一种自动充放电装置论文和设计-沈宇超

全文摘要

本实用新型实施例公开了一种自动充放电装置，实现了对超级电容进行定量充电的主要功能，保证了超级电容电池充电过程的高效性与安全性，能够通过液晶显示器实现与使用者之间良好的交互性；通过对单片机以及各个继电器的控制实现了充放电的高效性；通过使用霍尔电流传感器和单片机的数模转换功能对充放电方式进行精准控制，提升充放电过程的安全性。

主设计要求

1.一种自动充放电装置，其特征在于，所述装置包括：供电电源、单片机、超级电容J9、差分信号检测器、放电组件和充放电转换开关RL1，所述差分信号检测器包括恒流源与功率放大器、第一级电压跟随器和第二级电压跟随器，所述供电电源分别与所述单片机和所述恒流源与功率放大器电连接，所述单片机对外设置第一双排插接件J1和第二双排插接件J2，所述单片机经由数模转换器U2向所述恒流源与功率放大器的电流信号接收端发送电流信号，所述恒流源与功率放大器和所述第二级电压跟随器经由电阻RS2及所述充放电转换开关RL1电连接至所述超级电容J9，所述第一级电压跟随器及所述放电组件电连接至所述超级电容J9的正极，所述第一级电压跟随器和所述第二级电压跟随器的检测信号输出端分别连接至所述第一双排插接件J1的第一检测信号接收端AD0和第二检测信号接收端AD1。

设计方案

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供电电源包括恒功率电源J3和稳压电源，所述恒功率电源J3连接至所述恒流源与功率放大器的恒功率电源J3接入端子，及所述稳压电源由控制电源接口J4产生的5V电压并经稳压电路稳定在3.3V，所述稳压电路输出端电连接至所述第二双排插接件J2的3.3V供电端子。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述充放电转换开关RL1由第一继电器控制开关状态，所述第一继电器的控制信号输入端连接至所述第二双排插接件J2的第一开关控制信号输出端子。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述放电组件包括彼此并联连接的第一放电电路、第二放电电路和第三放电电路，所述第一放电电路上串联有第一放电电阻J11和第一放电开关RL2，所述第二放电电路上串联有第二放电电阻J12和第二放电开关RL3，所述第三放电电路上设置有第三放电开关RL4。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一放电开关RL2、所述第二放电开关RL3和所述第三放电开关RL4分别由第二继电器、第三继电器和第四继电器控制开关状态，所述第二继电器、所述第三继电器和所述第四继电器的控制信号输入端分别连接至所述第二双排插接件J2的第二开关控制信号输出端子、第三开关控制信号输出端子和第四开关控制信号输出端子。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述超级电容J9的导线上套接有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器的供电端电连接至所述稳压电路输出端，所述霍尔电流传感器的检测信号输出端连接至所述第一双排插接件J1的第三检测信号接收端P1.6。

7.如权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括液晶显示器，所述液晶显示器信号连接至所述单片机，所述液晶显示器由所述稳压电源经稳压电路供电。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括按键组件，所述按键组件包括第一按键K1、第二按键K2、第三按键K3、第四按键K4、第五按键K5和第六按键K6，所述第一按键K1、所述第二按键K2、所述第三按键K3和所述第四按键K4信号连接至所述第一双排插接件J1，所述第五按键K5和所述第六按键K6信号连接至所述第二双排插接件J2，所述按键组件还设置有信号连接至所述第一双排插接件J1的连接端子P3.2。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电容充放电技术领域，具体涉及一种自动充放电装置。

背景技术

超级电容器是近年来发展迅速的一种新型储能器件，超级电容器的电容量极大，可达数千法拉，它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力。

超级电容充电过程要同时计算充入的能量的多少，因此需要精确测量充电电流、充电电压和充电时间，实现以上多参数的精密测量是目前的技术难点。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种自动充放电装置，用以解决现有超级电容充电过程由于无法精确测量充电电流、充电电压和充电时间导致不能实现多参数精密测量的问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种自动充放电装置，所述装置包括：供电电源、单片机、超级电容J9、差分信号检测器、放电组件和充放电转换开关RL1，所述差分信号检测器包括恒流源与功率放大器、第一级电压跟随器和第二级电压跟随器，所述供电电源分别与所述单片机和所述恒流源与功率放大器电连接，所述单片机对外设置第一双排插接件J1和第二双排插接件J2，所述单片机经由数模转换器U2向所述恒流源与功率放大器的电流信号接收端发送电流信号，所述恒流源与功率放大器和所述第二级电压跟随器经由电阻RS2及所述充放电转换开关RL1电连接至所述超级电容J9，所述第一级电压跟随器及所述放电组件电连接至所述超级电容J9的正极，所述第一级电压跟随器和所述第二级电压跟随器的检测信号输出端分别连接至所述第一双排插接件J1的第一检测信号接收端AD0和第二检测信号接收端AD1。

进一步地，所述供电电源包括恒功率电源J3和稳压电源，所述恒功率电源J3连接至所述恒流源与功率放大器的恒功率电源J3接入端子，及所述稳压电源由控制电源接口J4产生的5V电压并经稳压电路稳定在3.3V，所述稳压电路输出端电连接至所述第二双排插接件J2的3.3V供电端子。

进一步地，所述充放电转换开关RL1由第一继电器控制开关状态，所述第一继电器的控制信号输入端连接至所述第二双排插接件J2的第一开关控制信号输出端子。

进一步地，所述放电组件包括彼此并联连接的第一放电电路、第二放电电路和第三放电电路，所述第一放电电路上串联有第一放电电阻J11和第一放电开关RL2，所述第二放电电路上串联有第二放电电阻J12和第二放电开关RL3，所述第三放电电路上设置有第三放电开关RL4。

进一步地，所述第一放电开关RL2、所述第二放电开关RL3和所述第三放电开关RL4分别由第二继电器、第三继电器和第四继电器控制开关状态，所述第二继电器、所述第三继电器和所述第四继电器的控制信号输入端分别连接至所述第二双排插接件J2的第二开关控制信号输出端子、第三开关控制信号输出端子和第四开关控制信号输出端子。

进一步地，所述超级电容J9的导线上套接有霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器的供电端电连接至所述稳压电路输出端，所述霍尔电流传感器的检测信号输出端连接至所述第一双排插接件J1的第三检测信号接收端P1.6。

进一步地，所述装置还包括液晶显示器，所述液晶显示器信号连接至所述单片机，所述液晶显示器由所述稳压电源经稳压电路供电。

进一步地，所述装置还包括按键组件，所述按键组件包括第一按键K1、第二按键K2、第三按键K3、第四按键K4、第五按键K5和第六按键K6，所述第一按键K1、所述第二按键K2、所述第三按键K3和所述第四按键K4信号连接至所述第一双排插接件J1，所述第五按键K5和所述第六按键K6信号连接至所述第二双排插接件J2，所述按键组件还设置有信号连接至所述第一双排插接件J1的连接端子P3.2。

本实用新型实施例具有如下优点：

本实用新型实施例提供了一种基于STC15W4K32S4单片机的超级电容自动充放电装置，实现了对超级电容进行定量充电的主要功能，保证了超级电容电池充电过程的高效性与安全性，能够通过液晶显示器实现与使用者之间良好的交互性；通过对单片机以及各个继电器的控制实现了充放电的高效性；通过使用霍尔电流传感器和单片机的数模转换功能对充放电方式进行精准控制，提升充放电过程的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种自动充放电装置的充放电电路示意图。

图2为本实用新型实施例提供的一种自动充放电装置的供电电源电路示意图。

图3为本实用新型实施例提供的一种自动充放电装置的单片机的第一双排插接件J1和第二双排插接件J2的连接端子示意图。

图4为本实用新型实施例提供的一种自动充放电装置的数模转换器U2的数模转换电路示意图。

图5为本实用新型实施例提供的一种自动充放电装置的霍尔电流传感器的电路示意图。

图6为本实用新型实施例提供的一种自动充放电装置的液晶显示器的电路示意图。

图7为本实用新型实施例提供的一种自动充放电装置的按键组件的电路示意图。

01-供电电源、02-单片机、03-差分信号检测器、04-放电组件、05-恒流源与功率放大器、06-第一级电压跟随器、07-第二级电压跟随器、08-稳压电源、09-稳压电路、10-第一继电器、11-第一放电电路、12-第二放电电路、13-第三放电电路、14-第二继电器、15-第三继电器、16-第四继电器、17-霍尔电流传感器、18-液晶显示器、19-滤波器、20-按键组件。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

参考图1-3，一种自动充放电装置包括：供电电源01、单片机02、超级电容J9、差分信号检测器03、放电组件04和充放电转换开关RL1，差分信号检测器04包括恒流源与功率放大器05、第一级电压跟随器06和第二级电压跟随器07，供电电源01分别与单片机02和恒流源与功率放大器05电连接，单片机02对外设置第一双排插接件J1和第二双排插接件J2，参考图4，单片机02经由数模转换器U2向恒流源与功率放大器05的电流信号接收端VDAC发送电流信号，恒流源与功率放大器05和第二级电压跟随器07经由电阻RS2及充放电转换开关RL1电连接至超级电容J9，第一级电压跟随器06及放电组件04电连接至超级电容J9的正极，第一级电压跟随器06和第二级电压跟随器07的检测信号输出端分别连接至第一双排插接件J1的第一检测信号接收端AD0和第二检测信号接收端AD1。

本实用新型实施例中，数模转换器U2采用TLV5616型号，TLV5616是12位电压输出的4线可变串行接口的数模转换器。4线串行接口分别无缝接入TMS320、SPI、QSPI和Microwire串行接口。另外，LTV5616采用16位串行串编程，其中，包含4位控制位和12位的数据位，为了适合范围较宽的供电电压，TLV5616能够在2.7V～5.5V之间使用。电阻串输出电压被2×a的增益的轨至轨输出缓冲器。缓冲器能够提高一个AB类的输出级的稳定性和减少结束的时间。DAC的结束时间是可编程的以此来允许设计者对比电源的损耗设计最佳的速度。通过输入串行的16位的控制位来选择结束的时间。高阻抗缓冲集成在REFIN端来减少对低源阻抗驱动端口的需要。为了应用于CMOS处理中，TLV5616设计了单电源供电的2.7V～5.5V范围。器件采用8引脚的SOIC封装。TLV5616C可以在0℃到70℃范围使用，TLV5616I可以在-40℃到85℃范围使用。

参考图2，供电电源01包括恒功率电源J3和稳压电源08，恒功率电源J3连接至恒流源与功率放大器的恒功率电源J3接入端子PVCC，及稳压电源由控制电源接口J4产生的5V电压并经稳压电路09稳定在3.3V，稳压电路09输出端电连接至第二双排插接件J2的3.3V供电端子。

参考图1，充放电转换开关RL1由第一继电器10控制开关状态，第一继电器10的控制信号输入端CHARGE连接至第二双排插接件J2的第一开关控制信号输出端子P2.2。

参考图1，放电组件04包括彼此并联连接的第一放电电路11、第二放电电路12和第三放电电路13，第一放电电路11上串联有第一放电电阻J11和第一放电开关RL2，第二放电电路12上串联有第二放电电阻J12和第二放电开关RL3，第三放电电路13上设置有第三放电开关RL4，第一放电开关RL2、第二放电开关RL3和第三放电开关分别由第二继电器14、第三继电器15和第四继电器16控制开关状态，第二继电器14、第三继电器15和第四继电器16的控制信号输入端DISCHARGE1、DISCHARGE2和DISCHARGE3分别连接至所述第二双排插接件J2的第二开关控制信号输出端子P2.0、第三开关控制信号输出端子P2.1和第四开关控制信号输出端子P4.6。

参考图5，超级电容J9的导线上套接有霍尔电流传感器17，霍尔电流传感器17的供电端电连接至稳压电路09输出端，霍尔电流传感器17的检测信号输出端AD6连接至所述第一双排插接件J1的第三检测信号接收端P1.6。本实用新型实施例采用HCS-LSP3型号霍尔电流传感器，HCS-LSP系列霍尔电流传感器是基于闭环磁平衡原理的一款霍尔电流传感器，能够测量直流、交流、脉冲等各种电流。霍尔电流传感器具有精度高、温漂小、响应快等特点。适合作为闭环控制的电流检测元件。

参考图6，本实用新型实施例中的一种自动充放电装置还包括液晶显示器18，液晶显示器18信号连接至单片机02，液晶显示器18由稳压电源18经稳压电路09供电，具体地，液晶显示器18通过双接口插接件J5接收稳压电源18提供的3.3V电压，然后经滤波器19滤波后接入使用。目前主流的液晶显示器都是薄膜晶体管LCD(TFTLCD)，是由原有的液晶显示技术发展扩展而来的。TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，以此做到完全的单独的控制一个像素点，液晶材料被夹在TFT玻璃层和颜色过滤层之间，通过改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩。考虑到实际需求，本实用新型实施例采用型号为JLX240-003-PN的TFT液晶显示器

参考图7，本实用新型实施例中的一种自动充放电装置还包括按键组件20，按键组件20包括第一按键K1、第二按键K2、第三按键K3、第四按键K4、第五按键K5和第六按键K6，第一按键K1、第二按键K2、第三按键K3和第四按键K4信号连接至第一双排插接件J1的接口端子P3.4、P3.5、P3.6和P3.7，第五按键K5和第六按键K6信号连接至第二双排插接件J2的接口端子P4.4和P4.5，按键组件20还通过信号连接端KEYIN至第一双排插接件J1的连接端子P3.2。

本实用新型实施例中，差分信号检测器的差分信号检测电路中的电压跟随器是用一个三极管构成的共集电路，它的电压增益是一，所以叫做电压跟随器。电压跟随在本实用新型实施例中的作用如下：共集电路是输入高阻抗，输出低阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。你可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。所以，电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时也称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点，在电路中起阻抗匹配的作用。

差分信号检测电路的实质，测量点电压通过二级电压跟随器后进行数模转换，由单片机进行运算得出电流大小。由于单片机接收电压应小于5V，在第一级电压跟随器和第二级电压跟随器之间进行分压。所以，近似可认为I＝U1-U2\/RS×4。

恒流源与功率放大器的正反馈平衡式恒流源与MOSFET功率放大电路中，原理电路由二个运放组成，U1A组成反相器，U2A实现V\/I转换，它的转换原理就是正反馈平衡式恒流源。三极管的置入扩大了电流的输出能力。但由于三极管的集电极电流和发射极电流不相等，用MOSFET替代三极管，在正反馈平衡式恒流源前加入一级电压跟随器，它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。通过数模转换使单片机输出电量能直接控制功率电路输出相应的电流量。运放均采用OP07型号，OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV)，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V\/mV)的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。所以采用OP07型号的运算放大器。

本实用新型实施例中，单片机选择使用STC15系列中的STC15W4K32S4系列单片机。

对于按电压充电模式：使用者根据需求设置充满电压：按键扫描，保存设置的电压值，TFT实时显示；选择续充还是放充：按键扫描，设置变量保存下充放类型；设置好后按确定，按键扫描。开始充电：跳转到正在充电页面实时显示，根据保存下来的变量自动选择是放充还是续充。如果是放充则根据A\/D转换回来的电容电压自动选择放电模式，如果选择续充就马上开始充电，同时根据A\/D转换回来的电压值与需要充满的电压值进行比较选择充电模式，直到充电完成。

对于按能量充模式：使用者根据需求设置充满能量：按键扫描，保存设置的能量值，TFT实时显示；该模式下只支持放充，设置好后按确定，进行按键扫描。开始充电：跳转到正在充电页面实时显示，根据A\/D转换回来的电容电压自动选择放电模式，放电完成后马上开始充电，同时根据A\/D转换与计算得到的能量值与需要充满的能量值进行比较选择充电模式，直到充电完成。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

设计图

一种自动充放电装置论文和设计

一种自动充放电装置论文和设计-沈宇超

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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