基于單片機的超級電容畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 者所關注。超級電容存儲的能量可達到靜電電容器的 100 倍以上，同時功率密度比電池高出 10～ 100 倍。與靜電電容器相比其優點是能量密度非常高，容量可達數千法拉，但是它的耐壓較低，受制于電解液的分解電壓；漏電較大，容量隨頻率顯著降低，所以可用作低頻容性元件使用。從發展趨勢看，超級電容主要是用來取代或部分取代電池。與電池相比，超級電容具有許多電池無法比擬的優點： (1) 非常高的功率密度。超級電容器的放電電流可以達到上百安培，在大電流的應用場合，超級電容器可以更 好的滿足功率的要求。 (2) 充放電速度快。超級電容器的一個充放電循環時間很短，遠遠低于蓄電池的充放電循環所需要的時間。這可以很好的滿足機車啟動、制動時的時間要求。 (3) 使用壽命長。超級電容器的循環壽命可達 10 萬次以上，比蓄電池壽命高 100 倍以上。 (4) 工作溫度范圍寬。超級電容器可以在 45～ 105℃ 的溫度范圍內正常工作，遠遠優于普通蓄電池的高溫和低溫性能。 超級電容的發展及國內外研究現狀 超級電容是一種新型的儲能元件，最早出現在 20 世紀 60 年代，是由美國標準石油公司 (SOC)開始進行 商業性研究。 70 年代末將超級電容用在了計算機上， 1975 年及隨后的幾年， NEC 公司研究了基于 H 在 Pt 上的欠電位沉積， Ru02 的氧化還原反應類型的超級電容，并稱之為 Super capacitors， 1978 年日本 Panasonic／ Matsushita 公司將其產業化，開發出第一代商用的超級電容，其能量與功率可作為電腦的輔助電源。 1985 年以來，日本的 NEC／ Tokin 公司、松下公司生產的產品占領國際市場，超級電容由此得到了迅速的發展，進入商業化的應用規模。 二十世紀九十年代，由于電動汽車發展的迫切要求 ，超級電容的研究熱點進入到了大功率和大能量上。 1991 年，俄羅斯 Fecund 公司和 ELIT 公司開發出可用于車輛起動的超級電容，其容量達到 300F。 1996 年俄羅斯洛陽理工學院畢業設計（論文） 4 Elytra 公司研制出了采用純電容器作電源的電動汽車樣品，采用 300 個超級電容串聯，可載 20 人，充電一次可行駛 12km，時速 25km／ h。美國國防部和能源部非常重視超級電容的開發和應用，其中 Maxwell 公司生產的Power Cache 超級電容器，已由通用汽車公司 Allison Transmission Division組成并聯混合電源系統和串聯電 源系統用在貨車和汽車上 [1]。 課題的研究的目的與意義 超級電容作為一種新型電荷儲能元件，具有大容量、大電流快速充放電、壽命長和無污染的優異特性。但超級電容單體額定電壓很低，有機電解液雙電層超級電容器額定電壓只有 伏左右，因此在實際應用中一般由多個超級電容通過串聯和并聯的方式組合構成超級電容儲能模塊，以滿足儲能容量和電壓等級需要。然而受制造工藝影響，同一型號的超級電容單體之間的容量、等效并聯內阻等參數各不相同，并且各個參數隨著時間的推移會發生變化。這樣在大電流充放電的時候，當分壓高的電容已 經充滿時，分壓低的單體還處于未充滿狀態。經過多次循環后，各個單體將處于相差很大的狀態。如不對超級電容進行實時檢測，在使用過程中將對整個組件的性能造成極大的影響。 本課題的研究理論意義在于對超級電容的單體電壓檢測方案的設計，可以對超級電容電壓進行實時檢測，為后續的電壓均衡提供依據。另外對超級電容進行時域建模，有利于更好的理解超級電容各物理參數的特性，從而為更有效的應用超級電容提供依據。同時本課題的研究將為超級電容在能量回收系統中的應用提供有利支持，從而達到節約能源的目的。 洛陽理工學院畢業設計（論文） 5 第 2 章 超級電容電壓檢測系統總體 設計 超級電容電壓檢測系統概述 由于超級單體電壓很低，為獲得較高的電壓和容量，常常將其多節串聯和并聯起來。為方便裝配，一般將超級電容多節裝成一組 (如上海奧威公司一般 20 節串聯裝成一箱 )，組之間再進行串并聯。為了便于檢測，也將超級電容的電壓檢測電路進行模塊化設計 [2]。 超級電容測試系統是對超級電容進行研究的基礎部分，系統的主要作用是采集與電容特性有關的狀態值，比如電壓、電流、溫度等，為接下來的研究工作提供詳細、可靠的數據。根據實際情況，本系統的設計要求如下： (1) 電壓采集 16 路參數采集通 道，能采集超級電容系統的單個電容的電壓值及總電壓，電壓信號采集范圍 0～ 5V。 (2) 數據顯示 通過程序控制，可實現自動循環檢測每一路通道采集到的參數值并通過 LED 數碼管顯示電壓值。 (3) 串行通信 能夠通過串行通信接口與上位機進行通信，將采集到的參數值發送至上位機處理。 系統設計方案 本設計研究的是如何實現對超級電容器充放電電壓的測試。因此，本文設計的基于單片機控制的超級電容測試系統，主要由單片機控制電路、采樣電路、 A/D 轉換電路、顯示電路、串行通信電路等組成。這種方案是利用單片機系統與模 數轉換芯片、顯示模塊等的結合檢測并顯示電壓。由于單片機的發展已經成熟，利用單片機系統的軟硬件結合，可以組裝出許洛陽理工學院畢業設計（論文） 6 多的應用電路來。此方案的原理是模數（ A/D）轉換芯片的基準電壓端，被測量電壓輸入端分別輸入基準電壓和被測電壓。模數（ A/D）轉換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉換成相應的數字信號，然后通過對單片機系統進行軟件編程，使單片機系統能按規定的時序來采集這些數字信號，通過一定的算法計算出被測量電壓的值。最后單片機系統將計算好了的被測電壓值按一定的時序送入顯示電路模塊加以顯示 [3]。 超 級 電 容 模 塊1 6 路 電 壓 采 集 模塊A / D 轉 換 模 塊微 處 理 器 8 9 C 5 1顯 示 模 塊通 信 模 塊 圖 21 系統總體設計圖 各個模塊中心器件的選擇 單片機的選擇 在這一設計中，我們涉及到了一個關鍵系統模塊 —— 單片機系統模塊，而目前單片機的種類是很繁多的，主要有主流的 8 位單片機和高性能的 32位單片機，結合本設計各方面因素， 8 位單片機對于本設計已經是綽綽有洛陽理工學院畢業設計（論文） 7 余了，但將用哪一種類 8 位的單片機呢。在這里，不得不先簡單的介紹一下幾種常用的 8 位單片機。 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統，具有一個完整計算機所需要的大部分部件： CPU，內存，總線系統等。而目前常用的單片機的 8 位有 51 系列單片機， AVR 單片機， PIC 單片機。 應用最廣的 8 位單片機還是 Intel 的 51 系列單片機。 51 系列單片機的特點是：硬件結構合理，指令系統規范，加之生產歷史悠久，世界有許多芯片公司都買了 51 的芯片核心專利技術，并在其基礎上擴充其性能，使得芯片的運行速度變得更快，性價比更高。 本設計中選用 51 系列的 AT89C52，它是低電壓、低功耗、高性能的CMOS8 位單片機 ，片內含 8KB 的可反復擦寫的只讀程序存儲器和 256B的隨機存取數據存儲器， 32 個 I/O 口線， 3 個 16 位定時 /計數器，片內振蕩器及時鐘電路，并與 MCS51 系列單片機兼容。在設計中，單片機起著連接硬件電路與程序運行及存儲數據的任務，一方面，它將 A/D 轉換器、顯示器和語音芯片等通過 I/O 口地址線和數據線連接起來；另一方面，它將用戶下載的程序通過控制總線控制數據的輸入輸出，從而實現冊電壓的功能 [4]。 下圖所示為 89C51 管腳排列圖 : 1P 1 .02P 1 .13P 1 .24P 1 .35P 1 .46P 1 .57P 1 .68P 1 .79R S T10( R X D ) P 3 .011( T X D ) P 3 .112( I N T 0 ) P 3 .213( I N T 1 ) P 3 .314T 0 P 3 .415T 1 P 3 .516( W R ) P 3 .617( R D ) P 3 .718X T A L 019X T A L 120GND40v c c39P 0 .038P 0 .137P 0 .236P 0 .335P 0 .434P 0 .533P 0 .632P 0 .731EA30A L E29P S E N28P 2 .727P 2 .626P 2 .525P 2 .424P 2 .323P 2 .222P 2 .121P 2 .O 圖 22 AT89C51 引腳排列 模數（ A/D）轉換芯片的選擇 在本設計中，模數（ A/D）轉換模塊是一個重要的模塊，它關系到最后數電壓表電壓值的精確度。所以， A/D 芯片的選擇是設計過程中一個很洛陽理工學院畢業設計（論文） 8 重要的環節。 1．常用的 A/D 芯片簡介 常用的 A/D 芯片有 AD0809， AD0832， LTC1864 等幾種。 AD0809 是8 位逐次逼近型 A/D 轉換器，它是由一個 8 路的模擬 開關、一個地址鎖存譯碼器、一個 A/D 轉換器和一個三態輸出鎖存器組成 。 多路開關可選通 8個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉換器進行轉換。 些A/D 轉換器是的特點是 8 位精度，屬于 并行口，如果輸入的模擬量變化大快，必須在輸入之前增加采樣電路。 AD0832 也是 8 位逐次逼近型 A/D 轉換器，可支持單端輸入通道和一個差分輸入通道。它易于和微處理器接口或獨立使用；可滿量程工作；可用地址邏輯多路器選通各輸入通道。 LTC1864 是 16 位開關電容逐次逼近 A/D 轉換，每個器件有四個控制輸入端，片選，輸入 /輸出時鐘以及地址輸入端。它可以從主機高速傳輸轉換數據。它有高速的轉換，通用的控制能力，具有簡化比率轉換，刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離，耐高溫等特點。 綜合上述幾種 A/D 轉換芯片的特點，前 兩種芯片的性能和精度都不如第三種芯片。在本設計中，我們的目標是設計高精度的電壓表，因此在此，我們選擇精度為 16 位的 LTC1864 芯片。 LTC1864 采用 MSOP 封裝的微功率、 16 位、 250ksps 單通道和 ADC 特點 。 采用 MSOP 封裝 的 16 位、 250ksps ADC， 單 5V 電源 ， 低電源電流： 850Μa (典型值 ) ， 自動停機功能可把電源電流減小至 2μA (在 1ksps)， 真正的差分輸入 [5]。 顯示器件的選擇 本次設計中有顯示模塊，設計要求顯示最后電壓的數字值并且要精確到 。 1. MAX7221 的功能特點： (1) 10MHz 的串行接口； (2) BCD 譯碼 /非譯碼模式選擇； (3) 耗電僅 150uA的省電模式（顯示關閉）； (4) 數字和模擬雙重亮度控制； (5) SPI、 QSPI、 Micro wire等多種串行接口； 洛陽理工學院畢業設計（論文） 9 (6) 顯示位數可方便地進行擴展； . 2. MAX7221引腳介紹（見圖 23） Din腳，串行數據輸入端，數據存入內部 16位移位寄存器。 DIG0~DIG7腳， 8位共陰極數碼管的控制輸入端，顯示關閉時輸出高電平。 GND 腳，接地端， 4和 9腳都要接地。 CS 腳，片選輸入端，當 CS=0時，串行數據存入移位寄存器 ,當 CS為上升沿時鎖存最后 16位數據。 CLK 腳，串行時鐘輸入端，最高頻率 10MHz，在時鐘上升沿數據移位存入內部移位寄存器，當時鐘下降沿時，數據由 DOUT 輸出， CLK 輸入僅當 CS=0時有效。 SEGA~SEGG， SEGDP 腳，數碼管七段驅動和小數點驅動端，關閉顯示時各段驅動輸出為高電平。 ISET腳，連接到 VDD的電阻連接端，用來模擬設定各段驅動電流。 VDD腳， 5V正電壓輸入端。 DOUT 腳，串行數據輸出端 ,數據由 DIN輸入，經 DOUT 引腳輸出，此引腳用來擴展 MAX7221。 D I N1CS12C L K13I S E T18DOUT24A14B16C20D23E21F15G17DP22D I G 02D I G 111D I G 26D I G 37D I G 43D I G 510D I G 65D I G 78 圖 23 MAX7221引腳圖 16 路模擬開關選擇 為達到分壓的目的，必須選用多路開關，這里我選用 CC4067— 16