基于单片机的超级电容.docx

基于单片机的超级电容.docx

《基于单片机的超级电容.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的超级电容.docx（54页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的超级电容

超级电容测试系统

摘要

近年来，随着工农业的迅速发展，世界能源消耗速度急剧增加。

因此，新能源和节能技术的开发已经成为世界各国科技工作者的当务之急。

而机车制动能量回收系统是目前国内外节能技术方面研究的热点之一。

对超级电容电压检测方案的研究和对超级电容时域模型的研究，将为超级电容的电压均衡方案和超级电容的电参数分析提供支持，从而为整个能量回收系统的控制策略提供理论依据。

本文首先对超级电容的发展及应用进行了探讨，主要针对串联超级电容组的充放电电压随时间变化的曲线设计了一个基于单片机的超级电容测试系统，可对超级电容在各种状态下的输出电压变化曲线进行测试。

该系统的设计思想是从超级电容组的各个单体电容两端采集电压信号，并通过电阻降压网络和多路开关通道切换电路将电压信号送至A/D转换器，单片机接收来自A/D转换器的数据，并通过程序控制在显示电路中显示，系统还设计了上位机部分，可对采集到的电压数据进行分析和保存等处理。

系统的软硬件设计都基于模块化思想，硬件部分设计有采样电路、A/D转换电路、显示电路等，软件可分为上位机和下位机两部分，上位机基于VisualC++6.0设计了一个可视化界面，方便操作，下位机有A/D转换、LED显示等子程序，各个部分相互独立，方便主程序调用，便于修改，也简化了程序设计工作。

论文设计的基于AT89C51的超级电容测试系统可对超级电容在各种情况下的电压变化情况进行测试，并收集数据送至上位机分析处理，这对于超级电容的研究和应用都具有非常重要的作用。

关键词：

超级电容，电压检测，proteus，VisualC++

Supercapacitortestsystem

ABSTRACT

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofindustryandagriculture,worldenergyconsumptionrateincreaseddramatically.Therefore,thedevelopmentofnewenergyandenergy-savingtechnologyhasbecomeascienceandtechnologyworkersoftheworld'stoppriority.Andlocomotivebrakingenergyrecoverysystemathomeandabroadandenergysavingtechnologyisoneofthehotspotintheresearch,Studiesofsupercapacitorvoltagedetectionschemeandontime-domainmodelofsupercapacitor,supercapacitorvoltagebalancingofelectricalparameteranalysisofprogrammesandSupercapacitorstoprovidesupport,soastocontrolstrategyprovidesthetheoreticalbasisfortheentireenergyrecoverysystem.Thereforethesetwostudieswillbethroughoutthecorecontentofthepaper.

Inthispaper,first,thedevelopmentandapplicationofsupercapacitorisdiscussed,mainlyinseriessupercapacitorgroupofcharginganddischargingvoltagechangingwithtimecurvebasedonsinglechipdesignatestingsystem,thesupercapacitorcanbesupercapacitanceinvariousstatesoftheoutputvoltagechangingcurvesundertest.Designideasofthesystemofsupercapacitorgroupfromeverysinglecapacitorvoltagesignal,andendsacquisitionbyresistancestep-downnetworkandmulti-channelswitchchannelsswitchingcircuitwillvoltagesignalsenttotheA/Dconverter,microcontrollerreceivesignalsfromA/Dconverterdata,andthroughthekeyboardcontrolinthedisplaycircuitsshowedthatthesystemalsodevisedaPCparts,butforthecollectedvoltagedataisanalyzedandsaveprocessing.Systembasedonthedesignofthesoftwareandhardwaredesignofhardwarepart,modularthoughtAsamplingcircuit,A/Dcircuit,keyboardanddisplaycircuit,etc,thesoftwarecanbedividedintothePCandlowerplacemachinetwoparts,PCbasedonVisualc++6.0designAVisualinterface,easyoperation,lowerlevelcomputerhaveA/Dconversion,keypadscanning,LEDdisplayDengZiprogram,andpartsofindependent,convenientLordprocedurecall,facilitatemodification,alsosimplifiestheprogramdesignwork.

ThepaperbasedonAT89C51isdesignedtotestsystemcansupercapacitorinvariouscircumstancessupercapacitorvoltagechangeofthesituation,andcollecttestdatasentfirstplacemachineanalysis,thisregardingthesupercapacitorresearchandapplicationplaysaveryimportantrole.

KEYWORDS:

Supercapacitor,voltagedetection,proteus,VisualC++

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

目　录

前　言

当今世界，随着工农业生产的迅速发展和交通工具需求的增加，世界能源消耗速度急剧增加；而另一方面目前世界各国已经探明的煤炭、石油、天然气等常规能源剩余储量及可开采年限十分有限。

目前人类正面临着前所未有的能源危机。

中国人口众多、经济发展迅速，对能源的需求大幅度上升，而相对匮乏的能源储量已经使得我国在能源安全方面存在着十分危险的潜在危机。

新能源和节能技术的开发已经成为我国科技工作者的当务之急。

电机作为动力系统必要的组成部分，广泛应用于各个领域。

在许多场合下要求电机频繁的启动和制动，尤其是城市轨道交通中更加频繁。

电机在制动时由于惯性会伴随着很大的机械动能。

像目前国内地铁机车在制动时牵引电机产生的制动能量除了一定比例通过回馈到电网被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分采用电阻能耗的方式消耗掉。

这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使城市轨道建设费用和运行费用增加。

如果能将电机制动能量回收再利用，将会带来巨大的经济效益，而且有利于节约能源消耗，减少环境污染，将为我国建设节约型社会做出巨大贡献。

在上述特殊要求的推动下，超级电容器（电化学电容器）逐渐成为了人们的研究热点，它在新型清洁能源，频繁起动和制动的城市公交车和轨道交通等领域有着独特的优越性。

它是一种电容器件但与常规电容器不同，其容量可达到法拉级甚至数万法拉而且能在电极端电压超过额定电压的过充电状态下不被击穿。

超级电容作为一种理想的新型能源器件，它在众多的应用领域里弥补了常规储能器件的单方面缺陷。

除此外它还具有内阻小、充电速度快、充放电效率高、循环寿命长、无污染等独特的优点。

第1章超级电容概述

1.1超级电容简介

1.1.1超级电容定义

超级电容器又称超大容量电容器、金电容、黄金电容、储能电容、法拉电容、电化学电容器或双电层电容器（英文名称为EDLC，即ElectricDoubleLayerCapacitors），是靠极化电解液来存储电能的新型电化学装置。

它是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件，其批量生产不过几年时间。

超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。

超级电容器在汽车、铁路、电力、电子、通信、国防等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。

1.1.2超级电容分类

目前，关于超级电容器的分类方法并未完全统一，有超级电容器（Supercapacitor），超电容器（Ultracapacitor），电化学电容器（ElectrochemicalCapacitor），超大容量电容器等名称，也有的称为双电荷层电容器（ElectricDouble．LayerCapacitor，EDLC）或双电层电容器（DoubleLayerCapacitor，DLC）。

有些称谓从某种意义上说有些欠妥。

目前较为合理的观点是将超级电容容器分为双电层电容器（ElectricDoubleLayerCapacitor，EDLC）和电化学电容器（ElectrochemicalCapacitor）两大类。

其中，双电层电容器以活性碳等多孔介质为电极活性材料，充电时依靠在介质表面吸附的电荷进行电能储存，放电时释放全部被吸附的电荷V1。

由于它的储能、释放过程类似物理电容，因此其放电时的功率输出密度很大，一般超过1KW／L，因此非常适合需要大功率应用的场合。

而法拉第准电容器是通过特殊的电化学过程储能的。

最近又出现了分别采用电池材料和活性炭材料为两极混合型超级电容器。

1.1.3超级电容的特点

作为介于传统物理电容器和电池之间的新型储能系统，超级电容兼具前两者的优点，逐步为各国科研工作者所关注。

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。

1.1.4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Supercapacitors，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PowerCache超级电容器，已由通用汽车公司AllisonTransmissionDivision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]。

1.1.5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2.5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。

第2章超级电容电压检测系统总体设计

2.1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。

2.2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]。

图2-1系统总体设计图

2.3各个模块中心器件的选择

2.3.1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MCS-51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