【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的研究將為超級(jí)電容在能量回收系統(tǒng)中的應(yīng)用提供有利支持，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 超級(jí)電容電壓檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 超級(jí)電容電壓檢測(cè)系統(tǒng)概述 由于超級(jí)單體電壓很低，為獲得較高的電壓和容量，常常將其多節(jié)串聯(lián)和并聯(lián)起來(lái)。為方便裝配，一般將超級(jí)電容多節(jié)裝成一組 (如上海奧威公司一般 20 節(jié)串聯(lián)裝成一箱 )，組之間再進(jìn)行串并聯(lián)。為了便于檢測(cè)，也將超級(jí)電容的電壓檢測(cè)電路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。 超級(jí)電容測(cè)試系統(tǒng)是對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行研究的基礎(chǔ)部分，系統(tǒng)的主要作用是采集與電容特性有關(guān)的狀態(tài)值，比如電壓、電流、溫度等，為接下來(lái)的研究工作提供詳細(xì)、可靠的數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下： 電壓采集 16 路參數(shù)采集通道，能采集超級(jí)電容系統(tǒng)的單個(gè)電容的電壓值及總電壓，電壓信號(hào)采集范圍 0～ 5V 數(shù)據(jù)顯示 通過(guò)鍵盤(pán)，可查看任意一路通道采集到的參數(shù)值并通過(guò) LED 數(shù)碼管顯示電壓值 串行通信 能夠通過(guò)串行通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將采集到的參數(shù)值發(fā)送至上位機(jī)處理 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)研究的是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器充放電電壓的測(cè)試。因此，本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)控制的超級(jí)電容測(cè)試系統(tǒng)，主要由單片機(jī)控制電路、采樣電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤(pán)與顯示電路、串行通信電路等組成。這種方案是利用單片機(jī)系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片、顯示模塊等的結(jié)合構(gòu)建數(shù)字電壓表。由于單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)成熟，利用單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合，可以組裝出許多的應(yīng)用電路來(lái)。此方案的原理是模數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端，被測(cè)量電壓輸入端分別輸入基準(zhǔn)電壓和被測(cè)電壓。模數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 換芯片將被測(cè)量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，使單片機(jī)系統(tǒng)能按規(guī)定的時(shí)序來(lái)采集這些數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定的算法計(jì)算出被測(cè)量電壓的值。最后單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算好了的被測(cè)電壓值按一定的時(shí)序送入顯示電路模塊加以顯示。 微 處 理 器8 9 c 5 1顯 示 模 塊通 信 模 塊A / D 轉(zhuǎn) 換 模 塊1 6 路 電 壓 采 樣電 路 超 級(jí) 電 容 模塊 圖 21 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 各個(gè)模塊中心器件的選擇 單片機(jī)的選擇 在這一設(shè)計(jì)中，我們涉及到了一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)模塊 —— 單片機(jī)系統(tǒng)模塊，而目前單片機(jī)的種類(lèi)是很繁多的，主要有主流的 8 位單片機(jī)和高性能的 32位單片機(jī)，結(jié)合本設(shè)計(jì)各方面因素， 8 位單片機(jī)對(duì)于本設(shè)計(jì)已經(jīng)是綽綽有余了，但將用哪一種類(lèi) 8 的單片機(jī)呢。在這里，不得不先簡(jiǎn)單的介紹一下幾種常用的 8 單片機(jī)。 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有一個(gè)完整洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件： CPU，內(nèi)存，總線(xiàn)系統(tǒng)等。而目前常用的單片機(jī)的 8 位有 51 系列單片機(jī)， AVR 單片機(jī)， PIC 單片機(jī)。 應(yīng)用最廣的 8 位單片機(jī)還是 Intel 的 51 系列單片機(jī)。 51 系列單片機(jī)的特點(diǎn)是：硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史悠久，世界有許多芯片公司都買(mǎi)了 51 的芯片核心專(zhuān)利技術(shù)，并在其基礎(chǔ)上擴(kuò)充其性能，使得芯片的運(yùn)行速度變得更快，性?xún)r(jià)比更高。 本設(shè)計(jì)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(jī)，片內(nèi)含 8KB 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和 256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 32 個(gè) I/O 口線(xiàn)， 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，并與 MCS51 系列單片機(jī)兼容。在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)起著連接硬件電路與程序運(yùn)行及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的任務(wù)，一方面，它將 A/D 轉(zhuǎn)換器、顯示器和語(yǔ)音芯片等通過(guò) I/O 口地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)連接起來(lái)；另一方面，它將用戶(hù)下載的程序通過(guò)控制總線(xiàn)控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，從而實(shí)現(xiàn)冊(cè)電壓的功能。 下圖所示為 89C51 管腳排列圖 : 圖 22 AT89C51 引腳排列 模數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)換芯片的選擇 在本設(shè)計(jì)中，模數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)換模塊是一個(gè)重要的模塊，它關(guān)系到最后數(shù)電壓表電壓值的精確度。所以， A/D 芯片的選擇是設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 1．常用的 A/D 芯片簡(jiǎn)介 常用的 A/D 芯片有 AD0809， AD0832， TLC1864 等幾種。 AD0809 是8 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，它是由一個(gè) 8 路的模擬 開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成 。 多路開(kāi)關(guān)可選通 8個(gè)模擬通道，允許 8 路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 些A/D 轉(zhuǎn)換器是的特點(diǎn)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(zhuǎn)換器，可支持致命傷個(gè)單端輸入通道和一個(gè)差分輸入通道。它易于和微處理器接口或獨(dú)立使用；可滿(mǎn)量程工作；可用地址邏輯多路器選通各輸入通道。 TLC1864 是 16 位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換，每個(gè)器件有四個(gè)控制輸入端，片選，輸入 /輸出時(shí)鐘以及地址輸入端。它可以從主機(jī)高速傳輸轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。它有高速的轉(zhuǎn)換，通用的控制能力，具有簡(jiǎn)化比率轉(zhuǎn)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(diǎn)。 綜合上述幾種 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的特點(diǎn) ，前兩種芯片的性能和精度都不如第三種芯片。在本設(shè)計(jì)中，我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)高精度的電壓表，因此在此，我們選擇精度為 16 位的 TLC1864 芯片。 LTC1864 采用 MSOP 封裝的微功率、 16 位、 250ksps 單通道和道 ADC 特點(diǎn) ,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(dòng)停機(jī)功能可把電源電流減小至 2μA (在 1ksps) ,真正的差分輸入 。 顯示器件的選擇 本次設(shè)計(jì)中有顯示模塊，設(shè)計(jì)要求顯示最后電壓的數(shù) 字值并且要精確到。 1． MAX7221 的功能特點(diǎn) （ 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(guān)閉）； （ 4）數(shù)字和模擬雙重亮度控制； 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 （ 5） SPI、 QSPI、 Micro wire等多種串行接口； （ 6）顯示位數(shù)可方便地進(jìn)行擴(kuò)展 . 2． MAX7221引腳介紹（見(jiàn)圖 1） Din腳 ,串行數(shù)據(jù)輸入端 ,數(shù)據(jù)存入內(nèi)部 16位移位寄存器 . DIG0~DIG7腳 ,8位共陰極數(shù)碼管的控制輸入端，顯示關(guān)閉時(shí)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(dāng) CS=0時(shí) ,串行數(shù)據(jù)存入移位寄存器 ,當(dāng) CS為上升沿時(shí)鎖存最后 16位數(shù)據(jù) . CLK 腳 ,串行時(shí)鐘輸入端 ,最高頻率 10MHz,在時(shí)鐘上升沿?cái)?shù)據(jù)移位存入內(nèi)部移位寄存器，當(dāng)時(shí)鐘下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)由 Dout 輸出， CLK 輸入僅當(dāng) CS=0時(shí)有效 . SEGA~SEGG， SEGDP 腳 ,數(shù)碼管七段驅(qū)動(dòng)和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)端 ,關(guān)閉顯示時(shí)各段驅(qū)動(dòng)輸出為高電平 . Iset腳 ,連接到 Vdd的電阻連接端 ,用來(lái)模擬設(shè)定各段驅(qū)動(dòng)電流 . Vdd腳 ,5V正電壓輸入端 . Dout 腳 ,串行數(shù)據(jù)輸出端 ,數(shù)據(jù)由 Din輸入 ,經(jīng) Dout 引腳輸出 ,此引腳用來(lái)擴(kuò)展 MAX7221. 圖 23 MAX7221 引腳圖 16 路模擬開(kāi)關(guān)選擇 為達(dá)到分壓的目的，必須選用多路開(kāi)關(guān)，這里我選用 CC406716 選模擬開(kāi)關(guān)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 CC4067 是數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)，具有低導(dǎo)通阻抗，低截止漏電流和內(nèi)部地址譯碼的特征。另外，在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻保持相對(duì)穩(wěn)定。 CC4067 是 16 通 道開(kāi)關(guān)，有四個(gè)二進(jìn)制輸入端 A0～ A3 和控制端 C，輸入的任意一個(gè)組合可選擇一路開(kāi)關(guān)。 C＝ 1 時(shí)，關(guān)閉所有的通道。 CC4067 提供了 24 引線(xiàn)多層陶瓷雙列直插（ D） 、熔封陶瓷 雙列直插（ J） 、塑料雙列直插（ P）和陶瓷片狀載體（ C） 4 種封裝形式。 1． 推薦工作條件： 電源電壓范圍???? 3V～ 15V 輸入電壓范圍???? 0V～ 5VDD 工作溫度范圍 M 類(lèi)????－ 55℃～ 125℃ E 類(lèi)???? .－ 40℃～ 85℃ 2． 極限值： 電源電壓? － ～ 18V 輸入電壓??－ ~VDD+ 輸入電流????? .177。 10mA 儲(chǔ)存溫度????－ 65℃～ 150℃ 3． 引出端符號(hào)： A0～ A3 地址端 C 控制端 I0/O0～ I15/O15 輸入 /輸出通道 O/I 公共輸出 /輸入端 VDD 正電源 VSS 地 4． 如下圖所示為 CC4067 管腳圖 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 24 CC4067 管腳圖 5． 邏輯表達(dá)式： 表 21 通道邏輯表達(dá)式 (a) 表 22 通道邏輯表達(dá)式 (b) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 由上述邏輯通道可以很容易判斷出所選的通道，及你要檢測(cè)的電壓。 Max232 通信串口 Max232 產(chǎn)品是由德州儀器公司（ TI）推出的一款兼容 RS232 標(biāo)準(zhǔn)的芯片。由于電腦串口 rs232 電平是 10v +10v，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是 TTL 電平 0 +5v,max232 就是用來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的 ,該器件包含 2驅(qū)動(dòng)器、 2 接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供 TIA/EIA232F 電平。 該器件符合 TIA/EIA232F 標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將 TIA/EIA232F 電平轉(zhuǎn)換成 5V TTL/CMOS 電平。每一個(gè)發(fā)送器將 TTL/CMOS 電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA232F 電平。 主要特點(diǎn) 1． 單 5V 電源工作； 2． LinBiCMOSTM 工藝技術(shù)； 3． 兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器及兩個(gè)接收器； 4． 177。 30V 輸入電平； 5． 低電源電流：典型值是 8mA； 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 6． 符合甚至優(yōu)于 ANSI 標(biāo)準(zhǔn) EIA/TIA232E 及 ITU 推薦標(biāo)準(zhǔn) ； 7． ESD 保護(hù)大于 MILSTD883（方 法 3015）標(biāo)準(zhǔn)的 2020V； 洛陽(yáng)理工學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 采樣電路設(shè)計(jì) 本論文研究的超級(jí)電容系統(tǒng)共有 16 只單體電容串聯(lián)組成，為了全面的研究超級(jí)電容系統(tǒng)的特性，就需要對(duì)每只電容的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容的監(jiān)測(cè)指標(biāo)為電壓值，采用的方案是電阻分壓后由多路開(kāi)關(guān)切換通道送入 A/D 轉(zhuǎn)換器。 分壓電路 本系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象最高為 16 個(gè)單體超級(jí)電容串聯(lián)而成的超級(jí)電容組，由于單體超級(jí)電容電壓較低，一 般在 左右，故在測(cè)量單體電容的電壓時(shí)，設(shè)計(jì)采用直接測(cè)量單體電容的電壓差，但是由于超級(jí)電容串聯(lián)后，電容兩端電位升高，故在送入 A/D 轉(zhuǎn)換器前對(duì)這個(gè)差分信號(hào)進(jìn)行降壓，方案為對(duì)每一路信號(hào)分別降壓，即將每一路信號(hào)都送入降壓網(wǎng)絡(luò)，該降壓網(wǎng)絡(luò)由 16 組電阻組成，每組電阻由一個(gè) 10K 電阻和一個(gè) 19K 電阻串聯(lián)而成，輸入信號(hào)由每組電阻的兩端進(jìn)入，降壓后的信號(hào)由兩個(gè)電阻中間輸出，輸入、輸出電壓信號(hào)比值為 10。 具體電路如下： 洛陽(yáng)理工學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 31 分壓電路 通道切換電路 本設(shè)計(jì)中采用的 A/D 轉(zhuǎn)換 器采樣速率非?？?，而被測(cè)電壓值變化較慢為此，在分壓電路之后設(shè)計(jì)一個(gè)通道切換電路，可以讓 16 路采樣電路共用一片 A/D 轉(zhuǎn)換器，從而達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，節(jié)約成本的目的。通道切換電路由一片 CD4067 構(gòu)成 16 雙通道模擬開(kāi)關(guān)，由單片機(jī)控制進(jìn)行通道切換。具體電路圖 31 所示： Led 顯示電路 在本系統(tǒng)中，根據(jù)需要顯示的數(shù)據(jù)，采用 1 個(gè)一位 8 段數(shù)碼管（ 7SEGMPX8CCBLUE）顯示。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和節(jié)省端口，選擇串行接口靜態(tài)顯示方式。 在本電路中，該 8 段 LED 數(shù)碼管與顯示驅(qū)動(dòng)芯片 max7221 相連，其 A，B， C， D，