超级电容测试设计毕业设计(编辑修改稿)

超级电容测试设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的研究将为超级电容在能量回收系统中的应用提供有利支持，从而达到节约能源的目的。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 5 第 2 章 超级电容电压检测系统总体设计 超级电容电压检测系统概述 由于超级单体电压很低，为获得较高的电压和容量，常常将其多节串联和并联起来。 为方便装配，一般将超级电容多节装成一组 (如上海奥威公司一般 20 节串联装成一箱 )，组之间再进行串并联。 为了便于检测，也将超级电容的电压检测电路进行模块化设计。 超级电容测试系统是对超级电容进行研究的基础部分，系统的主要作用是采集与电容特性有关的状态值，比如电压、电流、温度等，为接下来的研究工作提供详细、可靠的数据。 根据实际情况，本系统的设计要求如下： 电压采集 16 路参数采集通道，能采集超级电容系统的单个电容的电压值及总电压，电压信号采集范围 0～ 5V 数据显示 通过键盘，可查看任意一路通道采集到的参数值并通过 LED 数码管显示电压值 串行通信 能够通过串行通信接口与上位机进行通信，将采集到的参数值发送至上位机处理 系统设计方案 本设计研究的是如何实现对超级电容器充放电电压的测试。 因此，本文设计的基于单片机控制的超级电容测试系统，主要由单片机控制电路、采样电路、 A/D 转换电路、键盘与显示电路、串行通信电路等组成。 这种方案是利用单片机系统与模数转换 芯片、显示模块等的结合构建数字电压表。 由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。 此方案的原理是模数（ A/D）转换芯片的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。 模数（ A/D）转洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值。 最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。 微 处 理 器8 9 c 5 1显 示 模 块通 信 模 块A / D 转 换 模 块1 6 路 电 压 采 样电 路 超 级 电 容 模块 图 21 系统总体设计图 各个模块中心器件的选择 单片机的选择 在这一设计中，我们涉及到了一个关键系统模块 —— 单片机系统模块，而目前单片机的种类是很繁多的，主要有主流的 8 位单片机和高性能的 32位单片机，结合本设计各方面因素， 8 位单片机对于本设计已经是绰绰有余了，但将用哪一种类 8 的单片机呢。 在这里，不得不先简单的介绍一下几种常用的 8 单片机。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，具有一个完整洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 计算机所需要的大部分部件： CPU，内存，总线系统等。 而目前常用的单片机的 8 位有 51 系列单片机， AVR 单片机， PIC 单片机。 应用最广的 8 位单片机还是 Intel 的 51 系列单片机。 51 系列单片机的特点是：硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，世界有许多芯片公司都买了 51 的芯片核心专利技术，并在其基础上扩充其性能，使得芯片的运行速度变得更快，性价比更高。 本设计中选用 51 系列的 AT89C52，它是低电压、低功耗、高性能的CMOS8 位单片 机，片内含 8KB 的可反复擦写的只读程序存储器和 256B的随机存取数据存储器， 32 个 I/O 口线， 3 个 16 位定时 /计数器，片内振荡器及时钟电路，并与 MCS51 系列单片机兼容。 在设计中，单片机起着连接硬件电路与程序运行及存储数据的任务，一方面，它将 A/D 转换器、显示器和语音芯片等通过 I/O 口地址线和数据线连接起来；另一方面，它将用户下载的程序通过控制总线控制数据的输入输出，从而实现册电压的功能。 下图所示为 89C51 管脚排列图 : 图 22 AT89C51 引脚排列 模数（ A/D）转换芯片的选择 在本设计中，模数（ A/D）转换模块是一个重要的模块，它关系到最后数电压表电压值的精确度。 所以， A/D 芯片的选择是设计过程中一个很重要的环节。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 1．常用的 A/D 芯片简介 常用的 A/D 芯片有 AD0809， AD0832， TLC1864 等几种。 AD0809 是8 位逐次逼近型 A/D 转换器，它是由一个 8 路的模拟 开关、一个地址锁存译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。 多路开关可选通 8个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。 些A/D 转换器是的特点是 8 位精度，属于并行 口，如果输入的模拟量变化大快，必须在输入之前增加采样电路。 AD0832 也是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器，可支持致命伤个单端输入通道和一个差分输入通道。 它易于和微处理器接口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通各输入通道。 TLC1864 是 16 位开关电容逐次逼近 A/D 转换，每个器件有四个控制输入端，片选，输入 /输出时钟以及地址输入端。 它可以从主机高速传输转换数据。 它有高速的转换，通用的控制能力，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离，耐高温等特点。 综合上述几种 A/D 转换芯片的特点 ，前两种芯片的性能和精度都不如第三种芯片。 在本设计中，我们的目标是设计高精度的电压表，因此在此，我们选择精度为 16 位的 TLC1864 芯片。 LTC1864 采用 MSOP 封装的微功率、 16 位、 250ksps 单通道和道 ADC 特点 ,采用 MSOP 封装的 16 位、250ksps ADC,单 5V 电源 ,低电源电流： 850Μa (典型值 ) ,自动停机功能可把电源电流减小至 2μA (在 1ksps) ,真正的差分输入。 显示器件的选择 本次设计中有显示模块，设计要求显示最后电压的数 字值并且要精确到。 1． MAX7221 的功能特点 （ 1） 10MHz 的串行接口； （ 2） BCD 译码 /非译码模式选择； （ 3）耗电仅 150uA的省电模式（显示关闭）； （ 4）数字和模拟双重亮度控制； 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 （ 5） SPI、 QSPI、 Micro wire等多种串行接口； （ 6）显示位数可方便地进行扩展 . 2． MAX7221引脚介绍（见图 1） Din脚 ,串行数据输入端 ,数据存入内部 16位移位寄存器 . DIG0~DIG7脚 ,8位共阴极数码管的控制输入端，显示关闭时输出高电平 . GND 脚 ,接地端 ,4和 9脚都要接地 . CS 脚 ,片选输入端 ,当 CS=0时 ,串行数据存入移位寄存器 ,当 CS为上升沿时锁存最后 16位数据 . CLK 脚 ,串行时钟输入端 ,最高频率 10MHz,在时钟上升沿数据移位存入内部移位寄存器，当时钟下降沿时，数据由 Dout 输出， CLK 输入仅当 CS=0时有效 . SEGA~SEGG， SEGDP 脚 ,数码管七段驱动和小数点驱动端 ,关闭显示时各段驱动输出为高电平 . Iset脚 ,连接到 Vdd的电阻连接端 ,用来模拟设定各段驱动电流 . Vdd脚 ,5V正电压输入端 . Dout 脚 ,串行数据输出端 ,数据由 Din输入 ,经 Dout 引脚输出 ,此引脚用来扩展 MAX7221. 图 23 MAX7221 引脚图 16 路模拟开关选择 为达到分压的目的，必须选用多路开关，这里我选用 CC406716 选模拟开关。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 CC4067 是数字控制模拟开关，具有低导通阻抗，低截止漏电流和内部地址译码的特征。 另外，在整个输入信号范围内，导通电阻保持相对稳定。 CC4067 是 16 通 道开关，有四个二进制输入端 A0～ A3 和控制端 C，输入的任意一个组合可选择一路开关。 C＝ 1 时，关闭所有的通道。 CC4067 提供了 24 引线多层陶瓷双列直插（ D） 、熔封陶瓷 双列直插（ J） 、塑料双列直插（ P）和陶瓷片状载体（ C） 4 种封装形式。 1． 推荐工作条件： 电源电压范围„„„„ 3V～ 15V 输入电压范围„„„„ 0V～ 5VDD 工作温度范围 M 类„„„„－ 55℃～ 125℃ E 类„„„„ .－ 40℃～ 85℃ 2． 极限值： 电源电压„ － ～ 18V 输入电压„„－ ~VDD+ 输入电流„„„„„ .177。 10mA 储存温度„„„„－ 65℃～ 150℃ 3． 引出端符号： A0～ A3 地址端 C 控制端 I0/O0～ I15/O15 输入 /输出通道 O/I 公共输出 /输入端 VDD 正电源 VSS 地 4． 如下图所示为 CC4067 管脚图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 图 24 CC4067 管脚图 5． 逻辑表达式： 表 21 通道逻辑表达式 (a) 表 22 通道逻辑表达式 (b) 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 由上述逻辑通道可以很容易判断出所选的通道，及你要检测的电压。 Max232 通信串口 Max232 产品是由德州仪器公司（ TI）推出的一款兼容 RS232 标准的芯片。 由于电脑串口 rs232 电平是 10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是 TTL 电平 0 +5v,max232 就是用来进行电平转换的 ,该器件包含 2驱动器、 2 接收器和一个电压发生器电路提供 TIA/EIA232F 电平。 该器件符合 TIA/EIA232F 标准，每一个接收器将 TIA/EIA232F 电平转换成 5V TTL/CMOS 电平。 每一个发送器将 TTL/CMOS 电平转换成TIA/EIA232F 电平。 主要特点 1． 单 5V 电源工作； 2． LinBiCMOSTM 工艺技术； 3． 两个驱动器及两个接收器； 4． 177。 30V 输入电平； 5． 低电源电流：典型值是 8mA； 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 6． 符合甚至优于 ANSI 标准 EIA/TIA232E 及 ITU 推荐标准 ； 7． ESD 保护大于 MILSTD883（方 法 3015）标准的 2020V； 洛阳理工学 院毕业设计（论文） 14 第 3 章 硬件电路设计 采样电路设计 本论文研究的超级电容系统共有 16 只单体电容串联组成，为了全面的研究超级电容系统的特性，就需要对每只电容的状态进行监测，本系统对超级电容的监测指标为电压值，采用的方案是电阻分压后由多路开关切换通道送入 A/D 转换器。 分压电路 本系统的测试对象最高为 16 个单体超级电容串联而成的超级电容组，由于单体超级电容电压较低，一 般在 左右，故在测量单体电容的电压时，设计采用直接测量单体电容的电压差，但是由于超级电容串联后，电容两端电位升高，故在送入 A/D 转换器前对这个差分信号进行降压，方案为对每一路信号分别降压，即将每一路信号都送入降压网络，该降压网络由 16 组电阻组成，每组电阻由一个 10K 电阻和一个 19K 电阻串联而成，输入信号由每组电阻的两端进入，降压后的信号由两个电阻中间输出，输入、输出电压信号比值为 10。 具体电路如下： 洛阳理工学 院毕业设计（论文） 15 图 31 分压电路 通道切换电路 本设计中采用的 A/D 转换 器采样速率非常快，而被测电压值变化较慢为此，在分压电路之后设计一个通道切换电路，可以让 16 路采样电路共用一片 A/D 转换器，从而达到简化设计，节约成本的目的。 通道切换电路由一片 CD4067 构成 16 双通道模拟开关，由单片机控制进行通道切换。 具体电路图 31 所示： Led 显示电路 在本系统中，根据需要显示的数据，采用 1 个一位 8 段数码管（ 7SEGMPX8CCBLUE）显示。 为了简化设计和节省端口，选择串行接口静态显示方式。 在本电路中，该 8 段 LED 数码管与显示驱动芯片 max7221 相连，其 A，B， C， D，。