前言

燃料電池電動汽車是治理汽車尾氣污染和解決燃料問題最現實的途徑, 燃料電池技術將成為21世紀汽車工業的核心。在燃料電池發動機的研發應用中，為了延長電堆的使用壽命和魯棒性，必須確定和優化燃料電池測試時能量輸出的特性，因此測試系統必須能夠靈活的采集實時數據、并具有監視及報警功能，以精確地測試出燃料電池性能。

燃料電池單片電壓巡檢系統作為燃料電池堆的關鍵檢測設備，它能準確監控燃料電池堆在各個氫氣流量、溫度、壓力和濕度情況下對燃料電池單片的輸出電壓的影響。通過設計高精度電壓檢測單元、高速網絡控制單元和LCD顯示及鍵盤硬件接口電路，制定CAN和SCI應用層協議，設計功能完善的上位機軟件，巡檢系統可通過LCD顯示采集的燃料電池單片電壓數據，監測燃料電池堆的運行狀況，并對接收到的數據進行處理、分析，電壓異常及時報警，同時也可將數據實時上傳到上位機或液晶顯示存儲。

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組成。由于電池堆中單片電池的串聯結構，在燃料電池堆運行過程中，單片電池的異常會影響整個電堆的性能與安全，需要實時監測各單片電池電壓，便于控制系統作出正確的決策，保障燃料電池安全可靠運行。

巡檢系統采用MICROCHIP公司的PIC18F258單片機作為MPU，PIC18F258單片機MICROCHIP公司主推的一款高性價比的8位單片機，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32KB的FLASH程序存儲器，高達1.5K字節的用戶SRAM及256字節的EEPROM，它采用精簡指令集（RISC）、哈佛總線結構、流水線取指令方式，具有實用、低價、抗干擾性能好、功耗低、速度高、體積小、功能強等特點。本文所提出的系統主要由信號采集電路,數據處理單片機PIC18F258,上位機（巡檢主機板) ,鍵盤系統和液晶顯示器五個模塊組成,整個系統通過PIC18F258驅動LCD顯示。該模塊的硬件設計框圖如圖1所示。

按鍵有六個按鍵組成，功能分別為UP、DOWN、LEFT、RIGHT、ENTER、ESC，單片機的RA0～RA5作為鍵盤輸入端口，當鍵盤按下時，產生一個低電平發送到單片機I/O口，單片機控制液晶做出相應按鍵的處理，如翻頁等。

2.液晶模塊CA12864F的特點

液晶顯示器(LCD) 具有可編程驅動、接口控制方便、顯示信息多、高畫質、無輻射、體積小、功耗低、具有良好的可視化人機界面等特點,在智能設備尤其是便攜式儀器儀表中得到了廣泛應用。在本設計中，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作為大規模點陣式液晶顯示器，板載負壓、帶LED背光，使用KS0108B作為列驅動器， KS0107B作為行驅動器，共有20個引腳， 7-14腳以8位數據并行接收電壓信號,最大驅動能力達128×64點陣。

PIC18F258的I/O口具有很強的驅動能力, 其PORTB口最大可通過25mA的電流,單片機的通用I/O口對液晶的控制信號直接進行控制和驅動，將單片機的RB端口進行數據交換和指令發送。PORTC口與液晶顯示器CA12864F的RS, RW, E, CS1, CS2引腳相連,控制數據交換的性質和方向。液晶顯示器CA12864F的工作電壓為:- 5V～+ 5V,且其內部已集成了所需的負電源,CA12864F的Vout引腳將輸出-5V。通過調節V0的電壓來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,本設計將+ 5V通過一個限流電阻和一個起驅動作用的電容接到LED-引腳上,減少了功耗。

3.系統軟件設計

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

字模軟件基本操作有參數設置、取模方式等，根據液晶的驅動芯片選擇橫向取模或縱向取模，根據需要顯示的字體大小設置幾號字，然后即可得到生成的點陣數組。如圖3所示為武漢理工大學校徽的64×64點陣數組生成圖。

液晶顯示完成實時曲線、單片電壓數據顯示、異常報警顯示、簡單故障診斷顯示、系統設置等功能。用UP、DOWN、LEFT、RIGHT、ENTER、ESC六個按鍵配合液晶完成菜單選擇和翻頁、參數設定等功能。

液晶顯示程序中，子程序比較多，底層關于驅動器的指令子程序包括讀LCD狀態、查詢BF標志、等子程序。顯示漢字和圖畫的子程序包括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LCD顯示系統主程序流程圖如圖4所示。

該系統的程序設計使用C語言編制而成，包括初始化程序和應用程序。應用程序分為顯示背景、單片電壓和顯示實時曲線三部分。

下面給出用CA12864F進行顯示的部分軟件程序代碼:

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

lcd_init(); //液晶初始化，包括開屏、清屏和關屏
sci_init(); //通信初始化，接收電池電壓信號
tmr3_init(); //計時初始化，設置采樣時間
data_readEE();//設定的單片電壓數量
lcd_logo();

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

4.結語

在分析燃料電池單片電壓巡檢原理的基礎上,根據燃料電池堆單片電壓巡檢系統的功能需求,設計了巡檢系統顯示模塊軟硬件,并分析了它們各自的結構和特點。整個模塊系統采用分布式檢測方式,可靠性高,較好地實現了對燃料電池堆單片電壓的實時高精度檢測。此模塊已經在“楚天一號”燃料電池中巴車和武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室50KW燃料電池測試平臺上投入使用, 所需電壓參數、曲線變化、顯示的字符及漢字清晰、直觀,效果顯著。

本文作者創新點：

1. 通過并行通信實現對LCD自動/手動翻屏切換的控制；

2. 基于PIC單片機的液晶顯示技術實現對燃料電池實時監控。