采用MSP430单片机完成电池电量测量系统Word文件下载.docx
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成本低,高能量密度,高电压,轻型化,使用温度宽(-37℃~60℃),且循环寿命长,安全性能好的全新的绿色电源成为人们研究的热点,而锂离子二次电池成为市场前景最光明,发展最快的新型电池能源[8]。
(2)日本是名副其实的锂离子电池研究的中心。
日本锂电池储能技术研究协会自助了将近一亿两千万美院,并为此指定了详细的新阳光计划。
直至1995年,全球锂离子电池为日本独家生产而且产品份额基本上为日本垄断的局面难以打破。
现在美国、韩国、法国、德国、加拿大、中国等国重点发展了锂离子电池,这些非日本电池企业的发展已经开始对日本锂离子电池的生产和应用市场产生影响[9]。
(3)我国从70年代中期开始研制锂二次电池[10],较早开展此项研究的单位有天津电源研究所和北京有色金属研究总院、厦门大学、复旦大学、武汉大学等[8]。
(4)随着二次电池的快速发展,以嵌锂化合物作为正负极材料的新型高能量绿色电池,锂离子电池以其独特的优越性获得广泛的应用。
相比其它传统的水溶液二次电池,锂离子电池具有单体电池工作电压高、质量比能量高、体积比能量高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低、工作温度范围宽、清洁无污染等优点[11]。
目前我国对于监测仪的发展主要做了如下的技术努力[12]:
(1)应用单片微机,提高仪表的可靠性、灵活性和分析能力,利用单片微机作为CPU,其产品售价也大大降低。
(2)具备了打印功能,扩展了诸如典型日参数统计、越限报警等功能。
(3)数据处理能力的加强。
诞生了仪表附加卡式记录,用卡内E2PROM对各个电压值进行记录,以便于插入专用转换座后由PC机进行辅助分析统计、存盘。
(4)注意可靠性的设计:
普遍增设后备电源,便于仪表失电时对统计数据的保护及系统日历钟运行。
采用全CMOS电路,既降低功耗,又提高噪声容限。
(5)结构上作进一步改进,出现了槽装式、挂装式、便携式等多种结构的仪表,以适应不同用户的需要。
1.3.2电池电量记录仪的发展趋势
电量记录仪的电压监测发展方向:
(1)操作要“傻瓜”型,维护要方便型。
任何仪表能否推广成功,设计是重要因素。
要使操作人员能够直观地操作,不至于由于操作不当而造成仪表损坏,系统停机;
要让维护人员容易实现定期校验、维护[14]。
这应从以下几个方面努力:
采用应答式操作方式,按键即能直接显示对应参数,按键出错,能够自动显示出错信息,释放键即能恢复正常显示;
表内采用插板式结构,便于维修和更换;
完善设计,采用新颖高可靠开关部件,软件配以自诊断功能。
(2)提供升等的条件。
如更换EPROM或少量芯片即能实现仪表升等以便于扩展功能和统计内容,延长仪表使用寿命。
对110KV及以上等级的母线电压监测,需要五位数显示的电量监测仪,仪表的分辨力亦要提高,可以采用高档的单片微机来实现[15]。
(3)功能可扩展。
充分应用软件技术使仪表具备更多的功能供用户选择,如可以选择读出当月中任意一天的各整点电压及统计参数值,以适应不同用户对电压监测、分析统计的要求。
1.3.3锂电池电量计算方法
(1)内阻法:
研究表明,电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性,通过测量电池内阻可测量电量[16]。
(2)电压法:
基于电池电压和剩余电量之间存在的某种已知关系。
它看似直接,但却存在难点:
在测量期间,只有在不施加任何负载的情况下,才存在这种电池电压与电量之间的简单关联。
当施加负载时,电池电压就会因为电池内部阻抗所引起的压降而产生失真[17]。
1.4锂电池放电特性
1.4.1锂离子电池概括
锂离子电池,俗称“锂电”,是目前综合性能最好的电池。
锂离子电池负极是碳素材料,如石墨。
正极是含锂的过渡金属氧化物,如LiMn2O4。
电解质是含锂盐的有机溶液。
通常锂离子电池并不含金属锂。
由于锂离子电池不含任何贵重金属,原材料很便宜,降价空间大。
同时,与传统的电池相比,锂离子电池具有突出的优点:
(1)工作电压高:
锂离子电池的工作电压为3.7V,是镍镉和镍氢电池工作电压的三倍。
在许多小型电子产品上,一节电池即可满足使用要求。
(2)比能量高:
锂离子电池比能量目前已达140Wh/kg,是镍镉电池的3倍,镍氢电池的1.5倍。
(3)循环寿命长:
目前锂离子电池循环寿命已达1000次以上,在低放电深度下可达几万次,超过了其它几种二次电池。
(4)自放电小:
锂离子电池盘放电率仅为6%~8%,远低于镍镉电池(25%~30%)及镍氢电池(30%~40%)。
(5)薄型,轻量,无记忆效应(它可以根据要求随时充放电,而不会降低电池性能)。
由于具备以上优点,锂离子电池在作为新型电池在某些领域正在逐步取代传统的可充电电池。
主要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。
1.4.2锂电池放电特性
一般称放电时电池端电压随时间的变化曲线叫做电池的放电特性曲线,锂电池在不同的放电电流下有不同的放电特性,其特性曲线见图.由图可以看出,在开始放电时,锂电池的电压下降比较剧烈,然后进入一个稳定期,在稳定期电压下降很不明显,当电量接近放完时,又有一个剧烈的电压下降,如果此时继续放电,则会毁损电池;
如果放电电流过大则放电时间非常短,电压急剧下降,电池温度急剧升高,电池则将无法正常工作;
如果电池的电压下降到2.5V,再继续放电,将导致电池永久性损坏[18]。
如图1.1所示:
图1.1不同放电电流放电时间与电压曲线
2系统整体方案的设计
2.1研究对象
本文主要研究的是聚合物锂离子电池的电压、电流同电池性能密切相关的参数的变化而产生的相应变化情况。
随着二十世纪微电子技术的发展,小型化的设备日益,对电源提出了很高的要求。
锂电池随之进入了大规模的实用阶段。
最早得以应用于心脏起博器中。
由于锂电池的自放电率极低,放电电压平缓,使得起搏器植入人体长期使用成为可能。
锂电池一般有高于3.0伏的标称电压,更适合作集成电路电源。
二氧化锰电池就广泛用于计算机、计算器、照相机、手表中。
现在,锂电池大量应用在手机上,可以说是最大的应用群体。
由于锂电池的特性,如微型摄像机、照相机等各种数码产品均使用锂离子电池。
目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用,预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一,并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。
随着能源的紧缺和世界环保方面的压力。
锂电池现在被广泛应用于电动车行业,特别是磷酸铁锂材料电池的出现,更推动了锂电池产业的发展和应用[19]。
随着温度等外部环境的变化,电池的电压会产生相应的变化,对使用电池的电子设备就会产生一定的损害,因此研究电池电压的变化规律对使用电池的设备有着重要的意义。
2.2设计方案的确定
2.2.1总体设计方案
本文的设计是基于MSP430FG4618实现的电池电压的监测记录,电池电压的采样是通过软件的控制来实现的,并且通过所监测出的电压在上位机上通过公式运算最终得出电量。
电池电量监测的总体流程图如图2.1所示:
图2.1总体流程图
对锂电池电压信号进行测试,将电模拟信号导入一个十六路模拟开关,读入单片机具有模数转换功能的I/O口。
利用MSP430FG4618单片机自带的AD转换功能转换成数字信号,判断这些数据是否在锂离子电池放电允许范围之内,单片机比较判断并对相应电路作出控制以后将有效数据存入FLASH。
通过串口实现与计算机的通信。
2.2.2电压采集装置
电压采集装置是整个电量记录仪的重点,只有将电池的电压顺利的采集送入单片机,使它经过AD转换后存储在FLASH中,然后通过异步串口传送数据到计算机,才能对电池电压的变化情况进行分析。
电压采集装置的流程图如图2.2所示:
图2.2电压采集装置流程图
如图2.2所示,将满量程的电池放入电压监测装置中并使用电阻放电,导入一个16路的模拟开关,实现切换电压信号的作用,然后连接调理电路进行降压处理,将已经过降压处理的电压读入单片机具有模数转换功能的I/O口,最后把AD转化的数据存储在单片机的FLASH中。
2.2.3通信电路
本设计的通信电路能过RS232接口来完成,通信电路的流程图为图2.3所示:
图2.3RS232接口流程图
上下位机通过RS232接口接收或发送数据和指令,实现单片机与主计算机的异步通信。
串口进入传输数据状态从单片机闪存内读取数据,依次送入主计算机,在计算机中通过串口助手对数据进行显示,并对所测得的数据进行分析处理。
2.3设计所实现的功能
本设计所要实现的功能为:
对8路电池的电压进行采集,将采集到的数据送入单片机进行AD转换,然后存入单片机自带的FLASH中。
若FLASH存满则停止采样转换,使单片机进入低功耗,等待计算机的发数命令。
当计算机发出读数的信号时,单片机便要停止采样转换工作,将FLASH中的数据通过RS232送到计算机中,发送数据完成后便完成了这一次的工作,等待下一次的采集信号的命令。
2.4系统芯片
2.4.1放点控制的两种智能方法
(1)利用目前比较成熟的电池管理芯片,实现聚合物锂离子电池的放电管理加上单片机组成控制电路。
因为电池管理芯片实现的功能很多,例如:
放电管理、检测电池的温度以及剩余电量等。
但是无形之中增加了电池的功耗,还有使整个系统更加的复杂,并且电池的管理芯片价位都偏高也增加了整个系统的成本。
(2)利用控制芯片自带的功能和外加模拟开关实现对电池的放电管理,再通过单片机数据存储,最后把采集的数据传输到计算机。
该方案集成了方案一中放电管理芯片的功能,将检测、模数转换、存储、断电集成为一体。
实现的放电系统减少了芯片数量并达到测试的目的,具有体积小,重量轻,控制电路简单,可靠性高,操作方便等优点。
在众多控制芯片中,具有采集、存储、控制功能的芯片很多,最基本的是单片机。
目前市场上的单片机种类很多,根据实际充电中A/D接口数量需求,内存和闪存的要求,功耗大小等多种因素。
选择了MSP430FG4618单片机。
本设计所选择的系统芯片为MSP430FG4618,下面便对MSP430系列芯片进行详细的介绍:
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(MixedSignalProcessor),称之为混合信号处理器,主要是由于其针对实际应用需求,把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片”解决方案,从而实现电路体积的尽可能微小化[20]。
2.4.2MSP430单片机的发展
MSP430系列单片机是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机,在1996年问世,由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段,已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。
回忆MSP430系列单片机的发展过程,可以看出有这样三个阶段[21]:
开始阶段:
从1996年推出MSP430系列开始到2000年初,这个阶段首先推出有33X、32X、31X等几个系列,而后于2000年初又推出了11X、11X1系列。
MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD驱动模块,对提高系统的集成度较有利,每一系列有ROM型(C)、OTP型(P)、和EPROM型(E)等芯片。
EPROM型的价格昂贵,运行环境温度范围窄,主要用于样机开发。
这也表明了这几个系列的开发模式,即:
用户可以用EPROM型开发样机;
用OTP型进行小批量生产;
而ROM型适应大批量生产的产品。
2000年推出了11X/11X1系列:
这个系列采用20脚封装,内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少,但是价格比较低廉。
这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点,但也有不尽如人意之处。
它的许多重要特性,如:
片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等,只有33X系列才具备。
33X系列价格较高,比较适合于较为复杂的应用系统。
当用户设计需要更多考虑成本时,33X并不一定是最适合的,但片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有。
第二阶段:
寻找突破,引入Flash技术。
随着Flash技术的迅速发展,TI公司也将这一技术引入MSP430系列中。
在2000年7月推出F13X/F14X系列,在2001年7月到2002年又相继推出F41X、F43X、F44X这些全部是Flash型单片机。
F41X单片机是目前应用比较广的单片机,它有48个I/O口,96段LCD驱动。
F43X、F44X系列是在13X、14X的基础上,增加了液晶驱动器,将驱动LCD的段数由3XX系列的最多120段增加到160段,并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址,为以后的发展拓展了空间。
MSP430系列由于具有Flash存储器,在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。
TI公司推出了具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110,将国际先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。
这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式,具有方便、廉价、实用等优点,给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。
另外,2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术,利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序,这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。
BOOTSTRAP具有很高的保密性,口令可达到32个字节的长度。
第三阶段:
蓬勃发展阶段。
在前一阶段,引进新技术和内部进行调整之后,为MSP430的功能扩展打下了良好的基础,于是TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。
在这一新的系列中,有了两个方面的发展:
一是从存储器方面来说,将RAM容量大大增加,如F1611的RAM容量增加到了10KB,这样一来,希望将实时操作系统(RTOS)引入MSP430的,就不会因RAM不够而发愁了。
二是从外围模块来说,增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。
在2003年中,TI公司还推出了专门用于电量计量的MSP430FE42X和用于水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的MSP430FW42X单片机。
我们相信由于MSP430的开放性的基本架构和新技术的应用,新的MSP430的产品品种必将会不断出现。
2.4.3MSP430单片机的特点
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大,主要取决于以下的特点[22]:
(1)强大的处理能力:
MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址),简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;
大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;
还有高效的查表处理指令;
有较高的处理速度,在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns,这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
(2)在运算速度方面:
MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下,实现125ns的指令周期。
16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。
(3)MSP430系列单片机的中断源较多,并且可以任意嵌套,使用时灵活方便。
当系统处于省电的备用状态时,用中断请求将它唤醒只用6us。
(4)超低功耗:
MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处:
首先,MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8V~3.6V电压。
因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时,芯片的电流会在200~400uA左右,时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。
其次,独特的时钟系统设计。
在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统:
基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。
有的使用一个晶体振荡器(32768Hz),有的使用两个晶体振荡器。
由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟,并且这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。
由于系统运行时打开的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著的不同。
系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。
在等待方式下,耗电为0.7uA,在节电方式下,最低可达0.1uA。
(5)系统工作稳定:
上电复位后,首先由DCOCLK启动CPU,以保证程序从正确的位置开始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。
然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障,DCO会自动启动,以保证系统正常工作;
如果程序跑飞,可用看门狗将其复位。
(6)丰富的片上外围模块:
MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设;
它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A(Timer_A)、定时器B(Timer_B)、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、IIC总线直接数据存取(DMA)、端口O(P0)、端口1~6(P1~P6)、基本定时器(BasicTimer)等的一些外围模块的不同组合。
其中,看门狗可以使程序失控时迅速复位;
模拟比较器进行模拟电压的比较,配合定时器,可设计出A/D转换器;
16位定时器(Timer_A和Timer_B)具有捕获/比较功能,大量的捕获/比较寄存器,可用于事件计数、时序发生、PWM等;
有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用;
具有较多的I/O端口,最多达6*8条I/O口线;
P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入;
12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率,最高可达200kbps,能够满足大多数数据采集应用;
能直接驱动液晶多达160段;
实现两路的12位D/A转换;
硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展;
以及为了增加数据传输速度,而采用直接数据传输(DMA)模块。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
(7)方便高效的开发环境:
目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件,这些器件的开发手段不同。
对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后再烧写或者掩膜芯片;
对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境,因为器件片内有JTAG调试接口,还有可电擦除的FLASH存储器,因此采用先下载程序到FLASH内,再在器件内通过软件控制程序的运行,由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器,而不需要仿真器和编程器,开发语言有汇编语言和C语言。
2.4.4MSP430FG4618
MSP430xG461x系列内部框图[22]如图2.4所示:
图2.4MSP430xG461x系列内部框图:
MSP430xG461x系列管脚图如图2.5所示:
图2.5MSP430xG461x系列管脚图
本设计中使用的是MSP430单片机中XG461X系列中的MSP430FG4618。
它的特性描述如下[23]:
※工作电压范围:
1.8V~3.6V
※超低功耗
活动模式:
350μAat1MHz,2.2V
待机模式:
1.1μA
关闭模式(RAMRetention):
0.3μA
※五种省电模式
6μs内从待机模式唤醒
16-BitRISC指令体系,125ns指令周期
※3通道DMA
※12-BitA/D转换器(内部参考电压、采样保持和自动扫描)
3个可配置运算放大器
※双12-BitD/A同步转换器
※16-BitTimer_A(带3捕获/比较寄存器)
※16-BitTimer_B(带7捕获/比较寄存器)
※片内比较器
※具有可编程电平检测的供电电压管理器/监控器
※串行通讯接
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