCL與總線相連。其傳輸時序如圖3。3所示。當SCL保持高電平時，SDA從高電平到低電平的跳變?yōu)閿祿鬏數拈_始信號，隨后傳送AD7416的地址信息的讀/寫控制位。其地址信息的格式為：100A2A1A0R/W。
根據A2A1A0的不同編碼，最多可允許8片AD7416掛接同一個串行總線上。讀/寫控制位為1時，表示對AD7416進行讀操作，為0時，則表示進行寫操作。當每個字節(jié)傳送結束時，必須在收到接收數據一方的確認信號（ACK）后方可開始下一步的操作。然后在地址信息和讀/寫控制位之后傳送片內寄存器地址和數據。最后，在SCL保持高電平的情況下，當SDA從低電平跳變到高電平時將終止數據的傳輸操作。
圖3. 3 AD7416工作時序圖
5、溫度采集模塊與51單片機的連接
圖3.4 AD7416與89S51的引腳連接
如圖3.4所示,為AD7416數字溫度傳感器外圍電路的連接圖,AT24C01用來存儲溫度門限設定值以保證掉電數據不丟失。這是溫度采集模塊的完整電路。51單片機的管腳如圖3.5所示。
在實際電路中，為防止環(huán)境干擾，AD7416的電源同地線之間要并接容值大于0.1μF的鉭電容；AD7416的感溫器件在芯片內部，因此芯片表面要被測物體緊密接觸；由于芯片自耗電的存在，AD7416工作時的自身溫升約為0.2，所以在精確測溫時應采取低功耗的工作方式；OTI輸出端的上拉電阻的阻值越大，流入AD7416的電流越小，其溫升也越小，但上拉電阻最大不超過30kΩ，通常選10kΩ；與I2C兼容的接口總線在AD7416上電后就一直有效，因此在芯片處于休眠狀態(tài)下仍可進行片內數據的讀出和寫入。
在實際電路系統(tǒng)運行中，由于AT24C01采用是I2C總線結構，而89S51芯片不具備I2C總線接口。這時可以采用普通I/O口模擬I2C總線的工作方式來實現(xiàn)I2C總線上主控制器對從器件的讀寫操作。軟件編寫只要符合I2C總線數據傳輸的時序要求即可。對于I2C總線器件而言都可以采用通用軟件包的形式來實現(xiàn)，只要在應用中注意芯片的器件地址和引腳地址。
3.1.2顯示功能模塊
1、基本結構
發(fā)光二極管LED顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常用的廉價輸出設備，它由若干個發(fā)光二極管組成。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光?？刂葡鄳亩O管導通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，能顯示的字符數量也有限，但控制簡單，使用方便。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。
單片機中經常使用7 段LED 來顯示數字，也就是用7 個LED 構成字型“8”，并另外用一個圓點LED 來顯示小數點，也就是說一共有8 個LED，構成了“8。”的字型。如圖3.2.1所示。7 段LED 分共陰級和共陽極兩種。實際中，各個型號的7 段LED 的管腳配置可能不會是一樣的，在實際應用中要先測試一下各個管腳的配置，再進行電路原理圖的設計。
圖3.5 7段LED發(fā)光二極管
共陽極7 段LED 是指發(fā)光二極管的陽極連接在一起為公共端的7 段LED，而共陰極7 段LED 是指發(fā)光二極管的陰極連接在一起為公共端的7 段LED。一個7段LED 由8 個發(fā)光二極管組成，其中7 個發(fā)光二極管構成字型“8”的各個筆劃（a～g），另一個發(fā)光二極管為小數點（dp）。當在某一段發(fā)光二極管上施加一定的正向電壓時，該段LED 即被點亮；不加電壓則為暗。以共陽極7 段LED 為例，若是要顯示“5.”，則需要在VCC 上加上電壓，向dp、g、f、e…、a 送出00010010 的信號，就能顯示出來。為了保護各段LED 不因電流過大而損壞，需在各個段上外加限流電阻保護。共陽極7 段LED 顯示0～F 的編碼表如表3.4 所示（以dp 為最高位，a 為最低位）。
2、顯示器工作原理
顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。
1、靜態(tài)顯示器
所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一字符時，相應段的發(fā)光二極管恒定地導通或截止。例如，七段顯示器的a、b、c、d、e、f段導通，g、dp段截止，則顯示0。這種顯示方法的每一位都需要有一個8位輸出口控制。作為MCS—51串行口方式0輸出的應用，我們可以在串行口上擴展多片串行輸入并行輸出的移位寄存器74LS164作為靜態(tài)顯示器接口。
靜態(tài)顯示器的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導通電流一定的情況下顯示器的亮度高，控制系統(tǒng)在運行過程中，僅僅在需要更新顯示內容時，CPU才執(zhí)行一次顯示更新子程序，這樣大大節(jié)省了CPU的時間，提高了CPU的工作效率；缺點是位數較多時，所需的I/O口太多，硬件開銷太大，因此常采用另外一種顯示方式——動態(tài)顯示方式。
2、動態(tài)顯示器
所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于顯示器的每一位而言，每隔一段時間點亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器在工作（點亮），但利用人眼的視覺暫留效應和發(fā)光二極管熄滅時的余輝效應，看到的卻是多個字符“同時”顯示。顯示器亮度既與點亮時的導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。調整電流和時間參數，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個8位I/O口（稱為掃描口或字位口），控制各位LED顯示器所顯示的字形也需要一個8位口（稱為數據口或字形口）。
動態(tài)顯示器的優(yōu)點是節(jié)省硬件資源，成本較低。但在控制系統(tǒng)運行過程中，要保證顯示器正常顯示，CPU必需每隔一段時間執(zhí)行一次顯示子程序，占用CPU大量時間，降低了CPU的工作效率，同時顯示亮度較靜態(tài)顯示器低。
LED數碼管的g~a七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不以發(fā)亮，不同亮暗的組合就能形成不同的字形，這種組合稱之為字形碼，下面給出共陰極的字形碼見表3.4。
表3.4 共陰極LED數碼管字形碼
“0”
3FH
“8”
7FH
“1”
06H
“9”
6FH
“2”
5BH
“A”
77H
“3”
4FH
“b”
7CH
“4”
66H
“C”
39H
“5”
6DH
“d”
5EH
“6”
7DH
“E”
79H
“7”
07H
“F”
71H
3 、LED數碼管顯示電路
溫度值顯示電路如圖3.7所示，具體連接方式如下:把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0/AD0－P0.7/AD7用8芯排線連接到“動態(tài)數碼顯示”區(qū)域中的a－h(huán)端口上； 把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P2.0/A8－P2.7/A15用8芯排線連接到“動態(tài)數碼顯示”區(qū)域中的S1－S8端口上； 把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.7端口用導線連接到“獨立式鍵盤”區(qū)域中的SP1端口上。
圖3.6 LED數碼管電路圖
3.1.3鍵盤輸入控制模塊
鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片機輸入設備，操作員可以通過鍵盤輸入數據或命令，實現(xiàn)簡單的人機通信。若鍵盤閉合鍵的識別是由專用硬件實現(xiàn)的，則稱為編碼鍵盤；若用軟件實現(xiàn)閉合鍵識別的，則稱為非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為行列式和獨立式兩種。本系統(tǒng)由于對輸入數據要求單一，所以采用獨立式鍵盤。
一個具有4個按鍵的獨立式鍵盤，每一個按鍵的一端都接地，另一端接單片機的I/O口。獨立式鍵盤每一按鍵都需要一根I/O線，占用單片機的硬件資源較多。因此獨立式鍵盤只適合按鍵較少的場合。
一般情況下，鍵盤采用機械彈性開關來反映一個電壓信號的開斷。由于機械觸點的彈性作用，在閉合和斷開的瞬間會有抖動產生。抖動時間扥長短由按鍵的機械特性決定，一般在5~10ms之間。為確保按鍵不產生誤動作，在編寫按鍵處理程序中必須有防抖動措施。防抖動措施有硬件和軟件兩種方法。硬件防抖動措施的典型做法是采用RS觸發(fā)器，構成雙穩(wěn)態(tài)消抖電路，一般用在對按鍵操作過程比較嚴格的場合。采用硬件防抖將導致系統(tǒng)硬件電路設計進一步復雜化，故本系統(tǒng)采用軟件防抖，它的工作原理是：當軟件檢測到第一次按鍵按下時，執(zhí)行一個10～20ms的軟件延時程序，之后再檢測該鍵電平是否仍維持在閉合狀態(tài)，若仍然保持，則確認此鍵是真正按下，從而消除了抖動的影響。
圖3.7 獨立式鍵盤接口電路
如圖3.8所示，有四個按鍵與單片機相連, 按鍵的一邊接地, 另外一邊分別與單片機的P1.6、P1.7、P3.2、P3.5 口相連。
3.2 電壓測量模塊設計
本系統(tǒng)同時還要求完成直流、交流電壓的測量任務，本系統(tǒng)計劃采用模數轉換器ADC0809
3.2.1 ADC0809簡介
圖3.8 ADC0809的內部邏輯結構
ADC0809內部邏輯結構如圖4.1所示。由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。IN0－IN7：8條模擬量輸入通道。 ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大。輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表4.1所示。
表3.5 ADC0809通道選擇表
C
B
A
選擇的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
ST為轉換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE＝1，輸出轉換得到的數據；OE＝0，輸出數據線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數字量輸出線。 CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ， VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。
3.2.2電壓測量模塊的電路圖。
圖3.9 電壓測量模塊電路圖
電路連接方法具體如下：把“模數轉換模塊”區(qū)域中的VREF端子用導線連接到“電源模塊”區(qū)域中的VCC端子上;把“模數轉換模塊”區(qū)域中的A2A1A0端子用導線連接到“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.4 P3.5 P3.6端子上；把“模數轉換模塊”區(qū)域中的ST端子用導線連接到“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.0端子上;把“模數轉換模塊”區(qū)域中的OE端子用導線連接到“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.1端子上；把“模數轉換模塊”區(qū)域中的EOC端子用導線連接到“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.2端子上。
3.3 電流測量電路設計
系統(tǒng)充放電電流的實時檢測選用瑞士LEM公司LA28-NP電流傳感器，該傳感器是利用霍爾原理的閉環(huán)（補償）電流傳感器，原邊回路和副邊回路之間絕緣，可用于測量直交流脈沖和混合型電流，供電電壓±15V。系統(tǒng)中采用1000：5的匝比，原邊充放電±5A電流對應副邊額定電流Is有效值為±25mA。在應用中，感應電流Is串聯(lián)精密電阻Rm，取得電壓量V1，電阻Rm的取值取決于AD轉換器對于V2的要求。
電流傳感器輸出電流為雙向，即±25mA的電流信號,在實際工況中，放電時輸出最大+25mA電流，而充電時，輸出為-25mA電流，由此而取得的電壓信號V1相對于地電平也為相應的正負電壓。STM32F103控制器ADC輸入范圍為：Vref-≤Vin≤Vref+，應用中Vref-接模擬地，Vref+接2.5V電壓基準，故ADC輸入范圍：0～2.5V。目前存在的問題是：STM32F103控制器采用單3.3V工作，模擬量輸入無法處理方向電壓。在傳統(tǒng)的方式下，如果電阻Rm基準電平端接入地，當充電工況下，感應電流V1為負電壓，控制器無能為力。針對這個問題，本文設計了如圖3-10所示的累加升壓、跟隨方向信號預處理電路，解決了雙向電流的AD采樣問題。
圖3.10 電流測量模塊電路圖
3.4 報警電路設計
當檢測溫度超出預先設定的溫度限值時，本系統(tǒng)采用揚聲器報警。
生活中我們常常到各種各樣的報警聲，例如“嘀、嘀、…”就是常見的一種聲音報警聲，但對于這種報警聲，嘀0.2秒鐘，然后斷0.2秒鐘，如此循環(huán)下去，假設嘀聲的頻率為1KHz，則報警聲時序圖如圖5.1所示。
圖5.1 報警聲時序圖
上述波形信號如何用單片機來產生呢？
由于要產生上面的信號，我們把上面的信號分成兩部分，一部分為1KHZ方波，占用時間為0.2秒；另一部分為電平，也是占用0.2秒；因此，我們利用單片機的定時/計數器T0作為定時，可以定時0.2秒；同時，也要用單片機產生1KHZ的方波，對于1KHZ的方波信號周期為1ms，高電平占用0.5ms，低電平占用0.5ms，因此也采用定時器T0來完成0.5ms的定時；最后，可以選定定時/計數器T0的定時時間為0.5ms，而要定時0.2秒則是0.5ms的400倍，也就是說以0.5ms定時400次就達到0.2秒的定時時間了。
如圖3.11把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0端口用導線連接到“音頻放大模塊”區(qū)域中的SPK IN端口上， 在“音頻放大模塊”區(qū)域中的SPK OUT端口上接上一個8歐或者是16歐的喇叭。
3.11 報警電路硬件電路圖
第四章 智能蓄電池傳感器外形PRO/E建模
4.1 PRO/E軟件簡介
Pro/ENGINEER是由美國PTC公司推出的一套三維CAD/CAM參數化軟件系統(tǒng)，它涵蓋了產品從概念設計、工藝造型設計、三維模型設計、分析計算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖紙的輸出、生產加工產品的全過程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、模具設計和分析等實用模塊。廣泛應用于航空航天、汽車、機械、數控加工、電子等諸多行業(yè)。
Pro/E是當前三維設計軟件中應用比較廣泛的軟件之一，也是參數化設計的首選。Pro/E第一個提出參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊，一般可有草圖繪制、零件制作、裝配設計、加工處理、結構分析與運動仿真等。
在CAE模塊中可以對零部件進行有限元分析和優(yōu)化，在機構運動模塊中，可以對零部件模型進行機構運動仿真，并獲得距離、速度等輸出曲線。為機構的最優(yōu)化設計與零件的失效分析提供更簡便的操作。
我們這次使用Pro/E Wildfire軟件來創(chuàng)建三維實體模型，在軟件的使用過程中需要注意的有：
（1）每次打開Pro/E軟件后，首先要在“文件”中進行工作目錄的修改，設置零件的保存路徑；
（2）在創(chuàng)建零件時，模板選用mmns_part_solid；
（3）在創(chuàng)建組件時，模板選用mmns_asm_design。
4.2傳感器三維建模步驟
1、打開PRO/E軟件，選擇新建一個文件的類型。選擇{文件}/{新建}命令 或單擊工具欄上的新建按鈕即可新建一個文件。
2、選擇視圖基準面{前視}/{上視}/{右視}/，要想建立一個草圖必須選擇一個基準面。此時我們選擇上視圖來為第一個基準面來建模。
3、在此基準面上畫出草圖。
4、建好草圖后，要完全定義草圖，要有基準，否則草圖不完全定義，尺寸會隨時變化。
5、然后我們選取特征，拉伸，旋轉等特征，在此我們選擇拉伸特征
6、進一步完善特征，例如：倒圓角，倒角，螺紋孔，加強筋等特征。
7、看看文件中的草圖是否有不完全定義或過定義等不符合要求的問題，然后進行更新保存文件即可。
8、按照以上步驟完成所有的零件圖，最后裝配，得到如圖4-1所示
4-1 傳感器裝配圖
4.3 本章小結
本章主要介紹了一下，用Pro/E軟件來創(chuàng)建智能蓄電池的三維實體建模過程
運用Pro/E軟件來創(chuàng)建三維實體模型，非常方便，模塊化的運用使工作變得更加方便，在單個的小零件的建模過程中通過拉伸與旋轉可以快速準確的創(chuàng)建出三維實體模型。
結論
一、系統(tǒng)設計中應該注意的幾個問題
1. 當AD7416直接焊在電路板時，測量的溫度值為室溫；在測量電池表面的溫度時，應將AD7416緊貼電池表面。
2. 對于零攝氏度以下的溫度值，程序中沒有對BCD碼符號位進行處理，實際應用中若要對負溫度值進行測量，還需進行數值轉換。（可將從AD7416中讀出的BCD碼按取反加1的格式進行轉換）
3. 電路后向通道才采用12V電磁繼電器，所帶負載功率有限，如果要驅動大功率的負載，最好選用固態(tài)繼電器。
4. 由于總線驅動能力限制，AD7416與控制板的引線不可過長，當需要測量數百米距離以外的物體人溫度時，可采用DS18B20單總線芯片。
5. PRO/E三維軟件的運用，在進行三維建模的過程中花費了大量的時間和精力。
二、通過這一階段的研究，在老師的指導下，本人對模擬、數字電路以及單片機知識有了更一步的了解，也提高了動手能力，開拓了設計思路。
在設計過程中，遇到很多困難，暴露了學習中的不足！任何一項研究都需要豐富，及時的第一手材料準備！需要深厚的理論積淀，同時需要團結合作，從別人那里汲取先進的研究方法和寶貴的項目經驗。此次設計得出的心得體會將會繼續(xù)指導我的學習！
致謝
本次我們設計的課題是磨削機，這整個設計期間得到XXX老師的指導，在設計過程中老師不厭其煩的給我們講解，使我們對課題有更好的認識，使很多困繞我們的問題得到解決。
本次設計的課題是智能蓄電池傳感器的設計，在平時的學習中沒有見過傳感器的具體外形，這對開始的設計有很大的阻礙，這時老師的指導起了很大的作用。老師的時間很緊，他們有太多的事情要做，但是老師還是抽出時間來給輔導，一步步指導并將畢業(yè)設計進行下去。畢業(yè)設計的階段和過程老師都給作了明確的計劃，這就有計劃，有安排的去完成，而不至于在整個設計過程中沒有任何的目標，可能使設計過程會很盲目。設計每進行一步老師都要認真的檢查，耐心細致的指出設計中出現(xiàn)的錯誤和不當的地方，并指導修改和完善。每一次輔導對學生提出的問題都認真的解答。X老師淵博的專業(yè)技術知識和豐富的生產實踐經驗，嚴謹務實的學術精神也在深深感染著我們，為我們今后的生活和工作提供了很好的楷模，在此，向老師表示由衷的感謝！
另外，在設計的過程中得到了其他老師的指導，在此也向這些老師表示由衷的謝意！
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