基于STC89C52單片機(jī)的蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)

湯健，趙鳴，徐振國，趙光晶，張友浩

摘? 要： 設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52單片機(jī)的蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠同時(shí)監(jiān)測多組蓄電池。使用DS2438智能監(jiān)測芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池工作狀態(tài)參數(shù)，如溫度、電壓、電流和容量等，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，通過JDY-40無線通訊傳輸數(shù)據(jù)到接收端，當(dāng)數(shù)值超出所設(shè)上下限時(shí)，系統(tǒng)就報(bào)警。通過對蓄電池工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對蓄電池的健康維護(hù)，延長蓄電池的使用壽命，確保用電設(shè)備能夠安全、連續(xù)地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī); 蓄電池; DS2438; JDY-40

中圖分類號：TP27? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）01-28-04

Battery wireless monitoring system using STC89C52 single-chip microcomputer

Tang Jian， Zhao Ming， Xu Zhenguo， Zhao Guangjing， Zhang Youhao

（School of Air Transport， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract： This paper designs a battery wireless monitoring system using STC89C52 MCU， which can monitor multiple groups of batteries at the same time. DS2438 intelligent monitoring chip is used to monitor the working state parameters of batteries in real time， such as temperature， voltage， current and capacity. The data is read by MCU and transmitted to the receiving end through JDY-40 wireless communication. When the value exceeds the set upper or lower limit， the system will alarm. Through the real-time monitoring of the working state of the battery， the healthy maintenance of the battery is realized， the service life of the battery is extended， and the safe and continuous operation of the electrical equipment is ensured.

Key words： single-chip microcomputer; battery; DS2438; JDY-40

0 引言

蓄電池組作為儲(chǔ)能元件，是電氣系統(tǒng)極其重要的組成部分，它的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，然而蓄電池卻是整個(gè)系統(tǒng)中平均無故障時(shí)間最短的器件之一。

目前，蓄電池使用過程中存在的主要問題是：蓄電池過熱得不到控制，虧損電池長期與較好的電池串聯(lián)使用，加劇了虧損蓄電池使用壽命的減少，同時(shí)也影響其他蓄電池的使用壽命[1]，導(dǎo)致電氣系統(tǒng)無法正常運(yùn)作。

為了及時(shí)準(zhǔn)確地反映蓄電池當(dāng)前電壓、電流、溫度和容量的變化，能利用有關(guān)參數(shù)對蓄電池實(shí)現(xiàn)全方面的性能監(jiān)控，使得電氣系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，防止蓄電池因工作故障而降低其使用壽命，本文設(shè)計(jì)了蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)，通過DS2438智能監(jiān)測芯片來實(shí)現(xiàn)對多組蓄電池的監(jiān)測，采用STC89C52為控制單元完成信號處理。

1 蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測端與接收端兩部分組成（圖1）[2]。系統(tǒng)包含了STC89C52單片機(jī)、蓄電池組、信號采集電路（DS2438），無線通訊發(fā)送端、無線通訊接收端、鍵盤電路、顯示電路以及報(bào)警電路。

在監(jiān)測端，由信號采集電路（DS2438）監(jiān)測蓄電池的電壓、電流、溫度和容量等[3]，同時(shí)監(jiān)測三組蓄電池，然后數(shù)據(jù)打包發(fā)送給STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)高速化處理后發(fā)送至無線通訊發(fā)送端，無線通訊由JDY-40實(shí)現(xiàn)。

在接收端，無線通訊接收端采集到發(fā)送端的數(shù)據(jù)后，發(fā)送給接收端單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路中LCD顯示屏顯示被測蓄電池的電壓、電流和溫度等，并通過四個(gè)LED燈顯示蓄電池的剩余容量。在鍵盤電路中，不僅可以設(shè)置上下限報(bào)警值和復(fù)位，還可以按鍵切換顯示不同組蓄電池的各項(xiàng)參數(shù)。在監(jiān)測參數(shù)值超出所設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)將由蜂鳴器提示報(bào)警。

2 主電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52單片機(jī)

本設(shè)計(jì)使用了兩塊STC89C52單片機(jī)，以監(jiān)測端上的STC89C52RC單片機(jī)與其他芯片等硬件的連接為例，其引腳具體連接如圖2所示。RST引腳接復(fù)位電路;第18、19引腳分別外接晶振電路，即時(shí)鐘電路;第20引腳直接接地;第31引腳EA端接電源高電平，單片機(jī)從片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器中讀指令[4]。第40引腳接電源高電平，再通過一個(gè)節(jié)點(diǎn)接一個(gè)小電容接地，起到了濾波、去耦、緩沖電壓、消除高頻噪聲的作用，從而得到更加完整的信號。

2.2 信號采集電路

本設(shè)計(jì)采用DS2438實(shí)現(xiàn)信號采集。DS2438是單總線器件，一個(gè)控制電路上可以接多個(gè)DS2438芯片，從而，可以對多個(gè)蓄電池進(jìn)行監(jiān)測[5]。以其中一路蓄電池監(jiān)測電路為例，信號采集電路（DS2438）如圖3所示，其余兩路相同。DS2438的電壓測量大小為0～10V，而蓄電池中的端電壓一般高于10V，充滿電后電壓更高，所以采用兩個(gè)電阻R9與R10對蓄電池電壓進(jìn)行分壓，而后連接到 DS2438的VAD端進(jìn)行測量。本設(shè)計(jì)中，取[R9=R10=10kΩ]。

DS2438內(nèi)部有電流A/D轉(zhuǎn)換器，采用電路電流負(fù)反饋來保證所測電流的準(zhǔn)確性，使用7個(gè)0.33Ω電阻并聯(lián)得到0.05Ω的電阻。電池電流監(jiān)視器輸入（+）接蓄電池負(fù)極，電池電流監(jiān)視器輸入（-）接一個(gè)電阻和一個(gè)電容，起到濾波，解決尖峰電流的作用，其中電阻[R8=100kΩ]（使用兩個(gè)50kΩ電阻串聯(lián)），貼片電容[C6=100nF]。DQ端接單片機(jī)的P2.0進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入/輸出，引出一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過電阻R11接+5V電源，[ R11=4.7kΩ]。

2.3 無線通訊電路

無線通訊電路如圖4所示。在通訊電路中，采用了三個(gè)1N4007二極管串聯(lián)，利用其正向壓降降壓后，再把電壓給予JDY-40無線通信的電源端。串聯(lián)一個(gè)10uF的電容C1，起到濾波作用。當(dāng)?shù)皖l時(shí)，有用信號可以順利發(fā)送給VCC。使用串口直通信即JDY-40的RXD端接單片機(jī)的TXD端P3.1，JDY-40的TXD端接單片機(jī)的RXD端P3.0[6]。SET端接單片機(jī)P3.2來實(shí)現(xiàn)高電平透傳，低電平AT指令的功能。

本設(shè)計(jì)中，利用無線傳感器JDY-40雙向透傳（只負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，不負(fù)責(zé)處理）收發(fā)一體的功能，采用串口半雙工方式，來實(shí)現(xiàn)串口連續(xù)寫入與接收數(shù)據(jù)。JDY-40默認(rèn)為串口透傳模式。

2.4 鍵盤電路

鍵盤電路如圖5所示，本設(shè)計(jì)設(shè)置了五個(gè)按鍵，分別是增加鍵、減小鍵、設(shè)置鍵、切換測量鍵、報(bào)警復(fù)位鍵[7]。增加鍵、減小鍵、設(shè)置鍵是用來設(shè)置報(bào)警限值，按下設(shè)置鍵即可修改限值。在監(jiān)測過程中，只監(jiān)測其中一路蓄電池的工作情況，通過切換測量鍵來監(jiān)測其余兩路蓄電池。當(dāng)蓄電池工作中有關(guān)參數(shù)超過限值報(bào)警時(shí)，按下報(bào)警復(fù)位鍵給予復(fù)位。

2.5 顯示電路

顯示電路有LCD1602顯示電路和LED顯示電路兩部分。

LCD1602顯示電路如圖6所示。引腳1 VSS端接地;引腳2 VCC端接+5V電源;引腳3 V0是對比度調(diào)整端，直接接地對比度最高，影響清晰度，需接一個(gè)500Ω的電阻調(diào)整清晰度;引腳4寄存器選擇端接單片機(jī)P3.5;引腳5讀寫端接單片機(jī)P3.6;引腳6使能端接單片機(jī)P3.7，讀取令液晶模塊工作的指令;引腳7～14接單片機(jī)P2.0～P2.7，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;引腳15 BLA背光正極;引腳16 BLK背光負(fù)極。

LED顯示電路如圖7所示。將四個(gè)LED發(fā)光二極管分別串聯(lián)一個(gè)1kΩ的電阻后并聯(lián)，滿足單向?qū)щ娦裕龢O一端共同接+5V電源高電平，另一端分別接向單片機(jī)P0.1～P0.4。

2.6 報(bào)警電路

報(bào)警電路如圖8所示。報(bào)警電路中使用了一個(gè)PNP型三極管S8550來放大電流，確保蜂鳴器正常工作。三極管發(fā)射極接電源，基極通過一個(gè)電阻接單片機(jī)P0.0以接收信號，該電阻起到了降低單片機(jī)輸出給三極管基極電流的作用，從而減少工作時(shí)的功耗。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件包括主程序、監(jiān)測子程序、無線通訊子程序、鍵盤子程序、顯示模塊子程序等。主程序流程如圖9所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，程序中的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行復(fù)位，在復(fù)位的過程中對標(biāo)志位和定時(shí)器進(jìn)行設(shè)定，并且需要設(shè)定一個(gè)限值，將串口通信協(xié)議恢復(fù)到初始狀態(tài)。在系統(tǒng)開始執(zhí)行程序后，開始掃描鍵盤，直到定時(shí)器停止工作。

本設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到對蓄電池的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為滿足這一要求就要讓單片機(jī)不斷地訪問監(jiān)測芯片 DS2438。監(jiān)測子程序流程如圖10所示。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先對定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)置，包括定時(shí)器的工作狀態(tài)，然后單片機(jī)執(zhí)行下一步程序，直到定時(shí)器的中斷，執(zhí)行中斷之后調(diào)用 DS2438 子程序，通過芯片 DS2438 來收集蓄電池的電流電壓和溫度等參數(shù)，然后由單片機(jī)通過無線通訊模塊傳輸?shù)浇邮斩耍山邮斩说娘@示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，最后重新初始化，定時(shí)中斷結(jié)束。

4 系統(tǒng)調(diào)試

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，監(jiān)測端由監(jiān)測芯片DS2438監(jiān)測蓄電池的電壓、電流和溫度等參數(shù)，然后數(shù)據(jù)打包發(fā)送給監(jiān)測端單片機(jī)，再由監(jiān)測端單片機(jī)通過無線傳輸模塊發(fā)送給接收端單片機(jī)，參數(shù)處理后由顯示屏顯示被測電池的溫度、電壓和電流，再通過一組LED燈直觀顯示電池電量。利用鍵盤來設(shè)置閾值，能切換顯示不同蓄電池的各項(xiàng)參數(shù)。在超過或低于限值時(shí)，系統(tǒng)蜂鳴器給出相應(yīng)的報(bào)警。

調(diào)試時(shí)，首先在通電前利用萬用表檢查硬件線路，特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯(cuò)誤;通電后，執(zhí)行讀寫指令，對存儲(chǔ)器、輸入/輸出端口進(jìn)行讀寫和邏輯檢查，對各模塊子程序分別調(diào)試。監(jiān)測第一組蓄電池時(shí)，LCD顯示出現(xiàn)混亂，此時(shí)先檢查硬件電路，排除硬件電路問題，后檢查軟件程序，發(fā)現(xiàn)引腳設(shè)定出現(xiàn)錯(cuò)誤，致使LCD顯示錯(cuò)誤;在監(jiān)測第二組蓄電池時(shí)，電壓值不穩(wěn)定，經(jīng)過檢查硬件電路，發(fā)現(xiàn)零件電路存在虛焊，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)了較大的差距;監(jiān)測第三組時(shí)，電流較大，硬件電路未發(fā)現(xiàn)問題，檢查軟件程序，發(fā)現(xiàn)顯示子程編寫錯(cuò)誤，致使在顯示電流時(shí)，只顯示小數(shù)部分。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)、DS2438監(jiān)測芯片和JDY-40模塊相結(jié)合，使得系統(tǒng)功耗低，延遲小，監(jiān)測精準(zhǔn)。在保證蓄電池工作完好性的前提下，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測出蓄電池的電壓、電流、溫度和容量等狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對蓄電池的維護(hù);能提前發(fā)現(xiàn)虧損電池，確保電池組供電系統(tǒng)安全運(yùn)行，延長蓄電池的使用壽命。通過軟硬件的實(shí)踐驗(yàn)證，本蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行安全、功能豐富、操作簡單，有著廣泛的應(yīng)用空間。

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