淺析基于STC12C5A60S2 單片機(jī)的電量監(jiān)測(cè)技術(shù)研究論文
1 引言
隨著國家“節(jié)約發(fā)展”理念的提出，越來越多的人們青睞于新能源交通工具。電動(dòng)車作為一種人們生活中首選的代步工具，保有量逐年提升，而電動(dòng)車?yán)m(xù)航、電量檢測(cè)和電池狀況監(jiān)測(cè)的問題，也成為了大家所關(guān)心的重要問題。本文設(shè)計(jì)了一種利用STC12C5A60S2 單片機(jī)的電動(dòng)車電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車蓄電池電量的實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)督、管理以及異常情況警報(bào)。該系統(tǒng)成本較低，使用較方便，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本文所研究的系統(tǒng)主要由采集電路、數(shù)據(jù)處理部分和顯示部分等組成。通過采集電路對(duì)蓄電池的電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后將采集的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換功能得到電量數(shù)據(jù)，并將結(jié)果存入到相關(guān)的寄存器。微處理器通過相關(guān)接口將所需參數(shù)讀到微處理器內(nèi)部，并將電量、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)在LCD 屏中顯示，讓用戶直觀地觀察到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)硬件組成
本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是STC12C5A60S2 單片機(jī)，利用單片機(jī)具有的A/D 轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)了將模擬信號(hào)(電壓)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以便后續(xù)的傳輸和處理。
3.1 STC12C5A60S2 單片機(jī)
STC12C5A60S2 單片機(jī)是STC 生產(chǎn)的一款單時(shí)鐘/ 機(jī)器周期(IT)的單片機(jī)，是一款新一代的8051 單片機(jī)。STC12C5A60S2 單片機(jī)運(yùn)行速度高，可以達(dá)到傳統(tǒng)的8051 單片機(jī)速度的8-12 倍，功率耗損很低，而且在干擾很強(qiáng)大的環(huán)境中也可以穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051 單片機(jī)。工作電壓 3.5V—5.5V，工作頻率范圍 0-35MHz。STC12C5A60S2 單片機(jī)包含 CPU、存儲(chǔ) Flash、SRAM、定時(shí)/ 計(jì)時(shí)器、I/O 接口、高速A/D 轉(zhuǎn)換器、SPI 接口、PAC、看門狗及片內(nèi)R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。
3.2 STC12C5A60S2 單片機(jī)的高速A/D 轉(zhuǎn)換
3.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)
STC12C5A60S2 系列帶A/D 轉(zhuǎn)換的.單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1 口(P1.7-P1.0) ，有 8 路 10 位高速A/D 轉(zhuǎn)換器 , 速度可達(dá)到250KHz。8 路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。上電復(fù)位后P1 口為弱上拉型I/O 口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8 路中的任何一路設(shè)置為A/D 轉(zhuǎn)換，不需作為A/D 使用的口可繼續(xù)作為I/O 口使用。
3.2.2 逐次比較法A/D 轉(zhuǎn)換
STC12C5A60S2 單片機(jī)采用的是逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換電路，該電路使用了二分搜索算法。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，先將逐次比較寄存器SAR 最高位置“1”，其余位置“0”，相當(dāng)于取參考電壓VREF 的1/2 與輸入電壓VIN 進(jìn)行比較。若VREF/2>VIN，那么將最高位置“0”;此后次高位置1，相當(dāng)于在1/2 范圍中再對(duì)半搜索。若VREF/2< VIN, 那么最高位和次高位均為1, 這相當(dāng)于在另一個(gè)1/2 范圍中再作對(duì)半搜索. 如此進(jìn)行直到SAR的所有位都在逐次比較過程中被確定。SAR 的輸出即為所需的二進(jìn)制數(shù)字量。由此可見，這類A/D 轉(zhuǎn)換器在一個(gè)時(shí)鐘周期只完成一位轉(zhuǎn)換. 若要獲得N 位的分辨率, 它就必須執(zhí)行N 次比較操作, 因此轉(zhuǎn)換速度慢。它的優(yōu)點(diǎn)是占用面積小, 復(fù)雜度和功耗通常低于其它類型的A/D 轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)分辨率也較高，且不存在延遲問題。
4 程序的設(shè)計(jì)與編寫實(shí)現(xiàn)
在程序設(shè)計(jì)之初，我首先想到的是要對(duì)寄存器進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，我在innit()初始化函數(shù)中對(duì)寄存器值進(jìn)行了設(shè)計(jì)。利用sfr P1ASF = 0x9D 與P1ASF=0x01語句對(duì)I/O 口進(jìn)行定義。考慮到轉(zhuǎn)換精度的問題，本文采取兩種措施來保證轉(zhuǎn)換精確度。第一種方法是舍棄了取8 位結(jié)果的方式，轉(zhuǎn)而用了取完整10 位結(jié)果的方式，雖然增加了運(yùn)算量，但因?yàn)镾TC12C5A60S2 單片機(jī)的高速運(yùn)算能力，因此并不會(huì)降低轉(zhuǎn)換能力，同時(shí)對(duì)特殊寄存器ADRJ 置0，即sfr ADC_RES 為高8 位、sfrADC_RESL 為低2 位，并采取下面的計(jì)算公式：1 0 - b i t A / D C o n v e r s i o n R e s u l t : ( A D C _RES[7:0],ADC_RESL[1:0])=1024*Vin/Vcc。第二種方法是對(duì)所示的轉(zhuǎn)換速度控制寄存器ADC_SPEEDLL 利用宏定義將其置0 具體實(shí)現(xiàn)方法為#define ADC_SPEEDLL 0X00。目的是提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘周期數(shù)，以此來提高轉(zhuǎn)換精度。最后通后ADCCONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ADC_START|0 語句對(duì)寄存器控制的最終實(shí)現(xiàn)。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換開始后，需要檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否完成，此時(shí)只需要一個(gè)while 語句將ADC 控制寄存器ADC_CONTR 與ADC標(biāo)志位ADC_FLAG 相與后取反檢測(cè)。此時(shí)需要注意的是，當(dāng)檢測(cè)完成后要清除轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志。由于我們用了取完整10 位結(jié)果的方式而STC12C5A60S2 單片機(jī)的寄存器位8 位，因此要對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果高8 位左移兩位并與低2 位進(jìn)行或操作。
5 硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法
電量監(jiān)控是利用STC12C5A60S2 單片機(jī)自有的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能, 通過大電阻分壓的技術(shù)將電池的電壓通過放大器構(gòu)成的電壓跟隨器隔離、RC 低通濾波電路的濾波后，送入單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用此大電阻分壓方法的另一優(yōu)點(diǎn)是降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，節(jié)約能源。
本文介紹利用 STC12C5A60S2 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并使用單片機(jī)的擴(kuò)展性以及對(duì)輸入信號(hào)的變化自適應(yīng)性來適應(yīng)輸入輸出設(shè)備的變化。當(dāng)開發(fā)者需要詳細(xì)的轉(zhuǎn)換只需要對(duì)程序進(jìn)行修改并下載即可。這樣方便了開發(fā)者對(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行處理與對(duì)比，并根據(jù)自己的需要不用改動(dòng)硬件就能對(duì)其轉(zhuǎn)換結(jié)果加以處理。本系統(tǒng)為了A/D 轉(zhuǎn)換能被更好的使用，我們實(shí)現(xiàn)了把A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過顯示屏展示出來。為了滿足開發(fā)人的需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)通信串口，利用CH340G 芯片將USB轉(zhuǎn)為串口，有利于電腦與單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，開發(fā)者可以編寫自己需要的程序并下載到單片機(jī)。
6 總結(jié)與展望
本文詳細(xì)的介紹了基于STC12C5A60S2 單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電動(dòng)車電量監(jiān)測(cè)技術(shù)，并在實(shí)踐中得到應(yīng)用，經(jīng)過團(tuán)隊(duì)成員的努力，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能效果，希望能夠促進(jìn)電動(dòng)車的未來發(fā)展，方便人們的生活。
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