【文章內容簡介】 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(jié)約能源的目的。 洛陽理工學院畢業(yè)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(jié)串聯和并聯起來。為方便裝配，一般將超級電容多節(jié)裝成一組 (如上海奧威公司一般 20 節(jié)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。 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(tài)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： 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 數據顯示 通過鍵盤，可查看任意一路通道采集到的參數值并通過 LED 數碼管顯示電壓值 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(fā)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、鍵盤與顯示電路、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、顯示模塊等的結合構建數字電壓表。由于單片機的發(fā)展已經成熟，利用單片機系統的軟硬件結合，可以組裝出許多的應用電路來。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）轉洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 6 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(guī)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。 微 處 理 器8 9 c 5 1顯 示 模 塊通 信 模 塊A / D 轉 換 模 塊1 6 路 電 壓 采 樣電 路 超 級 電 容 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余了，但將用哪一種類 8 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 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，具有一個完整洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 7 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(guī)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。 下圖所示為 89C51 管腳排列圖 : 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重要的環(huán)節(jié)。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 8 1．常用的 A/D 芯片簡介 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(tài)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，可支持致命傷個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。 TLC1864 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 TLC1864 芯片。 LTC1864 采用 MSOP 封裝的微功率、 16 位、 250ksps 單通道和道 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 。 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； 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 9 （ 5） SPI、 QSPI、 Micro wire等多種串行接口； （ 6）顯示位數可方便地進行擴展 . 2． MAX7221引腳介紹（見圖 1） 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. 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 CC406716 選模擬開關。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 10 CC4067 是數字控制模擬開關，具有低導通阻抗，低截止漏電流和內部地址譯碼的特征。另外，在整個輸入信號范圍內，導通電阻保持相對穩(wěn)定。 CC4067 是 16 通 道開關，有四個二進制輸入端 A0～ A3 和控制端 C，輸入的任意一個組合可選擇一路開關。 C＝ 1 時，關閉所有的通道。 CC4067 提供了 24 引線多層陶瓷雙列直插（ 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????－ 55℃～ 125℃ E 類???? .－ 40℃～ 85℃ 2． 極限值： 電源電壓? － ～ 18V 輸入電壓??－ ~VDD+ 輸入電流????? .177。 10mA 儲存溫度????－ 65℃～ 150℃ 3． 引出端符號： 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 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 11 圖 24 CC4067 管腳圖 5． 邏輯表達式： 表 21 通道邏輯表達式 (a) 表 22 通道邏輯表達式 (b) 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 12 由上述邏輯通道可以很容易判斷出所選的通道，及你要檢測的電壓。 Max232 通信串口 Max232 產品是由德州儀器公司（ TI）推出的一款兼容 RS232 標準的芯片。由于電腦串口 rs232 電平是 10v +10v，而一般的單片機應用系統的信號電壓是 TTL 電平 0 +5v,max232 就是用來進行電平轉換的 ,該器件包含 2驅動器、 2 接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供 TIA/EIA232F 電平。 該器件符合 TIA/EIA232F 標準，每一個接收器將 TIA/EIA232F 電平轉換成 5V TTL/CMOS 電平。每一個發(fā)送器將 TTL/CMOS 電平轉換成TIA/EIA232F 電平。 主要特點 1． 單 5V 電源工作； 2． LinBiCMOSTM 工藝技術； 3． 兩個驅動器及兩個接收器； 4． 177。 30V 輸入電平； 5． 低電源電流：典型值是 8mA； 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 13 6． 符合甚至優(yōu)于 ANSI 標準 EIA/TIA232E 及 ITU 推薦標準 ； 7． ESD 保護大于 MILSTD883（方 法 3015）標準的 2020V； 洛陽理工學 院畢業(yè)設計（論文） 14 第 3 章 硬件電路設計 采樣電路設計 本論文研究的超級電容系統共有 16 只單體電容串聯組成，為了全面的研究超級電容系統的特性，就需要對每只電容的狀態(tài)進行監(jiān)測，本系統對超級電容的監(jiān)測指標為電壓值，采用的方案是電阻分壓后由多路開關切換通道送入 A/D 轉換器。 分壓電路 本系統的測試對象最高為 16 個單體超級電容串聯而成的超級電容組，由于單體超級電容電壓較低，一 般在 左右，故在測量單體電容的電壓時，設計采用直接測量單體電容的電壓差，但是由于超級電容串聯后，電容兩端電位升高，故在送入 A/D 轉換器前對這個差分信號進行降壓，方案為對每一路信號分別降壓，即將每一路信號都送入降壓網絡，該降壓網絡由 16 組電阻組成，每組電阻由一個 10K 電阻和一個 19K 電阻串聯而成，輸入信號由每組電阻的兩端進入，降壓后的信號由兩個電阻中間輸出，輸入、輸出電壓信號比值為 10。 具體電路如下： 洛陽理工學 院畢業(yè)設計（論文） 15 圖 31 分壓電路 通道切換電路 本設計中采用的 A/D 轉換 器采樣速率非?？欤粶y電壓值變化較慢為此，在分壓電路之后設計一個通道切換電路，可以讓 16 路采樣電路共用一片 A/D 轉換器，從而達到簡化設計，節(jié)約成本的目的。通道切換電路由一片 CD4067 構成 16 雙通道模擬開關，由單片機控制進行通道切換。具體電路圖 31 所示： Led 顯示電路 在本系統中，根據需要顯示的數據，采用 1 個一位 8 段數碼管（ 7SEGMPX8CCBLUE）顯示。為了簡化設計和節(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 數碼管與顯示驅動芯片 max7221 相連，其 A，B， C， D，