【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 者所關(guān)注。超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量可達(dá)到靜電電容器的 100 倍以上，同時(shí)功率密度比電池高出 10～ 100 倍。與靜電電容器相比其優(yōu)點(diǎn)是能量密度非常高，容量可達(dá)數(shù)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(fā)展趨勢(shì)看，超級(jí)電容主要是用來(lái)取代或部分取代電池。與電池相比，超級(jí)電容具有許多電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)： (1) 非常高的功率密度。超級(jí)電容器的放電電流可以達(dá)到上百安培，在大電流的應(yīng)用場(chǎng)合，超級(jí)電容器可以更 好的滿足功率的要求。 (2) 充放電速度快。超級(jí)電容器的一個(gè)充放電循環(huán)時(shí)間很短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蓄電池的充放電循環(huán)所需要的時(shí)間。這可以很好的滿足機(jī)車啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的時(shí)間要求。 (3) 使用壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容器的循環(huán)壽命可達(dá) 10 萬(wàn)次以上，比蓄電池壽命高 100 倍以上。 (4) 工作溫度范圍寬。超級(jí)電容器可以在 45～ 105℃ 的溫度范圍內(nèi)正常工作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通蓄電池的高溫和低溫性能。 超級(jí)電容的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 超級(jí)電容是一種新型的儲(chǔ)能元件，最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 60 年代，是由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)石油公司 (SOC)開始進(jìn)行 商業(yè)性研究。 70 年代末將超級(jí)電容用在了計(jì)算機(jī)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(yīng)類型的超級(jí)電容，并稱之為 Super capacitors， 1978 年日本 Panasonic／ Matsushita 公司將其產(chǎn)業(yè)化，開發(fā)出第一代商用的超級(jí)電容，其能量與功率可作為電腦的輔助電源。 1985 年以來(lái)，日本的 NEC／ Tokin 公司、松下公司生產(chǎn)的產(chǎn)品占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)，超級(jí)電容由此得到了迅速的發(fā)展，進(jìn)入商業(yè)化的應(yīng)用規(guī)模。 二十世紀(jì)九十年代，由于電動(dòng)汽車發(fā)展的迫切要求 ，超級(jí)電容的研究熱點(diǎn)進(jìn)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(fā)出可用于車輛起動(dòng)的超級(jí)電容，其容量達(dá)到 300F。 1996 年俄羅斯洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 Elytra 公司研制出了采用純電容器作電源的電動(dòng)汽車樣品，采用 300 個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)，可載 20 人，充電一次可行駛 12km，時(shí)速 25km／ h。美國(guó)國(guó)防部和能源部非常重視超級(jí)電容的開發(fā)和應(yīng)用，其中 Maxwell 公司生產(chǎn)的Power Cache 超級(jí)電容器，已由通用汽車公司 Allison Transmission Division組成并聯(lián)混合電源系統(tǒng)和串聯(lián)電 源系統(tǒng)用在貨車和汽車上 [1]。 課題的研究的目的與意義 超級(jí)電容作為一種新型電荷儲(chǔ)能元件，具有大容量、大電流快速充放電、壽命長(zhǎng)和無(wú)污染的優(yōu)異特性。但超級(jí)電容單體額定電壓很低，有機(jī)電解液雙電層超級(jí)電容器額定電壓只有 伏左右，因此在實(shí)際應(yīng)用中一般由多個(gè)超級(jí)電容通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合構(gòu)成超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊，以滿足儲(chǔ)能容量和電壓等級(jí)需要。然而受制造工藝影響，同一型號(hào)的超級(jí)電容單體之間的容量、等效并聯(lián)內(nèi)阻等參數(shù)各不相同，并且各個(gè)參數(shù)隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生變化。這樣在大電流充放電的時(shí)候，當(dāng)分壓高的電容已 經(jīng)充滿時(shí)，分壓低的單體還處于未充滿狀態(tài)。經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后，各個(gè)單體將處于相差很大的狀態(tài)。如不對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在使用過(guò)程中將對(duì)整個(gè)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(duì)超級(jí)電容的單體電壓檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)，可以對(duì)超級(jí)電容電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，為后續(xù)的電壓均衡提供依據(jù)。另外對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行時(shí)域建模，有利于更好的理解超級(jí)電容各物理參數(shù)的特性，從而為更有效的應(yīng)用超級(jí)電容提供依據(jù)。同時(shí)本課題的研究將為超級(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) [2]。 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： (1) 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。 (2) 數(shù)據(jù)顯示 通過(guò)程序控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)檢測(cè)每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。 (3) 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、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)合檢測(cè)并顯示電壓。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，可以組裝出許洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 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)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 [3]。 超 級(jí) 電 容 模 塊1 6 路 電 壓 采 集 模塊A / D 轉(zhuǎn) 換 模 塊微 處 理 器 8 9 C 5 1顯 示 模 塊通 信 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)是綽綽有洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 余了，但將用哪一種類 8 位的單片機(jī)呢。在這里，不得不先簡(jiǎn)單的介紹一下幾種常用的 8 位單片機(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)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件： CPU，內(nèi)存，總線系統(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了 51 的芯片核心專利技術(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，性價(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， 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 口地址線和數(shù)據(jù)線連接起來(lái)；另一方面，它將用戶下載的程序通過(guò)控制總線控制數(shù)據(jù)的輸入輸出，從而實(shí)現(xiàn)冊(cè)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(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)很洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 重要的環(huán)節(jié)。 1．常用的 A/D 芯片簡(jiǎn)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(zhuǎn)換器，它是由一個(gè) 8 路的模擬 開關(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(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 LTC1864 芯片。 LTC1864 采用 MSOP 封裝的微功率、 16 位、 250ksps 單通道和 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 [5]。 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； (5) SPI、 QSPI、 Micro wire等多種串行接口； 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 (6) 顯示位數(shù)可方便地進(jìn)行擴(kuò)展； . 2. MAX7221引腳介紹（見圖 23） 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。 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(guān)選擇 為達(dá)到分壓的目的，必須選用多路開關(guān)，這里我選用 CC4067— 16