智能仪表课设上交

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 超级电容能量检测仪设计超级电容能量检测仪设计 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间： 20132013年年1212月月30-130-1月月1010日日 本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 测控技术与仪器 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号学生姓名专业班级课程设计题目超级电容器能量检测仪设

2、计课程设计（论文）任务设计任务：设计任务：8 个超级电容串联，设计一个单片机系统能够检测每个超级电容的两端的电压并利用键盘显示指定的超级电容的电压和电流。设计要求：设计要求：1、能够测定每个超级电容两端的电压；2、能够测量流过超级电容的电流；3、能够检测电容箱内的温度，当温度超过规定的温度时报警；4、按下不同的按键能够显示相应的参数；5、对测试的数据进行分析；6、完成任务书的编写，字数应在 4000 字以上；7、尽可能降低设计中的硬件成本。技术参数：技术参数：1、电压、电流及温度的测量误差小于 1%；2、电容箱内温度最高不超过 45 度；3、电容单体工作电压0-2.5V, 电容单体电阻小于等于

3、25毫欧；4、电容单体容量大于等于 3000F，额定工作电流 200A，额定工作电压 0-380V。进度计划1、 布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。 （2 天 ）2、 确定系统的设计方案，选择控制核心和外围器件。（1 天 ）3、 确定硬件电路。（2 天 ）4、 按系统的要求，设计系统软件流程，并编写程序。 （2 天）5、 上机实现系统的模拟运行、答辩，撰写、打印设计说明书。 （2 天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文）II摘 要超级电容器能量检测仪主要用于超级电容器的充放电测试仪，近年来，由于超级电容器容量的增加

4、，这些电容器被应用到电动车上，作为起动发动机或帮助车辆提速的电源，此外还可用于其他机电设备的储能管理。本设计是基于 AT89S52 单片机的超级电容器能量检测仪控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包括：单片机、电流传感器、温度传感器、数据存储器、显示、键盘；软件包括：显示程序设计和温度报警程序设计。编写程序结合硬件进行调试，在切换按钮的作用下，能够显示电流和电压值。另外，本系统通过软件消除了由按键引起的误差，提高系统的可靠性和稳定性。本设计从实际应用出发选取了体积小、精度相对高的数字式温度传感元件DS18B20 作为温度采集器、电流传感器 CSNK591 作为电流采集器，单片机AT89

5、S52 作为主控芯片，数码管作为显示输出，完成了超级电容器能量检测仪设计。关键词：单片机；温度传感器；电流传感器；显示。本科生课程设计（论文）III目 录第 1 章 绪论.1第 2 章 课程设计的方案.22.1 概述 .22.2 系统方案论证 .22.3 系统组成总体结构 .3第 3 章 硬件设计.43.1 单片机外围电路 .43.2 键盘电路 .53.3 温度检测电路 .53.4 报警电路接口设计 .63.5 电流检测电路.73.6 电压检测电路.73.7 数据存储接口电路的设计.83.8 A/D 转换电路 .93.9 显示电路.103.10 电源模块设计.10第 4 章 软件设计.114.

6、1 主程序流程图 .114.2 键盘子程序流程图 .12第 5 章 系统仿真与误差分析.135.1 系统仿真 .135.2 误差分析 .14第 6 章 课程设计总结.15参考文献.16附录 I .17附录 II.18本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论超级电容是 20 世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容之间的新型储能元件，比同体积的电解电容容量大 2000-6000 倍，功率密度比电池高10-100 倍，可以放大电流冲放电，充电效率高，冲放电循环次数可达 100000 次以上，并且免维护。超级电容的出现填补了传统的静电电容和化学电源之间的空白，并以其优越的性能及广阔的应用前景受

7、到了各个国家的重视。2007 年 1 月号的美国“探索”杂志，认为超级电容是能量储存的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统电池。电容的测量常见的有容抗法、脉冲调制检测法等，这些方法大部分的电路组成均是由分离器件实现的，因此结构复杂，故障率高。本设计介绍一种电容测量方法，它以单片机为核心，加上 A/D 转换器以及少量外围元件即可构成一个线路简单、可靠性好、准确度适宜的电容测量仪。本设计采用霍尔闭环电流传感器CSNK591 检测电容的电流，采用运算放大器检测电容两端的电压，将采集到的电压进行滤波和隔离，将检测的电流和电压进行 A/D 转换，输出的信号经过驱动芯片进行 LED 显示。根据设计任务的

8、要求本设计采用 DS18B20 温度传感器进行仪器箱内温度的检测，当温度超过设定值时，将检测到的数字信号送入单片机，单片机输出信号驱动蜂鸣器进行报警然后做出相应的处理。该设计还采用 4 个独立按键即电压切换按键、电流切换按键、报警处理按键和显示按键更好地完成了系统的功能。设计是基于 AT89S52 单片机的超级电容器能量检测仪控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包括：单片机、电流传感器、温度传感器、数据存储器、显示、键盘；软件包括：显示程序设计和温度报警程序设计、键盘子程序编写程序结合硬件进行调试，在切换按钮的作用下，能够显示电流和电压值。另外，本系统通过软件消除了由按键引起的误差，提

9、高系统的可靠性和稳定性。本科生课程设计（论文）2第 2 章 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计超级电容器能量检测仪，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用智能仪器课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握智能仪器设计的基本方法。根据设计任务系统通过电流传感器和信号采集电路检测电容两端电流和电压，然后进行滤波、放大、A/D 转换后送入 AT89S52 单片机，在结合其外围的矩阵键盘输入、LED 显示、报警电路，完成电容器能量检测仪设计。2.2 系统方案论证根据任务要求，考虑系统的稳定性以及器件成本问题。传感器选择方案、控制电路选择方案、显示电

10、路选择方案如下。方案一：采用模拟温度传感器 AD590K，AD590K 具有较高精度和重复性（重复性优于 0.1） ，其良好的非线性可以保证优于0.1的测量精度。但其测量的值需要经过运算放大、模数转换再传给单片机，硬件电路较复杂，调试也会相对困难，所以本系统不宜采用此法。方案二：采用数字温度传感器 DS18B20,测量范围55125只需一根口线即实现与 MCU 的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。并且,DS18B20 支持一主多从,若想实现多点测温,可方便扩展。综合以上两种方案，本设计采用第二种方案，利用数字温度计 DS18B20 作为温度传感器。方案一：采用串行口驱动、静态显示

11、，利用单片机的串行口输出数据，显示多位数码，可节省大量的 I/O 口，但每个数码管必须有一个驱动芯片，且每位段码须接一个限流电阻，所须元件多，硬件电路比较复杂。方案二：采用串行口驱动、动态扫描显示，利用单片机的串行口输出数据，显示多位数码，多个数码管可共用驱动芯片和限流电阻。这样既可以简化硬件电路，又可以节省大量的 I/O 口线，为功能扩展留下空间。综合以上两种方案，本设计采用方案二：串行口驱动、动态显示。根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。本科生课程设计（论文）32.3 系统组成总体结构根据超级电容器能量检测仪设计功能要求，并结合对 52 系列单片机的资源分析，即单片机软

12、件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。所以采用 AT89S52 作为系统的控制核心。将采样得到的电流和电压信号经 A/D 转换后送入单片机并显示，按下不同的切换按键后可以显示相应的电压值或电流值。同时将温度传感器采集到的温度值传给单片机，当温度超过设定值时，单片机输出信号驱动报警电路。系统结构框图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统方框图单片机电流检测电路电压检测电路键盘电路温度检测电路报警电路显示电路复位电路本科生课程设计（论文）4第 3 章 硬件设计系统硬件部分由外围电路、键盘电路、显示电路、报警电路及电源电路组成，本设计单片机硬件资源的分配：P1.0P1.7 用于 LED

13、 显示作用。P2.3 用于蜂鸣器报警的控制。P3.1P3.4 用于键盘电路的控制。P2.4P2.6 用于 LCD 显示模块的控制端口的控制3.1 单片机外围电路 单片机最小系统包括晶振电路、复位电路等，单片机从 0000H 单元开始执行程序，并提供了单片机的时间基准。在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 两个管脚，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。电路中，电容 C1 和 C2 对震荡电路有微调的作用，石英晶体选择 6MHz 或 12MHz 都可以，其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计数初值，此设计取 12MHz。其图如图 3.1 所示。EA/VP31X119X218RESE

14、T9INT012INT113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RD17WR16PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89S52EA/VPX1X2RSTINT0INT1T0T1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.0P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2

15、.5P2.6P2.7RDWRPSENALE/PTXDRXDP0.1P0.2Y112MHzC230pFC130pFX2C110uFR210KS1SW-PBRSTR11kVCCX1本科生课程设计（论文）5 图 3.1 单片机的外围电路本科生课程设计（论文）63.2 键盘电路根据设计要求，本设计采用三个按键的键盘电路，S1、S2、S3 和 S4 这些按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的，当所设置的功能键按下时，单片机应用系统应该完成该按键所设定的功能，因此，键盘信息输入是与软件结构密切相关。S1 电流切换按键，S2 电压切换按键，S3 进入显示状态功能按键，S4为报警处理按键，通过以上按键即

16、可实现系统需要的控制要求。键盘电路如图3.2 所示。图 3.2 键盘电路3.3 温度检测电路本设计选用 DS18B20 数字温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同，DS18B20 可直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理，具有连线简单、微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、精度高等特点。信息经过单线接口送入 DS18B20 或从 DS18B20 送出，因此从微处理器到DS18B20 仅需连接一条信号线和地线。读、写和执行温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。DS18B20 特点介绍：（1）独特的单线接口方式，与单片机通信只需一个引脚，DS18B20 与微处理器连接时

17、仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。（2）测温范围为-55 +125 。（3）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（4）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5 V。S1S2S3R310KR410KR510KP3.0P3.1P3.2VCCS4R61KP3.3本科生课程设计（论文）7 图 3.3 测温电路3.4 报警电路接口设计本设计采用蜂鸣器发声进行报警，蜂鸣器的正极接到 VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极 E，三极管的基级 B 经过限流电阻 R1 后由单片机的 P2.3 引脚控制，当电容箱内温度超过 45时，系统进行报警单片机P2.3 引脚输出

18、低电平，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音系统进行报警。图 3.4 报警电路S1S2S3R310KR410KR510KP3.0P3.1P3.2V CCR174K 7V CCV CC3D Q2G ND1IC2D S18B20S4R61KP3.3P2.0U 1BUZZERR141KQ 1PN PR151KR1610V CCD 1LEDP2.3本科生课程设计（论文）83.5 电流检测电路据设计任务，采用霍尔电流传感器检测电容电流，其优点比传统的基于电阻采样的电路精度高，安全性能高，抗干扰能力强，本设计选用 Hony-well 公司的基于磁补偿原理的霍尔闭环电流传感器 CSNK591，线性精度

19、达到 0.1%，总体精度达到 0.5%，响应速度小于 1s。 图 3.5 CSNK591 电流传感器 当霍尔电流传感器检测电容电流，检测出的电流经过电阻 R 换算出电压，输出电压经过 A/D 转换进行显示，如图 3.6 所示。图 3.6 CSNK591 电流传感器检测电路3.6 电压检测电路根据设计通过多路开关，可以实现对 8 个电容两端电压分别采集，电压采集完，通过滤波、放大电路经 A/D 转换后送入单片机，单片机输出信号进行显示。+-GND+GND-i工作电源U0测量电压输出+5-5+5-5R本科生课程设计（论文）9 图 3.7 电压采集电路3.7 数据存储接口电路的设计AT24C04 是

20、 4K 位串行 CMOS E2PROM。采用 I2C 总线和单片机进行通信，其电路见图 3.8。 图 3.8 AT24C04 接口电路图图中 1、2、3 脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址，在 89S52 上它们都能接地，第 5 脚和第 8 脚分别为正、负电源。AT24C04 中带有片内地址寄存器，每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加 1，以实现对下一个储存单元的读写，所有字节均以单一操作方式读取。23674U 123674U 2R1010KR810KR910KC71uFR121KR131KR111KV CCV CCV 1、V CCR185.1KR195.1KV CCA 11V

21、CC5WP6SCL7SD L8A 22A 33G ND4A T24C04P2.1P2.2本科生课程设计（论文）103.8 A/D 转换电路本设计采用 A/D 转换器 ADC0809。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，由于输出级有8位三态输出锁存器，因而ADC0809的数据输出端可以直接与单片机的数据总线连接。 ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，

22、指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809 作为模拟量检测接口电路的核心部分，起着极为关键的作用，一定要仔细按要求使用 ADC0809 转换器。 图 3.9 A/D 转换电路IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10U4ADC

23、0809P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7V1、123U5A74HC00INT0123U6A74HC02123U7A74HCO2WRP2.7RDCLK3D2SD4CD1Q5Q6U8ASW-PBCLK3D2SD4CD1Q5Q6U9ASW-PBVCCVCCVCCVCCALEVCCP2.7本科生课程设计（论文）113.9 显示电路动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用

24、发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。 图 3.10 显示电路3.10 电源模块设计监测系统主要控制部分电源需要用 5V 直流电源供电，其电路如图 3.9 所示，220V 交流电源供电。其中，C1、C2、C3、C4 分别为输入端和输出端滤波电容，发光二极管显示电源是否供电。这样输出的电压一般能满足要求。图 3.11 电源电路T11234D1D4C11000uF/16VC41000uF/16VC20.33uF/400VC30.33uF/400VVin1GND3+5V2U1LM 109H

25、AC 220VLND9、1R194K7VCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpcom9DS1abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpcom9DS3abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpcom9DS2VCCVCC20Q112Q213Q314Q415Q516Q617Q718Q819OE1LE11D12D23D34D45D56D67D78D89GND10MAX7219P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.4P2.5P2.6本科生课程设计（论文）12第 4 章 软件设计4.1 主程序流程图主程序采用中断嵌套方

26、式设计，各功能模块可直接调用。主程序完成系统的初始化，包括电压信号的采集、电流信号的采集，采集的电压、电流送入A/D 转换，在切换开关的作用下显示相应的电压、电流，中断程序完成温度监控报警功能，当温度超过设定温度后，进行报警并处理。 图 4.1 主程序流程图开始初始化是否超温电压检测电流检测A/D 转换显示N报警并降温Y本科生课程设计（论文）13有键闭合否延时去抖有键闭合否键盘子程序P1.1=1电流转换返回YYYYNNNP1.2=1P1.3=1P1.4=1电压转换显示界面报警处理NNYY4.2 键盘子程序流程图当通电或复位以后，系统进入键盘管理状态，当检测到有键闭合时先去除抖动，这里采用软件延

27、时的方法，延时一段时间后，再确定是否有键闭合。键盘设定：用于温度设定。共三个按键。 S1（P1.1）: 电流切换按键；S2（P1.2）: 电压切换按键；S3（P1.3）: 进入显示状态功能按键；S3（P1.4）: 报警处理按键；系统上电后，数码管全部显用示为零，根据按 S3 按键,进入显示的状态，根据相应的要求，利用 S1、S2 按键切换，显示电流或电压，当系统内温度超过设定值，按 S4 按键处理。图 4.2 子程序流程图本科生课程设计（论文）14第 5 章 系统实验与误差分析 5.1 系统仿真仿真是通过对系统模型的实验来研究存在或设计中的系统，又称模拟。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大

28、或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。本文采用单片机开发板进行模拟仿真，本设计采用 3 个数码管进行显示，在切换开关的作用下显示电流或电压。系统初始化后的界面 图 5.1 初始化界面在电压切换开关，检测其中一个电容两端的电压，通过滤波和放大电路的作用下经 A/D 转换的信号送入单片机进行显示。 本科生课程设计（论文）15 图 5.2 电压显示界面在电流切换开关的作用下，通过霍尔电流传感器检测，测量一个电容时通的电流图 5.4 电流显示界面通过仿真，检测单体电容的电压为 2.3V 符合本设计要求的电容单体工作电压 0-2.5V，在检测单体电容的同时，用

29、霍尔电流传感器检测此时电路的电流，符合本设计的要求，综上所述通过单片机的仿真，本系统符合设计要求5.2 误差分析本电容测量方案测量准确度主要由两部分误差确定：一部分出自 A/D 转换单元；另一部分来自外接运放及模拟开关。同时还对被测电容有一定的限制，当被测电容的漏电特性不良时会引起附加测试误差，这是测试时需注意的地方。所选择的电流检测装置是霍尔闭环电流传感器 CSNK591，其精度达到 0.5%即产生的误差为。5 10 4本设计采用的模数转换为 ADC0809 此芯片为 8 位转换器，其精度达到1/256，因此符合本系统的设计要求。本科生课程设计（论文）16第 6 章 课程设计总结设计是基于

30、AT89S52 单片机的超级电容器能量检测仪控制系统，系统分为硬件和软件两部分，其中硬件包括：单片机、电流传感器、温度传感器、数据存储器、显示、键盘；软件包括：显示程序设计和温度报警程序设计、键盘子程序编写程序结合硬件进行调试，在切换按钮的作用下，能够显示电流和电压值。另外，本系统通过软件消除了由按键引起的误差，提高系统的可靠性和稳定性。采用霍尔闭环电流传感器 CSNK591 检测电容的电流，采用运算放大器检测电容两端的电压，将采集到的电压进行滤波和隔离，将检测的电流和电压进行A/D 转换，输出的信号经过驱动芯片进行 LED 显示。根据设计任务的要求本设计采用 DS18B20 温度传感器进行仪

31、器箱内温度的检测，当温度超过设定值时，将检测到的数字信号送入单片机，单片机输出信号驱动蜂鸣器进行报警然后做出相应的处理。该设计还采用 4 个独立按键即电压切换按键、电流切换按键、报警处理按键和显示按键。本电容测量方案测量准确度主要由两部分误差确定：一部分出自 A/D 转换单元；另一部分来自外接运放及模拟开关。同时还对被测电容有一定的限制，当被测电容的漏电特性不良时会引起附加测试误差，这是测试时需注意的地方。本设计本着安全性、可靠性、稳定性和易扩展性等设计原则，对各方案进行了细心的比较，并对设计中使用的芯片进行了仔细的分析，力求设计出一个安全、稳定、可靠的温度控制系统。因此，本系统的安全性和可扩

32、展性都比较好。本科生课程设计（论文）17参考文献1 王祁.智能仪器设计基础M.北京：机械工业出版社，20092 梅丽凤，王艳秋.单片机原理及接口技术.北京：北京交通大学出版社，2009 3 孙传友,孙晓斌.测控系统原理与设计M.北京：北京航空大学出版社，20074 孙余凯，吴鸣山.传感器应用电路 300 例.北京：电子工业出版社，20085 付家才.单片机控制工程实践技术.北京：化学工业出版社，20046 程德福,王君.传感器原理及应用M.北京：机械工业出版社，20077 赵广林. protel 电路设计与制版M.北京：电子工业出版社，20058 王洪君.单片机原理及应用M.济南：山东大学出版

33、社，2009本科生课程设计（论文）18附录 IS1S2S3R310KR410KR510KP3.0P3.1P3.2EA/VP31X119X218RESET9INT012INT113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RD17WR16PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89S52EA/VPX1X2RSTINT0INT1T0T1P1.

34、0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.0P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7RDWRPSENALE/PTXDRXDP0.1P0.2Y112MHzC230pFC130pFX2C110uFR210KS1SW-PBRSTR11kVCCC40.33uF/400VC50.33uF/400VAC220V50HzVin1GND3+5V2U2IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10U4ADC0809P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7V1、123U5A74HC00INT0123U6A74HC02123U7A74HCO2WRP2.7RDCLK3D2SD4CD1Q5Q6U8ASW-PBCLK3D2SD4CD1Q