基于单片机控制的恒流测试系统软件设计

课题名称：基于单片机控制的恒流测试系统软件设计,摘要：,恒流源是一种稳定电流，它输出的电流与外接负载无关，其电源内阻无限大。而实际的恒流源是用电子电路实现的，内阻不能无限大，故只有在外部条件啊在一定的范围内变化时，才能保持输出电流基本不变。 恒流源的发展比较迅速，应用也比较广泛，其发展依据核心器件的发展大致可分为三个阶段，分别是真空器件恒流源，品体管恒流源和集成电路恒流源。真空器件恒流源主要由镇流管构成，镇流管具有稳定电流的功能，多用于交流电路，常被用来稳定电子管的灯丝电流，使用时将镇流管和负载串联，构成直接调整型恒流源。采用晶体管做调整元件的晶体管恒流源在上世纪60年代以后得到迅速发展，并在实际中获得了广泛的应用，随着半导体集成技术的发展，集成电路恒流源提高了稳定性和可靠性，性能更加优越。 目前对恒流源的研究在直流小电源、小功率、高稳定的技术已经成熟，而在大电流、大功率及高稳定的交流恒流源的研制尚处于探索阶段，随着电力半导体器件、电力变换技术及自动控制技术的发展。如何把数字技术和智能化技术用于制作大流、大功率及高稳定的恒流源将成为新课题。,目录,1，超级电容及其特点2，恒流源测试系统整体设计3，恒流源测试系统软件设计,1.1超级电容的概念：,超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。 超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。,1.2超级电容的特点,（1）充电速度快，充电10秒10分钟可达到其额定容量的95以上；（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达150万次，没有“记忆效应”；（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率90%；（4）功率密度高，可达300W/KG5000W/KG，相当于电池的510倍； （5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源； （6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护； （7）超低温特性好，温度范围宽-40+70； （8）检测方便，剩余电量可直接读出；（9）容量范围通常0.1F-1000F 。,1.3超级电容的工作原理,超级电容器是利用金属氧化物与活性炭分别作为正负极电极材料的电容器，其工作机理主要是双电层原理和法拉第准电容原理，存储能量的多少一般表现为电容量的大小。双电层电容原理是来自电解液的阴阳离子，分别积聚在两个固一液界面形成的电化学双电层(Helmholtz层)，充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液中阴阳离子分别聚集在两个固体电极的表面;放电时，阴阳离子离开固体电极的表面，返回电解液本体。通过正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。这种储能原理允许大电流快速充放电，其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。法拉第准电容则是利用在电极表面及其附近发生在一定电位范围内快速可逆的法拉第反应来实现能量的存储，电极材料采用具有较大的比表面、多孔的氧化物，与电解液浸润的活性物质接触面积很大，充电时，金属氧化物在电极表面和整个电极内部发生氧化反应，大量的电荷被存储在电极中，放电时，金属氧化物发生还原反应使得这些进入氧化物中的离子又重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来。,2.恒流源测试系统总体设计,2.1 系统性能指标 本文设计的恒流测试系统，为超级电容器提供稳定的直流充电电源及恒定的放电电用于对超级电容器实现恒流充放电测试，具体的性能指标如下: 输入电压:单相220V士10%(稳态波动) 输入功率:310W 输出电压:30V 输出电流:0一5A,2.2总体设计方案,本课题研究的是如何实现对超级电容器充放电测试，如何控制充放电电流与充放电电压，及充电功能与放电功能之间的转换，描述出充放电过程中超级电容器电压随时间的变化规律。因此，本文设计的基于单片机控制的恒流测试系统，主要由PIC控制系统、恒流充放电主电路、开关电源供电电路、电压及电流检测电路和继电器控制电路等组成。系统结构框图：,2.3系统功能模块划分,根据系统的整体设计思路，为实现智能控制的恒流测试系统，需要有恒流发生电路，以CPU作为核心的控制电路，足够大的供电电源等功能，则该系统可分为三大功能模块:恒流电路模块、PIC控制模块、电源电路模块。 （ 1）恒流源电路模块 恒流电路模块由恒流电路、电流采样电路、电压采样电路等组成，构成充电电路(也叫恒流源电路)和放电电路(也叫有源电子负载电路)，恒流电路作为基础电路，采用负反馈放大器，控制MOS功率管放大功率，能实现可控的电流输出，且精度较高，可以直接作为充电电路。有源电子负载的放电过程等同于恒流源，因此采用外接耗能器件，通过功率管的耗散功率和功率电阻的热能损耗来消耗电能，可以将恒流电路的充电功能转换为有源电子负载的放电功能。恒流电路的输入电压为直流电压，由电源模块提供。出电流，电压采样电路检测超级电容器两端的电压。,(2) PIC控制模块 PIC控制模块是以PIC单片机为控制核心，由单片机最小系统、D/A数模转换电路、键盘输入电路、数码管显示电路等组成，完成对超级电容器预充电状态鉴定并处理;设定并显示充放电电流值及预充电电压值;采样充放电电流及超级电容器电压。如果同时与上位机通信，就可以实现充放电过程的可视化。 (3)电源电路模块 电源电路模块采用开关电源电路设计，是提供单片机和充放电主电路的供电部分，包括输入滤波电路、整流桥整流电路、功率开关及驱动电路、变压电路、输出滤波电路等，该电路采用正激双管式拓扑结构，控制芯片使用TL494脉宽调制控制器。,3.恒流源测试系统软件设计,在系统的软件编制上，采用了模块化的编程思想，架构比较清晰，也便于修改。主程序主要对按键进行分析处理，根据不同的情况调用相应的子程序。子程序包括:初始化程序、充电子程序、放电子程序、充放电连续子程序、延时子程序、A/D采样子程序、键盘扫描子程序及数码管显示子程序等。,3.1系统主程序设计,系统上电复位后，首先要检查是否有超级电容器，并判断超级电容器是处于充电状态还是放电状态，通过A./D通道检测，保存超级电容器的初始状态。然后设定超级电容器是以何种方式工作，并与预先保存的初始状态比较，如果在充电状态下，预先设定的电压值小于超级电容器的初始状态电压值，或在放电状态下，预先设定的电压值大于超级电容器的初始状态电压值，系统返回，重新设定。充放电过程都采用恒流模式，在充放电工作过程中，单片机定时检测超级电容器的端电压及输出电流，并与预先设定值进行比较判断，根据判断对外电路发出正确的动作指令。系统主程序图如图所示。,3.2系统各分功能主程序设计,3.2.1初始化子程序设计 初始化程序为单片机运行设置初始的环境。完成对PIC16F877A输入输出端口的初始化、定时器的初始化和对MAX7219的初始化，端口初始化主要清除片内RAM，设置I/O端口工作方式，初始化片内寄存器和端口状态。TMRO初始化包括通过选项OPTION REG设置TMRO的分频比及时钟，将INTCON寄存器中的TMRO中断标志位清零并将中断屏蔽位置位，同时给TMRO计数器赋初值等。MAX7219的初始化包括设置显示位数、显示亮度、译码方式、选择工作方式等。,初始化子程序流程图,3.2.2AD采样检测设计,在硬件中，分别用AO与Al两个模拟量输入通道对输出电流和电容器端电压进行采样，在软件中也用两个A/D转换的子程序分别对电流和电压进行周D转换。通道0即AO是电流采样输入端，通道1即A1是电压采样输入端。采用定时器定时2ms，每隔2ms，进行一次A/D转换，先对输出电流采样，然后采样超级电容器的端电压采样，采样结果分别放入电流采样寄存器和电压采样寄存器中。,AD转换子程序流程图,3.2.3充、放电子程序,充、放电子程序是单片机实现控制功能的重要组成部分，包括充电子程序、放电子程序及充放电连续子