燃料電池單片電壓巡檢顯示模塊的設(shè)計(jì)

前言

燃料電池電動(dòng)汽車是治理汽車尾氣污染和解決燃料問(wèn)題最現(xiàn)實(shí)的途徑, 燃料電池技術(shù)將成為21世紀(jì)汽車工業(yè)的核心。在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)應(yīng)用中，為了延長(zhǎng)電堆的使用壽命和魯棒性，必須確定和優(yōu)化燃料電池測(cè)試時(shí)能量輸出的特性，因此測(cè)試系統(tǒng)必須能夠靈活的采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、并具有監(jiān)視及報(bào)警功能，以精確地測(cè)試出燃料電池性能。

燃料電池單片電壓巡檢系統(tǒng)作為燃料電池堆的關(guān)鍵檢測(cè)設(shè)備，它能準(zhǔn)確監(jiān)控燃料電池堆在各個(gè)氫氣流量、溫度、壓力和濕度情況下對(duì)燃料電池單片的輸出電壓的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)高精度電壓檢測(cè)單元、高速網(wǎng)絡(luò)控制單元和LCD顯示及鍵盤(pán)硬件接口電路，制定CAN和SCI應(yīng)用層協(xié)議，設(shè)計(jì)功能完善的上位機(jī)軟件，巡檢系統(tǒng)可通過(guò)LCD顯示采集的燃料電池單片電壓數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)燃料電池堆的運(yùn)行狀況，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，電壓異常及時(shí)報(bào)警，同時(shí)也可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)或液晶顯示存儲(chǔ)。

1. PIC18F258與CA12864F的硬件接口電路

大功率燃料電池堆通常由幾百片單片電池串聯(lián)組成。由于電池堆中單片電池的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在燃料電池堆運(yùn)行過(guò)程中，單片電池的異常會(huì)影響整個(gè)電堆的性能與安全，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各單片電池電壓，便于控制系統(tǒng)作出正確的決策，保障燃料電池安全可靠運(yùn)行。

巡檢系統(tǒng)采用MICROCHIP公司的PIC18F258單片機(jī)作為MPU，PIC18F258單片機(jī)MICROCHIP公司主推的一款高性價(jià)比的8位單片機(jī)，它的工作電壓范圍是4.2V至5.5V（LF系列工作電壓范圍為2.0V至5.5V），具有高達(dá)32KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.5K字節(jié)的用戶SRAM及256字節(jié)的EEPROM，它采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）、哈佛總線結(jié)構(gòu)、流水線取指令方式，具有實(shí)用、低價(jià)、抗干擾性能好、功耗低、速度高、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。本文所提出的系統(tǒng)主要由信號(hào)采集電路,數(shù)據(jù)處理單片機(jī)PIC18F258,上位機(jī)（巡檢主機(jī)板) ,鍵盤(pán)系統(tǒng)和液晶顯示器五個(gè)模塊組成,整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)PIC18F258驅(qū)動(dòng)LCD顯示。該模塊的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

按鍵有六個(gè)按鍵組成，功能分別為UP、DOWN、LEFT、RIGHT、ENTER、ESC，單片機(jī)的RA0～RA5作為鍵盤(pán)輸入端口，當(dāng)鍵盤(pán)按下時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)低電平發(fā)送到單片機(jī)I/O口，單片機(jī)控制液晶做出相應(yīng)按鍵的處理，如翻頁(yè)等。

2.液晶模塊CA12864F的特點(diǎn)

液晶顯示器(LCD) 具有可編程驅(qū)動(dòng)、接口控制方便、顯示信息多、高畫(huà)質(zhì)、無(wú)輻射、體積小、功耗低、具有良好的可視化人機(jī)界面等特點(diǎn),在智能設(shè)備尤其是便攜式儀器儀表中得到了廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，采用的液晶模塊是松山電子科技有限公司的CA12864F，邏輯電路如圖2所示，CA12864F作為大規(guī)模點(diǎn)陣式液晶顯示器，板載負(fù)壓、帶LED背光，使用KS0108B作為列驅(qū)動(dòng)器， KS0107B作為行驅(qū)動(dòng)器，共有20個(gè)引腳， 7-14腳以8位數(shù)據(jù)并行接收電壓信號(hào),最大驅(qū)動(dòng)能力達(dá)128×64點(diǎn)陣。

PIC18F258的I/O口具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力, 其PORTB口最大可通過(guò)25mA的電流,單片機(jī)的通用I/O口對(duì)液晶的控制信號(hào)直接進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)，將單片機(jī)的RB端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和指令發(fā)送。PORTC口與液晶顯示器CA12864F的RS, RW, E, CS1, CS2引腳相連,控制數(shù)據(jù)交換的性質(zhì)和方向。液晶顯示器CA12864F的工作電壓為:- 5V～+ 5V,且其內(nèi)部已集成了所需的負(fù)電源,CA12864F的Vout引腳將輸出-5V。通過(guò)調(diào)節(jié)V0的電壓來(lái)改變液晶顯示器的亮度。CA12864F第19和第20引腳LED +、LED - 作為背光電源,本設(shè)計(jì)將+ 5V通過(guò)一個(gè)限流電阻和一個(gè)起驅(qū)動(dòng)作用的電容接到LED-引腳上,減少了功耗。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CA12864F液晶顯示屏分為兩塊，因模塊自身不帶字庫(kù)，所以要顯示的字符和圖片動(dòng)畫(huà)要通過(guò)字模軟件獲得，然后隨程序固化在Flash中。

字模軟件基本操作有參數(shù)設(shè)置、取模方式等，根據(jù)液晶的驅(qū)動(dòng)芯片選擇橫向取模或縱向取模，根據(jù)需要顯示的字體大小設(shè)置幾號(hào)字，然后即可得到生成的點(diǎn)陣數(shù)組。如圖3所示為武漢理工大學(xué)校徽的64×64點(diǎn)陣數(shù)組生成圖。

液晶顯示完成實(shí)時(shí)曲線、單片電壓數(shù)據(jù)顯示、異常報(bào)警顯示、簡(jiǎn)單故障診斷顯示、系統(tǒng)設(shè)置等功能。用UP、DOWN、LEFT、RIGHT、ENTER、ESC六個(gè)按鍵配合液晶完成菜單選擇和翻頁(yè)、參數(shù)設(shè)定等功能。

液晶顯示程序中，子程序比較多，底層關(guān)于驅(qū)動(dòng)器的指令子程序包括讀LCD狀態(tài)、查詢BF標(biāo)志、等子程序。顯示漢字和圖畫(huà)的子程序包括LCD整屏清屏、顯示漢字等子程序。用戶界面子程序包括顯示電壓值等。整個(gè)LCD顯示系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

該系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言編制而成，包括初始化程序和應(yīng)用程序。應(yīng)用程序分為顯示背景、單片電壓和顯示實(shí)時(shí)曲線三部分。

下面給出用CA12864F進(jìn)行顯示的部分軟件程序代碼:

void main( void )
{
TRISC = 0x80;
RC5 = 1;
ADCON1 = 0x07; //配置端口為數(shù)字信號(hào)
TRISA = 0x3f;

lcd_init(); //液晶初始化，包括開(kāi)屏、清屏和關(guān)屏
sci_init(); //通信初始化，接收電池電壓信號(hào)
tmr3_init(); //計(jì)時(shí)初始化，設(shè)置采樣時(shí)間
data_readEE();//設(shè)定的單片電壓數(shù)量
lcd_logo();

while( 1 )
{
key_process();//按鍵掃描程序，包括上下左右確定退出
data_process();//設(shè)置曲線頁(yè)數(shù)graph_page和最后曲線頁(yè)顯示片數(shù)graph_endN
lcd_display(); //液晶顯示程序，
}
}

4.結(jié)語(yǔ)

在分析燃料電池單片電壓巡檢原理的基礎(chǔ)上,根據(jù)燃料電池堆單片電壓巡檢系統(tǒng)的功能需求,設(shè)計(jì)了巡檢系統(tǒng)顯示模塊軟硬件,并分析了它們各自的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。整個(gè)模塊系統(tǒng)采用分布式檢測(cè)方式,可靠性高,較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料電池堆單片電壓的實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)。此模塊已經(jīng)在“楚天一號(hào)”燃料電池中巴車和武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室50KW燃料電池測(cè)試平臺(tái)上投入使用, 所需電壓參數(shù)、曲線變化、顯示的字符及漢字清晰、直觀,效果顯著。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

1. 通過(guò)并行通信實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD自動(dòng)/手動(dòng)翻屏切換的控制；

2. 基于PIC單片機(jī)的液晶顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池實(shí)時(shí)監(jiān)控。