【正文】 管腳相連，而其位選信號(hào)分別與 MAX7221 的 DIG0， DIG1， DIG2，DIG3， DIG4， DIG5， DIG6， DIG7 管腳相連，由 MAX7221 控制 LED 管的顯示。具體電路圖 31 所示： 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 LED 顯示電路 本系統(tǒng)中，根據(jù)需要顯示的數(shù)據(jù)，采用數(shù)碼管（ 7SEGMPX8CCBLUE）顯示。 本設(shè)計(jì)中采用的 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣速率非?？欤粶y(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。 30V 輸入電平； 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 (5) 低電源電流：典型值是 8mA； (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 20xxV； 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) 采樣分壓電路設(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 [8]。每一個(gè)發(fā)送器將 TTL/CMOS 電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA232F 電平 [7]。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 個(gè)驅(qū)動(dòng)器、 2 個(gè)接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA232F 電平。10mA 儲(chǔ)存溫度??? … － 65℃ ～ 150℃ 3. 引出端符號(hào)： 表 21 CC4067 引出端符號(hào) A0～ A3 地址端 C 控制端 I0/O2 ～ 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 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 24 CC4067 管腳圖 ： 表 22 通道邏輯表達(dá)式 (a) 輸入 導(dǎo)通通道 C A3 A2 A1 A0 L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L H H H H L L H H L L H H L H L H L H L H I0/O0←→ I/O I1/O1←→ I/O I2/O2←→ I/O I3/O3←→ I/O I4/O4←→ I/O I5/O5←→ I/O I6/O6←→ I/O I7/O7←→ I/O 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 表 23 通道邏輯表達(dá)式 (b) 輸入 導(dǎo)通通道 C A3 A2 A1 A0 L L L L L L L L H H H H H H H H L L L L H H H H L L H H L L H H L H L H L H L H I8/O8←→ I/O I9/O9←→ I/O I10/O10←→ I/O I11/O11←→ I/O I12/O12←→ I/O I13/O13←→ I/O I14/O14←→ I/O I15/O15←→ I/O 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。 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)等 4 種封裝形式 [6]。 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)。 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。 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。 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。 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。 GND 腳，接地端， 4和 9腳都要接地。 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(jiàn)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。 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]。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。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)。 LTC1864 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。 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。 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。 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。 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。 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。 應(yīng)用最廣的 8 位單片機(jī)還是 Intel 的 51 系列單片機(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。 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。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。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)。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。 (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。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。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]。 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)。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)。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。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)。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。美國(guó)國(guó)防部和能源部非常重視超級(jí)電容的開(kāi)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]。 1991 年，俄羅斯 Fecund 公司和 ELIT 公司開(kāi)發(fā)出可用于車輛起動(dòng)的超級(jí)電容，其容量達(dá)到 300F。 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。 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(kāi)始進(jìn)行 商業(yè)性研究。 (4) 工作溫度范圍寬。 (3) 使用壽命長(zhǎng)。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。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。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。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。最近又出現(xiàn)了分別采用電池材料和活性炭材料為兩極混合型超級(jí)電容器。由于它的儲(chǔ)能、釋放過(guò)程類似物理電容，因此其放電時(shí)的功率輸出密度很大，一般超過(guò) 1KW／ L，因此非常