基于单片机的超级电容毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的超级电容毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

者所关注。 超级电容存储的能量可达到静电电容器的 100 倍以上，同时功率密度比电池高出 10～ 100 倍。 与静电电容器相比其优点是能量密度非常高，容量可达数千法拉，但是它的耐压较低，受制于电解液的分解电压；漏电较大，容量随频率显著降低，所以可用作低频容性元件使用。 从发展趋势看，超级电容主要是用来取代或部分取代电池。 与电池相比，超级电容具有许多电池无法比拟的优点： (1) 非常高的功率密度。 超级电容器的放电电流可以达到上百安培，在大电流的应用场合，超级电容器可以更 好的满足功率的要求。 (2) 充放电速度快。 超级电容器的一个充放电循环时间很短，远远低于蓄电池的充放电循环所需要的时间。 这可以很好的满足机车启动、制动时的时间要求。 (3) 使用寿命长。 超级电容器的循环寿命可达 10 万次以上，比蓄电池寿命高 100 倍以上。 (4) 工作温度范围宽。 超级电容器可以在 45～ 105℃ 的温度范围内正常工作，远远优于普通蓄电池的高温和低温性能。 超级电容的发展及国内外研究现状 超级电容是一种新型的储能元件，最早出现在 20 世纪 60 年代，是由美国标准石油公司 (SOC)开始进行 商业性研究。 70 年代末将超级电容用在了计算机上， 1975 年及随后的几年， NEC 公司研究了基于 H 在 Pt 上的欠电位沉积， Ru02 的氧化还原反应类型的超级电容，并称之为 Super capacitors， 1978 年日本 Panasonic／ Matsushita 公司将其产业化，开发出第一代商用的超级电容，其能量与功率可作为电脑的辅助电源。 1985 年以来，日本的 NEC／ Tokin 公司、松下公司生产的产品占领国际市场，超级电容由此得到了迅速的发展，进入商业化的应用规模。 二十世纪九十年代，由于电动汽车发展的迫切要求 ，超级电容的研究热点进入到了大功率和大能量上。 1991 年，俄罗斯 Fecund 公司和 ELIT 公司开发出可用于车辆起动的超级电容，其容量达到 300F。 1996 年俄罗斯洛阳理工学院毕业设计（论文） 4 Elytra 公司研制出了采用纯电容器作电源的电动汽车样品，采用 300 个超级电容串联，可载 20 人，充电一次可行驶 12km，时速 25km／ h。 美国国防部和能源部非常重视超级电容的开发和应用，其中 Maxwell 公司生产的Power Cache 超级电容器，已由通用汽车公司 Allison Transmission Division组成并联混合电源系统和串联电 源系统用在货车和汽车上 [1]。 课题的研究的目的与意义 超级电容作为一种新型电荷储能元件，具有大容量、大电流快速充放电、寿命长和无污染的优异特性。 但超级电容单体额定电压很低，有机电解液双电层超级电容器额定电压只有 伏左右，因此在实际应用中一般由多个超级电容通过串联和并联的方式组合构成超级电容储能模块，以满足储能容量和电压等级需要。 然而受制造工艺影响，同一型号的超级电容单体之间的容量、等效并联内阻等参数各不相同，并且各个参数随着时间的推移会发生变化。 这样在大电流充放电的时候，当分压高的电容已 经充满时，分压低的单体还处于未充满状态。 经过多次循环后，各个单体将处于相差很大的状态。 如不对超级电容进行实时检测，在使用过程中将对整个组件的性能造成极大的影响。 本课题的研究理论意义在于对超级电容的单体电压检测方案的设计，可以对超级电容电压进行实时检测，为后续的电压均衡提供依据。 另外对超级电容进行时域建模，有利于更好的理解超级电容各物理参数的特性，从而为更有效的应用超级电容提供依据。 同时本课题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 [2]。 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： (1) 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。 (2) 数据显示 通过程序控制，可实现自动循环检测每一路通道采集到的参数值并通过 LED 数码管显示电压值。 (3) 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、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、显示模块等的结合检测并显示电压。 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，可以组装出许洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 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 [3]。 超 级 电 容 模 块1 6 路 电 压 采 集 模块A / D 转 换 模 块微 处 理 器 8 9 C 5 1显 示 模 块通 信 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洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 余了，但将用哪一种类 8 位的单片机呢。 在这里，不得不先简单的介绍一下几种常用的 8 位单片机。 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 [4]。 下图所示为 89C51 管脚排列图 : 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 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洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 重要的环节。 1．常用的 A/D 芯片简介 常用的 A/D 芯片有 AD0809， AD0832， LTC1864 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。 LTC1864 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 LTC1864 芯片。 LTC1864 采用 MSOP 封装的微功率、 16 位、 250ksps 单通道和 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 [5]。 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； (5) SPI、 QSPI、 Micro wire等多种串行接口； 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 (6) 显示位数可方便地进行扩展； . 2. MAX7221引脚介绍（见图 23） 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。 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 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 CC4067— 16。