智能蓄電池傳感器的設(shè)計【三維Creo】【4張CAD圖紙】

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溫州大學(xué)甌江學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 機(jī)械工程及自動化專業(yè) 溫州大學(xué)甌江學(xué)院 WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 智能蓄電池傳感器的設(shè)計 ?！I(yè) 機(jī)械工程及其自動化 班　級 08機(jī)械自動化本一 學(xué)生姓名 經(jīng)緯 學(xué)　號 08207013121 指導(dǎo)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(jīng)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(yùn)行狀態(tài)沒有得到有效的監(jiān)測，從而導(dǎo)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(jìn)而導(dǎo)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(yùn)行機(jī)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(zhǔn)確測量單體蓄電池的內(nèi)阻、溫度以及電壓等參數(shù)。本文針對該款智能型傳感器，對其內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)的內(nèi)部組成及內(nèi)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(nèi)部組成和電路進(jìn)行設(shè)計，重點(diǎn)介紹內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)造和系統(tǒng)特點(diǎn)，溫度檢測系統(tǒng)采用89S51單片機(jī)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(jìn)行三維建模。 關(guān)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. 分享到 翻譯結(jié)果重試 抱歉，系統(tǒng)響應(yīng)超時，請稍后再試 · 支持中英、中日在線互譯 · 支持網(wǎng)頁翻譯，在輸入框輸入網(wǎng)頁地址即可 · 提供一鍵清空、復(fù)制功能、支持雙語對照查看，使您體驗(yàn)更加流暢 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(nèi)容及意義 - 2 - 第二章 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的模塊的設(shè)計 - 3 - 2.1溫度檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成 - 3 - 2.2總體結(jié)構(gòu)方案 - 3 - 2.3實(shí)現(xiàn)方式選擇 - 3 - 第三章 系統(tǒng)模塊電路設(shè)計 - 5 - 3.1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)模塊電路設(shè)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(shè)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(shè)計 - 16 - 3.4 報警電路設(shè)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(jié) - 22 - 結(jié)論 - 23 - 致謝 - 24 - 參考文獻(xiàn) - 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(dāng)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(jìn)行實(shí)時的溫度監(jiān)控具有實(shí)際意義!但是，由于蓄電池的運(yùn)行狀況或真實(shí)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(guān)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(jīng)常引用的“木桶理論”。 針對蓄電池的運(yùn)行機(jī)理和失效模式，國內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(xué)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(jìn)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(jìn)行檢測。 隨著集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字技術(shù)在測量中獲得了成功的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了以集成電路芯片為基礎(chǔ)的第二代儀器儀表——數(shù)字式儀器儀表，如數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表、數(shù)字頻率計、記憶示波器等。這類儀器儀表的特點(diǎn)是將模擬信號的測量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的測量，并以數(shù)字方式顯示和輸出測量結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和高精度的要求，還可以將數(shù)據(jù)通過接口輸入計算機(jī)處理。 隨著單片機(jī)的問世，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了內(nèi)含微處理器的第三代儀器儀表——數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集儀表不僅能完成某些測量任務(wù)，還能進(jìn)行各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，且能適應(yīng)被測參數(shù)的變化，進(jìn)行自動補(bǔ)償，自動選擇量程、自動校準(zhǔn)、自尋故障、自動進(jìn)行指標(biāo)判斷與分選以及進(jìn)行邏輯操作、定量控制與程序控制等工作。隨著新型單片機(jī)和大規(guī)模可編程集成器件的出現(xiàn)，新研制生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不斷產(chǎn)生，并且正在逐漸取代傳統(tǒng)的儀器儀表。 1.3課題研究內(nèi)容及意義 本課題研究一種智能蓄電池傳感器，設(shè)計考慮使用單片機(jī)作為主控核心。設(shè)計自動監(jiān)控系統(tǒng)對蓄電池進(jìn)行安全監(jiān)測。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、使用方便、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)時控制、自動測試、智能儀表、計算機(jī)終端、遙測通訊、家用電器等許多方面得到了廣泛的應(yīng)用。 本課題研究的內(nèi)容包括 1、蓄電池的溫度測量模塊的設(shè)計。 2、電壓測量模塊的設(shè)計。 4、電流測量模塊的設(shè)計。 3、報警模塊的設(shè)計。 4、利用PRO/E對智能蓄電池傳感器外形進(jìn)行三維造型 第二章 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的模塊的設(shè)計 2.1溫度檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)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(shù)字溫度傳感器，完成溫度數(shù)據(jù)的采集和A/D轉(zhuǎn)換功能。 2、 數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊采用微處理器來實(shí)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(jī)，該處理器具有運(yùn)用靈活、高速、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。 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(dú)立式鍵盤輸入。 5、 溫度檢測系統(tǒng)報警模塊。采用揚(yáng)聲器報警。 2.2總體結(jié)構(gòu)方案 蓄電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)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(shí)現(xiàn)方式選擇 實(shí)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(zhuǎn)換方式或者直接采用先進(jìn)的具有和CPU接口的數(shù)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(jīng)典的單片機(jī)系統(tǒng)前向通道的設(shè)計模式,溫度傳感器可根據(jù)精度要求和測量范圍(有時可達(dá)數(shù)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(shè)計的關(guān)鍵。其基本的通道結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。 圖2.2 前向通道結(jié)構(gòu) 當(dāng)然,當(dāng)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(guān)系。這樣可以通過電阻分壓簡單地將溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值,并直接送往A/D轉(zhuǎn)換器。 當(dāng)測量精度大于0.5%,測量范圍在零下數(shù)十?dāng)z氏度至一百多攝氏度時,比較簡單的辦法是采用數(shù)字溫度傳感器。數(shù)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(shù)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(diǎn)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(shù)難度。 本系統(tǒng)采用6片AD7416溫度傳感器。當(dāng)整個系統(tǒng)確定了關(guān)鍵的溫度傳感器后,其他功能的實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇。如溫度顯示可根據(jù)用戶要求和成本選擇LCD或LED數(shù)碼管方式。溫度門限值設(shè)定和保存可以選用EEPROM，如AT24C02。后向通道控制可根據(jù)負(fù)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(shè)計 3.1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)模塊電路設(shè)計 3.1.1溫度采集模塊 溫度采集模塊采用AD7416數(shù)字溫度傳感器,AD7416數(shù)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(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將感應(yīng)溫度轉(zhuǎn)換為間隔為0。25℃量化間隔的數(shù)字信號，以便和用戶設(shè)置的溫度點(diǎn)進(jìn)行比較。AD7416片內(nèi)寄存器可以進(jìn)行高低溫度門限的設(shè)置，當(dāng)溫度超過設(shè)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(nèi)部寄存器可以進(jìn)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(yīng)用于數(shù)據(jù)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(jī)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(shù)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(zhuǎn)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(guān)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(shù)據(jù)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(nèi)部功能框圖如圖3.2所示。它的片內(nèi)帶隙溫度傳感器可按預(yù)先設(shè)置的工作方式對環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時測量，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)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(shù)據(jù)的關(guān)系如表3.2所列。 表3.2 環(huán)境溫度與輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系 環(huán) 境 溫 度 二進(jìn)制數(shù)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(yù)先設(shè)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(zhuǎn)換時間為15～30μs，其余時間芯片則自動轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)； 2. 低功耗方式。這種方式通常應(yīng)用在測溫頻率較低的場合。當(dāng)用戶需要對環(huán)境溫度進(jìn)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(zhuǎn)入測溫狀態(tài)。當(dāng)溫度量化轉(zhuǎn)換結(jié)束后，芯片將重新轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。 3、 AD7416內(nèi)部寄存器 AD7416內(nèi)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(shè)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(shè)置為000； 2. D4和 D3用于設(shè)置故障排隊(duì)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(duì)長度可分別設(shè)置為1、2、4和6次； 3. D2用于設(shè)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(shè)置OTI的工作方式。0表示采用比較方式工作，即當(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)； 5. D0用于設(shè)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(diǎn)寄存器（地址02H）和TOTI溫度點(diǎn)寄存器（地址03H）均是16位讀/寫寄存器，分別用于設(shè)置低端和高端溫度點(diǎn)的門限值，所設(shè)數(shù)值以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存入高9位，其余位置0。 7. HYST溫度點(diǎn)寄存器（地址02H）和TOTI溫度點(diǎn)寄存器（地址03H）均是16位讀/寫寄存器，分別用于設(shè)置低端和高端溫度點(diǎn)的門限值，所設(shè)數(shù)值以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存入高9位，其余位置0。 表3.3 AD7416內(nèi)部配置寄存器格式 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 通道選擇 故障排隊(duì) OTI輸出極性 比較/中斷 工作方式 圖3.2 AD7416 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu) 4、 AD7416工作時序 AD7416采用I2C串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)同外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中AD7416作為從器件通過數(shù)據(jù)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(dāng)SCL保持高電平時，SDA從高電平到低電平的跳變?yōu)閿?shù)據(jù)傳輸?shù)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(jù)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(jìn)行讀操作，為0時，則表示進(jìn)行寫操作。當(dāng)每個字節(jié)傳送結(jié)束時，必須在收到接收數(shù)據(jù)一方的確認(rèn)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(nèi)寄存器地址和數(shù)據(jù)。最后，在SCL保持高電平的情況下，當(dāng)SDA從低電平跳變到高電平時將終止數(shù)據(jù)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(jī)的連接 圖3.4 AD7416與89S51的引腳連接 如圖3.4所示,為AD7416數(shù)字溫度傳感器外圍電路的連接圖,AT24C01用來存儲溫度門限設(shè)定值以保證掉電數(shù)據(jù)不丟失。這是溫度采集模塊的完整電路。51單片機(jī)的管腳如圖3.5所示。 在實(shí)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(nèi)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(yīng)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(jìn)行片內(nèi)數(shù)據(jù)的讀出和寫入。 在實(shí)際電路系統(tǒng)運(yùn)行中，由于AT24C01采用是I2C總線結(jié)構(gòu)，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(shí)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(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r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(shí)現(xiàn)，只要在應(yīng)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(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的廉價輸出設(shè)備，它由若干個發(fā)光二極管組成。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)光。控制相應(yīng)的二極管導(dǎo)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(shù)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(jī)中經(jīng)常使用7 段LED 來顯示數(shù)字，也就是用7 個LED 構(gòu)成字型“8”，并另外用一個圓點(diǎn)LED 來顯示小數(shù)點(diǎn)，也就是說一共有8 個LED，構(gòu)成了“8?！钡淖中?。如圖3.2.1所示。7 段LED 分共陰級和共陽極兩種。實(shí)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(shí)際應(yīng)用中要先測試一下各個管腳的配置，再進(jìn)行電路原理圖的設(shè)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(gòu)成字型“8”的各個筆劃（a～g），另一個發(fā)光二極管為小數(shù)點(diǎn)（dp）。當(dāng)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(diǎn)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(hù)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(hù)。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(dāng)顯示器顯示某一字符時，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。例如，七段顯示器的a、b、c、d、e、f段導(dǎo)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(yīng)用，我們可以在串行口上擴(kuò)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(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度高，控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，僅僅在需要更新顯示內(nèi)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(diǎn)是位數(shù)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(diǎn)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(diǎn)亮一次。雖然在同一時刻只有一位顯示器在工作（點(diǎn)亮），但利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管熄滅時的余輝效應(yīng)，看到的卻是多個字符“同時”顯示。顯示器亮度既與點(diǎn)亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)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(shù)據(jù)口或字形口）。 動態(tài)顯示器的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件資源，成本較低。但在控制系統(tǒng)運(yùn)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(shù)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(shù)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(shù)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(jī)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(shù)碼顯示”區(qū)域中的a－h(huán)端口上； 把“單片機(jī)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(shù)碼顯示”區(qū)域中的S1－S8端口上； 把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.7端口用導(dǎo)線連接到“獨(dú)立式鍵盤”區(qū)域中的SP1端口上。 圖3.6 LED數(shù)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(guān)矩陣，它是最簡單的單片機(jī)輸入設(shè)備，操作員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信。若鍵盤閉合鍵的識別是由專用硬件實(shí)現(xiàn)的，則稱為編碼鍵盤；若用軟件實(shí)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(dú)立式兩種。本系統(tǒng)由于對輸入數(shù)據(jù)要求單一，所以采用獨(dú)立式鍵盤。 一個具有4個按鍵的獨(dú)立式鍵盤，每一個按鍵的一端都接地，另一端接單片機(jī)的I/O口。獨(dú)立式鍵盤每一按鍵都需要一根I/O線，占用單片機(jī)的硬件資源較多。因此獨(dú)立式鍵盤只適合按鍵較少的場合。 一般情況下，鍵盤采用機(jī)械彈性開關(guān)來反映一個電壓信號的開斷。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，在閉合和斷開的瞬間會有抖動產(chǎn)生。抖動時間扥長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般在5~10ms之間。為確保按鍵不產(chǎn)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(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)消抖電路，一般用在對按鍵操作過程比較嚴(yán)格的場合。采用硬件防抖將導(dǎo)致系統(tǒng)硬件電路設(shè)計進(jìn)一步復(fù)雜化，故本系統(tǒng)采用軟件防抖，它的工作原理是：當(dāng)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(rèn)此鍵是真正按下，從而消除了抖動的影響。 圖3.7 獨(dú)立式鍵盤接口電路 如圖3.8所示，有四個按鍵與單片機(jī)相連, 按鍵的一邊接地, 另外一邊分別與單片機(jī)的P1.6、P1.7、P3.2、P3.5 口相連。 3.2 電壓測量模塊設(shè)計 本系統(tǒng)同時還要求完成直流、交流電壓的測量任務(wù)，本系統(tǒng)計劃采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809 3.2.1 ADC0809簡介 圖3.8 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)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(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。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(jìn)行放大。輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)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(dāng)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(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。 CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的VREF端子用導(dǎo)線連接到“電源模塊”區(qū)域中的VCC端子上;把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的A2A1A0端子用導(dǎo)線連接到“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.4　P3.5　P3.6端子上；把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的ST端子用導(dǎo)線連接到“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.0端子上;把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的OE端子用導(dǎo)線連接到“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.1端子上；把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的EOC端子用導(dǎo)線連接到“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.2端子上。 3.3 電流測量電路設(shè)計 系統(tǒng)充放電電流的實(shí)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(bǔ)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(yīng)副邊額定電流Is有效值為±25mA。在應(yīng)用中，感應(yīng)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(zhuǎn)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(shí)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(yīng)的正負(fù)電壓。STM32F103控制器ADC輸入范圍為：Vref-≤Vin≤Vref+，應(yīng)用中Vref-接模擬地，Vref+接2.5V電壓基準(zhǔn)，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(zhǔn)電平端接入地，當(dāng)充電工況下，感應(yīng)電流V1為負(fù)電壓，控制器無能為力。針對這個問題，本文設(shè)計了如圖3-10所示的累加升壓、跟隨方向信號預(yù)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(shè)計 當(dāng)檢測溫度超出預(yù)先設(shè)定的溫度限值時，本系統(tǒng)采用揚(yáng)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(shè)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(jī)來產(chǎn)生呢？ 由于要產(chǎn)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(jī)的定時/計數(shù)器T0作為定時，可以定時0.2秒；同時，也要用單片機(jī)產(chǎn)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(shù)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(dá)到0.2秒的定時時間了。 如圖3.11把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0端口用導(dǎo)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(shù)化軟件系統(tǒng)，它涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計、工藝造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、分析計算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖紙的輸出、生產(chǎn)加工產(chǎn)品的全過程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、模具設(shè)計和分析等實(shí)用模塊。廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、數(shù)控加工、電子等諸多行業(yè)。 Pro/E是當(dāng)前三維設(shè)計軟件中應(yīng)用比較廣泛的軟件之一，也是參數(shù)化設(shè)計的首選。Pro/E第一個提出參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)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(shè)計、加工處理、結(jié)構(gòu)分析與運(yùn)動仿真等。 在CAE模塊中可以對零部件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動模塊中，可以對零部件模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真，并獲得距離、速度等輸出曲線。為機(jī)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)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(shí)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(jìn)行工作目錄的修改，設(shè)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(zhǔn)面{前視}/{上視}/{右視}/，要想建立一個草圖必須選擇一個基準(zhǔn)面。此時我們選擇上視圖來為第一個基準(zhǔn)面來建模。 3、在此基準(zhǔn)面上畫出草圖。 4、建好草圖后，要完全定義草圖，要有基準(zhǔn)，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(zhuǎn)等特征，在此我們選擇拉伸特征 6、進(jìn)一步完善特征，例如：倒圓角，倒角，螺紋孔，加強(qiáng)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(jìn)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(jié) 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(shí)體建模過程 運(yùn)用Pro/E軟件來創(chuàng)建三維實(shí)體模型，非常方便，模塊化的運(yùn)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(zhuǎn)可以快速準(zhǔn)確的創(chuàng)建出三維實(shí)體模型。 結(jié)論 一、系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該注意的幾個問題 1. 當(dāng)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(yīng)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(jìn)行處理，實(shí)際應(yīng)用中若要對負(fù)溫度值進(jìn)行測量，還需進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換。（可將從AD7416中讀出的BCD碼按取反加1的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換） 3. 電路后向通道才采用12V電磁繼電器，所帶負(fù)載功率有限，如果要驅(qū)動大功率的負(fù)載，最好選用固態(tài)繼電器。 4. 由于總線驅(qū)動能力限制，AD7416與控制板的引線不可過長，當(dāng)需要測量數(shù)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(yùn)用，在進(jìn)行三維建模的過程中花費(fèi)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(dǎo)下，本人對模擬、數(shù)字電路以及單片機(jī)知識有了更一步的了解，也提高了動手能力，開拓了設(shè)計思路。 在設(shè)計過程中，遇到很多困難，暴露了學(xué)習(xí)中的不足！任何一項(xiàng)研究都需要豐富，及時的第一手材料準(zhǔn)備！需要深厚的理論積淀，同時需要團(tuán)結(jié)合作，從別人那里汲取先進(jìn)的研究方法和寶貴的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。此次設(shè)計得出的心得體會將會繼續(xù)指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)！ 致謝 本次我們設(shè)計的課題是磨削機(jī)，這整個設(shè)計期間得到XXX老師的指導(dǎo)，在設(shè)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(rèn)識，使很多困繞我們的問題得到解決。 本次設(shè)計的課題是智能蓄電池傳感器的設(shè)計，在平時的學(xué)習(xí)中沒有見過傳感器的具體外形，這對開始的設(shè)計有很大的阻礙，這時老師的指導(dǎo)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(dǎo)，一步步指導(dǎo)并將畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行下去。畢業(yè)設(shè)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(shè)計過程中沒有任何的目標(biāo)，可能使設(shè)計過程會很盲目。設(shè)計每進(jìn)行一步老師都要認(rèn)真的檢查，耐心細(xì)致的指出設(shè)計中出現(xiàn)的錯誤和不當(dāng)?shù)牡胤?，并指?dǎo)修改和完善。每一次輔導(dǎo)對學(xué)生提出的問題都認(rèn)真的解答。X老師淵博的專業(yè)技術(shù)知識和豐富的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的學(xué)術(shù)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(shè)計的過程中得到了其他老師的指導(dǎo)，在此也向這些老師表示由衷的謝意！ 參考文獻(xiàn) 【１】Analog Devices Inc,10-Bit Digital Temperature sensors AD7416-Datasheet,1999 【2】李明 ，楊文昭《數(shù)字溫度傳感器AD7416及其應(yīng)用》北京特種機(jī)電研究所。 【３】石東?！秵纹瑱C(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)》【M】西安：電子科技大學(xué)出版社，2002 【４】李華《單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)》，北京，航空航天大學(xué)出版社，1998。 【５】嚴(yán)天峰《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與仿真調(diào)試》，北京航空航天大學(xué)出版社 【6】倪志蓮，張怡典《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》北京理工大學(xué)出版社 【７】 武洪《計算機(jī)串口紅外通信接口技術(shù)》[ J] 。 電子技術(shù), 2004, 7 : 45- 47。 【８】倪志蓮，張怡典David Bradbury《Infra-Red Remote Control and Data Transmission？ 1995，2 【９】 李朝情《單片機(jī)原理及接口技術(shù)》北京航空航天大學(xué)出版社。2005，5 【１０】謝嘉奎 《電子線路——非線形部分（第四版）》 北京 高等教育出版社。 【１１】 A.W.L.Yao,S.D.Strombeck,J.S.C.Chi.Development of a mobile manufacturing system with PDA and PLC[J].Computer Science and Engineering,2005,4(25):7-8。 【1 2】詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版2.0基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：