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基于PIC16F877A单片机控制的恒流电源测试系统的设计与实现 共34页.pdf
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2022-06-12
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本文设计了一个可以用作对于超级电容器充放电的过程进行测试的系统,它采用了PIC16F877A单片机控制,可用于其充放电过程中的测试与采样。该论文分为三个大的部分。第一部分是由恒流源组成的超级电容器充放电电路。其中有恒流源为其充电,提供稳定的电流源,而超级电容器的电能释放是依靠电子负载来完成的。第二部分的单片机的控制系统选择了PIC16F877A的单片机组成。在其充放电过程中,通过采样电路对其电流值和超级电容器的端电压进行随时采样,并根据采集到的电压数据和电流数据调整输出电流,使其达到能输出精确度较高的电流的目的。根据采集到的电压值与设定值相比较,判断其是充电还是放电过程。在整个充放电过程中运用了运放控制来控制功率管的导通和关闭,通过比较反馈电路中采集到的信号值来调整脉宽宽度和开关导通时间来实现恒流输出。第三部分是电源电路以及一些外围辅助电路组成(包括电压、电流采样的反馈电路以及D/A转换模块和键盘、显示器接口等)。软件模块采用了模块化的方式,把子程序和主程序分开设计。论文中详细列出各部分程序的流程图。综上各部分功能组成了本设计系统,最终达到了对超级电容器恒流充放电过程的测试目的。
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毕业设计(论文)纸
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I
目录
第 1 章 绪论.................................................................................................................1
1.1 课题的研究背景................................................................................................ 1
1.2 课题的目的与任务............................................................................................ 4
第 2 章 系统总体方案设计.........................................................................................5
2.1 系统性能指标.................................................................................................... 5
2.2 总体方案设计.................................................................................................... 5
第 3 章 系统硬件电路设计.........................................................................................7
3.1 单片机控制电路................................................................................................ 7
3.1.1 PIC16F877A 单片机简介............................................................................ 7
3.1.2 PIC 单片机的最小系统............................................................................... 8
3.2 D/A 模块设计................................................................................................... 10
3.3 开关电源电路设计.......................................................................................... 10
3.4 充放电主电路设计...........................................................................................11
3.4.1 继电器驱动电路设计................................................................................11
3.4.2 充电电路设计............................................................................................13
3.4.3 放电电路设计............................................................................................14
3.5 采样电路设计.................................................................................................. 14
3.6 控制及反馈电路设计...................................................................................... 15
3.7 键盘接口设计.................................................................................................. 17
3.8 显示器接口设计.............................................................................................. 18
第 4 章 系统软件设计...............................................................................................20
4.1 系统主程序设计.............................................................................................. 20
4.2 系统各部分功能子程序设计.......................................................................... 21
4.2.1 初始化子程序设计....................................................................................21
4.2.2 AD 转换子程序设计.................................................................................. 21
4.2.3 键盘扫描子程序设计................................................................................22
4.2.4 显示器驱动子程序设计............................................................................24
4.2.5 延时子程序设计........................................................................................25
4.2.6 充放电子程序设计....................................................................................26
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II
第 5 章 结论...............................................................................................................27
环境保护与社会经济效益
.........................................................................................28
致谢.............................................................................................................................29
参考文献.....................................................................................................................30
附录
.............................................................................................................................32
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第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景
1.1.1 超级电容器概述
(1) 超级电容器的原理
超级电容器是最近几年来出现并发展起来的电能储蓄新设备,它是采用在
化学溶液以及电极板之间组成一个双层的电荷层,从而储存电能。在其内部,
由于不同离子之间的相互作用力,当电极液和电极相互接触时,电离子会在电
解液里产生两层符号相反并且十分稳定的电荷层。把两层作为两个电极板,当
其悬浮在电解质当中,由于电压的作用,分为正极板和负极板,分别由于原子
作用力吸引电解质当中的正离子和负离子朝着两电极板聚集,过一段时间后也
就形成了一个双电层电容器,即超级电容器。超级电容器的正极板和负极板分
别使用了金属氧化物和活性炭,其容量的大小与其电解质相关。
超级电容器是采用金属材料电极与化学溶液间组成界面双电层的电能储蓄
设备,在化学溶液两端设置两个不同极性的电极板,当两个电极板分别正极和
负极不同极性的时候,在电极表面,电解液当中的不规则分子受静电荷的作用
不断的被吸引,按照极性不同的规则,不同的电子分布在不同的电极板两侧,
随着其正负离子的不断聚集,就会形成一个电极板的表面电荷个数与电解液里
面的电荷个数一样并且正负极不同的电荷层。在化学溶液当中设置一个离子隔
离板,这样在化学溶液当中的不同极性的离子便不会发生中和还原反应,从而
使得左右两侧分别为不同极性的离子,两侧的离子便组成了两个电荷层,即双
层电容器。它的内部结构图如图 1.1 所示。
图 1.1 超级电容器内部结构示意图
在充电过程中,正负两个电极板通电后呈现对阴阳离子的吸附能力,在正
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负静电荷的吸引力下,阴阳离子聚集在两个电极板表面,这便是充电储能的过
程;在放电的时候,两个固体电极表面的电压消失,阳离子也便离开了电极板
表面,回到化学溶液中,因为电荷之间的作用力产生放电,从而实现放电过程。
这种储能的方式,可以承受其进行超大电流的充放电测试,并且电容器容量的
大小与使用电极材料的有效比表面积反正比。另外超级电容器除了双层电容的
结构原理之外还有一种利用法拉第反应构成的电容器,工作原理是利用电极表
面一定电位范围内的快速快速法拉利反应实现储能的,两侧电极的原料通常使
用有较大接触面积以及孔洞较多的氧化物构成,其电解液采用接触面积比较大
的化学活性物质材料。在其充电过程中,因为电极是由金属氧化物组成的,所
以在电的催化作用下,快速发生氧化反应,从而储存大量的电荷;在其放电过
程中由于氧化物和化学溶液的本身特性,就会发生还原反应,这样之前储存的
电荷离子重新返回到电解液当中,从而使得电容器达到放电的目的。
超级电容器的高功率大容量的特点便是由这两种原理产生的,因此为了提
它的性能参数可以分为两个途径,一个是提高电极材料的有效比表面积以及它
的极化电位,第二个便是提高电极材料的法拉第反应效率和活性。
(2) 超级电容器特点
和老式的化学电池相比较,超级电容器有非常多的优点,大体表现为以下
几点:
a. 它的功率密度远远高于化学电池的平均水平,最高可达到 102~
104W/kg
。
b. 它的使用寿命非常长。经测试,在短时间内,在多达 100 多万次的
循环充电测试过程之后,超级电容器的容量和内阻仅仅只是降低了 10%~
20%
不到。
c. 工作温度允许范围大。由于电极材料的原因,即使温度发生剧烈变
化,电容液当中的离子吸附以及离子分离的能留都不会产生较大的变化,
因此超级电容器工作温度范围可达
-40
~
80℃
的工作温限宽。
d. 没有维护成本,由于超级电容器有其自身的特点,提供极其稳定的
充电和放电能力效率,原理上来讲,基本上不需要维护。
e.
较高的充放电效率。因为在超级电容器的内部,串连电阻组成的内
阻十分小,仅仅只有几毫欧姆,因此具备高达 90%充放电效率。
f. 操作简单。根据其工作原理超级电容器的储存能量和电极端电压有
直接的关系,因此储能容量的提高可以通过提高端电压限额来实现。
g. 无污染。超级电容器内部原材料多采用无毒、无害、绿色环保的材
料组成,并且大多数可回收利用,不会造成环境污染。另外超级电容器属
于静止储能设备,充电过程不会产生噪音。
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h. 有较大的电容量。超级电容器的储能量十分庞大,它的容量高达
10000F
,电容量十分可观。
1.1.2 课题的研究背景
超级电容器是最近几年新研究出来的一种电能储存量十分巨大的新兴储能
设备。它具备环保、节能、性能优越、充电速度快、寿命较长、温差特性好等
特点。除此之外,和传统的蓄电池相比较,超级电容器有一个无可代替的优点,
那便是他能够可以在很少的时间里面产生远远高于普通电池的超大电流。因为
这个突出的优点,满足了生活中大多数对瞬时大电流需求的电设备,包括电动
汽车等一系列具有较高生产价值的电设备,所以具有非常大的发展潜能。目前,
在全世界当中,GDP 排名较高的美国、日本、俄罗斯等具备实力的国家,都在
着重对超级电容器进行开发,并将其应用于电动汽车的驱动、制动系统中。对
于这些国家而言,中国的起步相对较晚。
在国外,美国一家著名公司在 2011 年的时候与全球级的铁路车辆制造商
CAF 达成合作关系,拿下了西班牙的各大城市的轨道电车储蓄设备生产权利。
也因此,他们成为了在有轨电车领域,超级电容器生产商的领头羊。因为大容
量的超级电容器可以为有轨电车提供其在无输电线的情况下正常运行,大大的
节约铺设电缆的成本,并且因为其快速充放电的特性,可以在短时间内快速充
电,因此可以借助能量转换设备将其轨道车刹车时产生的能量转换为电能快速
充电,从而大大的节约其能源损耗。
在国内,中国电子部第一个研究出来容量极为发拉级的超级电容器。近几
年来,中国各大名校以及研究机构也不甘落后。随后,中科院电工研究所、解
放军防化研究院、清华大学、成都电子科技大学、上海交通大学、哈尔滨工程
大学等,都开展了超级电容器的研究项目。经过时间的堆积,几大研究组织都
在不同领域有了巨大突破,在性能方面,成都电子科技大学表现优越,其研究
的利用纳米新型材料制造的超级电容器,能量密度高达 6.97Wh/kg,并具有十分
优越的的功率特性。在产业化方面,大庆的华隆电子公司第一个实现了将其产
业化,铺设多条生产链,其公司可以生产多个电压等级的产品。随后在其带领
头羊的作用下,北京的金正平、石家庄的高达、锦州的锦容以及上海的奥威等
多个电子有限公司纷纷开展了电容器的链式生产和销售,并且其生产的产品将
超级电容器在多个领域都展开了应用,包括内燃机的电子启动以及电子脉冲设
备,最多的还是在混合动力电动汽车方面。这一系列的突破,加上我国在超级
电容器基础技术研究上的不断提高,给超级电容器的快速发展铺好了道路,在
未来的研究和发展方向上都做出了指导。
近年来,超级电容器展现出更宽广的前景。全世界排名靠前的国家都对该
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passionSnail
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