一種太陽(yáng)能電池發(fā)電量監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

1、目錄 編號(hào) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)論論文文 題 目 一種太陽(yáng)能電池發(fā)電量監(jiān)測(cè)器 的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名學(xué)生姓名解厚勇 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào)16091035 系系 部部電子工程系 專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)業(yè)光電子技術(shù) 班班 級(jí)級(jí)160910 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師周雷 講師 顧問(wèn)教師顧問(wèn)教師許金星 講師 二一二年六月 目錄 摘摘 要要 本設(shè)計(jì)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電量監(jiān)測(cè)器進(jìn)行了深入研究，提出了一種低耗 能、低成本電量監(jiān)測(cè)器新的設(shè)計(jì)方法，制作出了該系統(tǒng)，完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和測(cè) 試。 本設(shè)計(jì)的第一部分首先介紹了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電量監(jiān)測(cè)器的研究背景及 研究現(xiàn)狀。其次指出本文的主要工作。 第二部分首先提出了一種低耗能、

2、低成本電量監(jiān)測(cè)器新的設(shè)計(jì)方法。在詳 細(xì)分析了 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、I/V、V/V 轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、輸出顯示模塊基礎(chǔ)上， 給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體方案。并特別詳細(xì)分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處-采 用霍爾電流傳感器幾乎在不消耗能量的情況下就可以實(shí)現(xiàn) I/V 轉(zhuǎn)換。最后對(duì)系 統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和編程。 第三部分實(shí)際制作了小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電量監(jiān)測(cè)器，并對(duì)系統(tǒng)的精度 進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果表明所制作出的電量監(jiān)測(cè)器低功耗，隨著測(cè)試時(shí)間的延 長(zhǎng)，精度將逐漸提高。 最后，對(duì)本研究課題進(jìn)行了總結(jié)，并指出了新的工作方向。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng) AT89S52 電量監(jiān)測(cè)器 霍爾傳感器 目錄 目目 錄錄 摘摘 要要

3、.I 目目 錄錄.I 第一章第一章 緒緒 論論.1 1.1 研究背景.1 1.2 主要工作.2 第二章第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).3 2.1 工作原理 .3 2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .3 2.2.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì).4 2.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊.5 2.2.3 I/V 轉(zhuǎn)換模塊.6 2.2.4 V/V 轉(zhuǎn)換模塊.9 2.2.5 電源設(shè)計(jì).9 2.2.6 輸出顯示模塊.12 2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).15 2.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計(jì).15 2.3.2 屏保部分程序設(shè)計(jì).16 2.3.3 主函數(shù)部分程序流程圖.18 第三章第三章 系統(tǒng)制作與測(cè)試系統(tǒng)制作與測(cè)試.21 3.1 器件選擇與

4、系統(tǒng)制作 .21 3.2 系統(tǒng)測(cè)試 .21 3.3 系統(tǒng)使用說(shuō)明事項(xiàng) .23 第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.25 致致 謝謝.27 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).29 目錄 I 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 0 第一章第一章 緒緒 論論 1.11.1 研究背景研究背景 太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到 pn 結(jié)上時(shí)，產(chǎn) 生電子一空穴對(duì)，在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒(méi)有被復(fù)合而到達(dá)空間電 荷區(qū)，受內(nèi)建電場(chǎng)的吸引，電子流入 n 區(qū)，空穴流入 p 區(qū)，結(jié)果使 n 區(qū)儲(chǔ)存了 過(guò)剩的電子，p 區(qū)有過(guò)剩的空穴。它們?cè)?pn 結(jié)附近形成與勢(shì)壘方向相反的光生 電場(chǎng)。光生電場(chǎng)除了部分抵消勢(shì)壘

5、電場(chǎng)的作用外，還使 p 區(qū)帶正電，N 區(qū)帶負(fù) 電，在 N 區(qū)和 P 區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏特效應(yīng)。此時(shí)，如 果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過(guò)，這個(gè)電 流稱(chēng)作短路電流，另一方面，若將 PN 結(jié)兩端開(kāi)路，則由于電子和空穴分別流 入 N 區(qū)和 P 區(qū)，使 N 區(qū)的費(fèi)米能級(jí)比 P 區(qū)的費(fèi)米能級(jí)高，在這兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)之 間就產(chǎn)生了電位差 VOC?？梢詼y(cè)得這個(gè)值，并稱(chēng)為開(kāi)路電壓。由于此時(shí)結(jié)處于 正向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定 VOC 的值。 太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下， 空穴由n區(qū)

6、流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電 效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。 太陽(yáng)能發(fā)電方式太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另 一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。 第一：光熱電轉(zhuǎn)換方式通過(guò)利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由 太陽(yáng)能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè) 過(guò)程是光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程；后一個(gè)過(guò)程是熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程，與普通的火力發(fā)電一 樣.太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火 電站貴510倍。 第二：光電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn) 換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種由于光

7、生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管， 當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生 電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)能 電池方陣了。太陽(yáng)能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和 靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng)，只要太陽(yáng)存在，太陽(yáng)能電池就可以一次投 資而長(zhǎng)期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染； 太陽(yáng)能電池可以大中小并舉，大到百萬(wàn)千瓦的中型電站，小到只供一戶(hù)用的太 陽(yáng)能電池組，這是其它電源無(wú)法比擬的。電池板原料：玻璃，EVA，電池片、鋁 緒論 1 合金殼、包錫銅片、不銹鋼

8、支架、蓄電池等而太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)基本分為三類(lèi)： 1）獨(dú)立光伏系統(tǒng)，2）并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，3）混合系統(tǒng)。其中獨(dú)立光伏系統(tǒng)、離網(wǎng) /并網(wǎng)混合系統(tǒng)組成如圖1.1所示,主要組成部分為：1）光伏組件，2）監(jiān)控系統(tǒng)， 3）控制系統(tǒng)（充電控制、供電控制、狀態(tài)控制），4）監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)單的獨(dú)立 光伏系統(tǒng)可以沒(méi)有監(jiān)控系統(tǒng)），5）蓄電池組，6）負(fù)載。 在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，無(wú)論是獨(dú)立光伏系統(tǒng)，還是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，抑或是 混合系統(tǒng)，環(huán)境數(shù)據(jù)是決定太陽(yáng)能發(fā)電的重要指標(biāo),對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電質(zhì)量起著決定 性作用；同時(shí)也是對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電站的設(shè)計(jì)提供有效的數(shù)據(jù)保證。所以在太陽(yáng)能 發(fā)電系統(tǒng)中，需要讀系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在大型并網(wǎng)系統(tǒng)中往往

9、要 求采集風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、太陽(yáng)能電池溫度、蓄電池溫度、太陽(yáng)總輻射、 太陽(yáng)直接輻射、充電電流、充電電壓、逆變輸出電流、逆變輸出電壓、工作電 流、工作電壓等，這些數(shù)據(jù)要保存10年以上。 但在小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，如果對(duì)其電量進(jìn)行采集，往往要消耗系統(tǒng)能 量，所以如何設(shè)計(jì)出一種低成本、低耗電的電量監(jiān)測(cè)器是十分必要的。 1.21.2 主要工作主要工作 本課題提出了一種太陽(yáng)能電池發(fā)電量實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)利用 AT89S52 單片機(jī)進(jìn)行控制，采用霍爾電流傳感器對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出電流進(jìn)行 測(cè)量，其突出優(yōu)點(diǎn)是可以在幾乎不消耗能量情況下，將電流轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測(cè) 量。 研究和探討了太陽(yáng)能電池發(fā)電量實(shí)

10、時(shí)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池組、 霍爾電流傳感器組成的 I/V 轉(zhuǎn)換電路、液晶 1602 組成的顯示裝置、AT89S52 單 片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)、以及鉛酸蓄電池構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)五部分組成。 研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)：研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)： (1)原理電路的設(shè)計(jì)； (2)I/V 轉(zhuǎn)換時(shí)傳感器的選?。?(3)濾除電源紋波及單片機(jī)相鄰元件不受噪聲干擾的設(shè)計(jì)。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 第二章第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.12.1 工作原理工作原理 如圖 2-1 所示，電量監(jiān)測(cè)器主要由太陽(yáng)電池、轉(zhuǎn)換電路、控制系統(tǒng)，穩(wěn)壓 保護(hù)電路、顯示系統(tǒng)和蓄電池六部分組成。其工作過(guò)程為太陽(yáng)能電池接收光照

11、 時(shí)，產(chǎn)生電流，對(duì)蓄電池充電，控制系統(tǒng)通過(guò)穩(wěn)壓電路由蓄電池提供驅(qū)動(dòng)電壓， 對(duì)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電量進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)采集。由于控制系統(tǒng)由單片機(jī)組成，只 能接收電壓信號(hào)，所以在信號(hào)接收前由 I/V、V/V 轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路將信 號(hào)調(diào)至合適的電壓，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算處理，結(jié)果送顯示系統(tǒng)顯示太陽(yáng)電池的發(fā)電量。 圖 2-1 太陽(yáng)能電量監(jiān)測(cè)器 2.22.2 系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案電路如圖2-2所示，主要由太陽(yáng)能電池組、霍爾電流傳感器組成的 I/V轉(zhuǎn)換電路、液晶1602組成的顯示裝置、AT89S52單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)、以 及鉛酸蓄電池構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)五部分組成。其工作過(guò)程為太陽(yáng)能電池接收光照 時(shí)，產(chǎn)生光

12、生電流，對(duì)蓄電池充電，單片機(jī)通過(guò)穩(wěn)壓裝置由蓄電池提供驅(qū)動(dòng)電 壓，對(duì)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電量進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)采集。由于單片機(jī)只能接收電壓信 號(hào)，所以在信號(hào)接收前由I/V、V/V轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào)調(diào)至合適的電壓，經(jīng)內(nèi)部運(yùn) 算處理，結(jié)果送1602液晶顯示裝置顯示電池發(fā)電量。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 3 圖 2-2 電量監(jiān)測(cè)器原理電路 2.2.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小硬件系統(tǒng) 圖 2-3 最小單片機(jī)系統(tǒng) 圖2-3為單片機(jī)的最小硬件系統(tǒng)，單片機(jī)采用ATMEL公司研制生產(chǎn)的MCS- 51系列AT89S52，該單片機(jī)的工作電源VCC為5V，由終端電源接口提供；單片 機(jī)的時(shí)鐘電路一般是在它的時(shí)鐘引腳外接晶體振蕩

13、器，和內(nèi)部的高增益反相放 大器構(gòu)成自激振蕩電路，振蕩頻率取決于晶體的頻率，頻率范圍小于 33MHz，C1、C2起頻率微調(diào)和穩(wěn)定作用，容值為5-50pf。復(fù)位電路由基本的RC 微分電路實(shí)現(xiàn)，該電路可以在上電初期其RESET引腳獲得一定時(shí)間的高電平， MCS-51單片機(jī)復(fù)位操作是在復(fù)位引腳加2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平。有效復(fù)位 與所加高電平時(shí)間與系統(tǒng)晶振的頻率有關(guān)。 Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程， 亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng) 可編程Flash，

14、淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32位I/O口線，看 門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié) 構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被 保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 2.2.2 A

15、/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 當(dāng)模擬信號(hào)輸入單片機(jī)后需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由于需要同時(shí)測(cè)量太陽(yáng)能 電池輸出電壓和電流，故采用ADC0832是八位串行雙通道A/D轉(zhuǎn)換器（如圖2.4所 示）。 ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換 芯片。ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá) 256 級(jí)，可以適 應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模 擬電壓輸入在 0-5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù) 據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入， 使多器件掛接和處理器

16、控制變的更加方便。 圖 2-4 ADC0832 轉(zhuǎn)換器 單片機(jī)對(duì) ADC0832 的控制原理： 正常情況下 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為 4 條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、CLK、DO、DI。但由于 DO 端與 DI 端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接 口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可 以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng) ADC0832 未工作時(shí)其 CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的電 平可任意。當(dāng)要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將 CS 使能端置于低電平并且保持低電平 直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入時(shí)鐘

17、脈沖，DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 5 1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前 DI 是高電平，表示啟始信號(hào)。在第 2、3 個(gè)脈沖下沉 之前 DI 端應(yīng)輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。 當(dāng)此 2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì) CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù) 為“1”、“1”時(shí)，只對(duì) CH1 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時(shí)， 將 CH0 作為正輸入端 IN+，CH1 作為負(fù)輸入端 IN-進(jìn)行輸入。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為 “0”、“1”時(shí)，將 CH0 作為負(fù)輸入端 IN-，CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入。 到第 3 個(gè)脈沖的下沉之后

18、DI 端的輸入電平就失去輸入作用，此后 DO/DI 端則開(kāi) 始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第 4 個(gè)脈沖下沉開(kāi)始由 DO 端輸出 轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第 11 個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位 開(kāi)始 輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個(gè)字節(jié)的下沉輸出 DATA0。隨后 輸出 8 位數(shù)據(jù)，到第 19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)束。 最后將 CS 置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。 作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)ADC0832的輸入電壓是0-

19、5V且8位分辨率時(shí)的電 壓精度為 19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在 某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進(jìn)行IN+與 IN-的輸入時(shí)，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。 ADC0832的A/D轉(zhuǎn)換精度要依賴(lài)于有高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)參考電壓，參考電壓設(shè) 定為5V，由TL431產(chǎn)生。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波送入AD輸入端，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換 后串行輸出。TL431構(gòu)成的穩(wěn)壓基準(zhǔn)溫漂小,又有相當(dāng)?shù)呢?fù)載能力,且輸出電壓連 續(xù)可調(diào),可作為AD0832的基準(zhǔn)電壓和電源（如圖2-5） 。 圖 2-5 TL431 電路及引腳結(jié)構(gòu)圖

20、 2.2.3 I/V 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 因單片機(jī)I/O口只能接收0V5V的電壓信號(hào)，要實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)能電池輸出電 流，需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而設(shè)計(jì)目標(biāo)的太陽(yáng)能電池發(fā)電的電壓范 圍是0V24V，電流范圍是0A14A，所以要想信號(hào)正常輸入到單片機(jī)中，必須 使，電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0V5V的電壓信號(hào)。 所以在系統(tǒng)中設(shè)有I/V轉(zhuǎn)換電路，如圖2-6所示，系統(tǒng)由霍爾傳感器和三個(gè) 電阻組成。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 霍爾傳感器霍爾傳感器 R4 R5 RP1 Vcc GND Vout VO1= 05V I 圖 2-6 I/V 轉(zhuǎn)換電路 采用霍爾傳感器是本系統(tǒng)最為突出的特色之一，由于電量監(jiān)測(cè)器是對(duì)

21、光伏 發(fā)電系統(tǒng)起到監(jiān)測(cè)作用的電量采集設(shè)備，所以如何盡可能降低能量消耗是首要 問(wèn)題。由此霍爾電流傳感器成為首選，其所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應(yīng)原 理，可在幾乎不消耗能量的情況下將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。本系統(tǒng)采用 TBC10SY 型霍爾電流傳感器，TBC10SY 雙環(huán)系列閉環(huán)電流傳感器的初、次級(jí)之間 是絕緣的，具有超強(qiáng)抗干擾能力；用于測(cè)量直流、交流和脈動(dòng)電流。 TBC10SY 雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器電參數(shù)如表 2-1 所示，引腳及安裝 結(jié)構(gòu)圖如圖 2-7 所示，從參數(shù)表可以看出其額定輸出電壓為(40.5%)V,15 V 雙電源供電，測(cè)量電流范圍為 015A,基本滿(mǎn)足小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用。

22、 需要特別指出的是 1)當(dāng)待測(cè)電流從傳感器穿過(guò)，即可在輸出端測(cè)得電壓大小。(注意：錯(cuò)誤的 接線可能導(dǎo)致傳感器損壞) 2)可按用戶(hù)需求定制不同額定輸入電流和輸出電壓的傳感器。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 7 表2-1 TBC10SY雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器電參數(shù) 電參數(shù) TBC10SY 額定輸入電流 12.515A 測(cè)量電流范圍 2530A 輸入腳尺寸 1.0 1.0mm 匝 比1：25001：3000 內(nèi)接測(cè)量電阻 400400 額定輸出電壓 40.5%V 電源電壓 155%V 零電流失調(diào) 20mV 失調(diào)電壓漂移 0.5mV/ 線性度 0.1%FS 響應(yīng)時(shí)間2 S 絕緣電壓 5.0KV 工作溫度-40+8

23、5 1 5 243 656 31 24 1 -15V 2 GND 3 +15V 4 OUT 5 +IN 6 -IN 圖 2-7 TBC10SY 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及引腳功能 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 2.2.4 V/V 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 要對(duì)太陽(yáng)能電池發(fā)電量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，就要求在采集太陽(yáng)能電池輸出電流 的同時(shí)要采集器輸出電壓，目標(biāo)太陽(yáng)能電池發(fā)電的電壓范圍是0V24V，所以要 想信號(hào)正常輸入到單片機(jī)中，必須適當(dāng)調(diào)節(jié)使電壓在輸入前轉(zhuǎn)化為0V5V。 系統(tǒng)本電路中采用電阻的電流電壓的線形關(guān)系將電流按比例轉(zhuǎn)化為合適的 電壓，其轉(zhuǎn)化關(guān)系為0V5V代表0A14A，電壓的轉(zhuǎn)化關(guān)系為0V5V代表 0V24

24、V。其電壓衰減電路連接如圖2-8所示. R7 10K R6 33K RP2 50K 太陽(yáng) 能電 池 VO2= 05V 圖 2-8 電壓衰減電路 2.2.5 電源設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì) （1）單片機(jī)電源設(shè)計(jì) 單片機(jī)是一種超大規(guī)模集成電路，在該集成電路內(nèi)有成千上萬(wàn)個(gè)晶體管或 場(chǎng)效應(yīng)管，因此，要單片機(jī)正常運(yùn)行，就必須為其提供能量，即為片內(nèi)的晶體 管或場(chǎng)效應(yīng)管供給電源，使其能工作在相應(yīng)的狀態(tài)。 AT89S52需要一個(gè)5V電源（實(shí)際工作電壓為3.6V6.0V）。因此，最簡(jiǎn)單 的辦法是用三節(jié)1.5V的電池串聯(lián)供電，也可用整流、穩(wěn)壓方式供電，可得4.5V 左右的電壓；如果用四節(jié)電池串聯(lián)，又用一硅二極管降壓，實(shí)際輸出電

25、壓為 5.4V左右。也可將市電交流變?yōu)?V20V的直流電壓，再經(jīng)集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn) 壓后得到穩(wěn)定的+5V電壓，也可不用集成穩(wěn)壓器，改用廉價(jià)的穩(wěn)壓二極管來(lái)穩(wěn) 壓。AT89S52本身耗電僅3mA（低時(shí)鐘耗電更小），因?yàn)閱纹瑱C(jī)要驅(qū)動(dòng)液晶顯 示裝置，則單片機(jī)電源也必須為這類(lèi)器件供電。電源電路都需要在AT89S52的 Vcc引腳與地之間接一電容0.1F,而且此電容應(yīng)緊靠單片機(jī)安裝,以濾除電源的 紋波,并使單片機(jī)和相鄰元件不受噪聲干擾。 因本系統(tǒng)為獨(dú)立發(fā)電，而且長(zhǎng)期使用，考慮到電源壽命，不適合由1.5V電 壓的電池供電。該裝置由市電提供驅(qū)動(dòng)電源也不符合實(shí)際，所以最佳方案應(yīng)該 由系統(tǒng)內(nèi)部太陽(yáng)能電池的蓄電池

26、供電。系統(tǒng)設(shè)計(jì)蓄電池輸出電壓為20V，經(jīng)穩(wěn) 壓集成塊7805穩(wěn)壓為5V，輸入單片機(jī)Vcc引腳，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)及數(shù)字顯示裝置。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 9 （2）霍爾傳感器電源的設(shè)計(jì) 圖 2-8 7805 模塊連接示意圖 此外，盡管霍爾傳感器耗電很小，但其仍然需要15V的工作電源，考慮 到系統(tǒng)是由蓄電池提供電源，所以就要設(shè)計(jì)選用一種能夠?qū)⒄妷恨D(zhuǎn)換成正負(fù) 雙電壓的器件，這個(gè)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)另一個(gè)重要的創(chuàng)新之處。巧妙采用了新特器件 ICL7662。ICL7662是INTERSIL公司生產(chǎn)的電壓變換器IC，ICL7662電壓轉(zhuǎn)換器 工作原理，如圖2.10所示，在ICL7662 工作周期的前半個(gè)周期，S1和S3閉合， S

27、2 和S4 斷開(kāi)，C1由輸入電壓充電到VIN。在接下來(lái)的后半個(gè)周期，S1和S3斷 開(kāi)，S2 和S4 閉合。在電路電阻非常小的情況下，就會(huì)由C1 放電在C2上，在 C2兩端形成-VIN。根據(jù)該芯片的工作原理，本文做了大量的試驗(yàn)，如果在C2兩 端加上-VIN，根據(jù)同樣的原理，會(huì)在C1上形成相當(dāng)于VIN的電壓。根據(jù)此特性 非常有利于從信號(hào)端“竊取”電源，即不管是在正電源端還是負(fù)電源端，只要 某一端有足夠的電平，芯片就會(huì)高效地完成“竊電”。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 表2.2 ICL7662管腳功能 管腳符號(hào)功能 1NC空腳，與內(nèi)部不連接 2CAP接電荷泵的泵電容正極（10）F 3GND

28、電源負(fù)端地 4CAP接電荷泵的泵電容正極極 5Vout電壓輸出端 6V電源正端（4.520V） ICL7662主要用于將正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負(fù)電壓，所以也被稱(chēng)為電壓反轉(zhuǎn)器， 用它還能組成正電壓倍壓電路及其它功能電路?？商娲吞?hào)的DIP封裝器件： 這兩種電壓變換器主要特點(diǎn)：反壓、倍壓(或多倍壓)電路簡(jiǎn)單、外圍元器件少； 電壓轉(zhuǎn)換率高達(dá)99.9(電壓反轉(zhuǎn)工作電壓范圍寬,ICL7662為4.520V；工作電 流小，主要應(yīng)用于電池供電的便攜式儀器、儀表中，可產(chǎn)生負(fù)壓、倍壓輔助電 源， 圖2-10 ICL7662工作原理圖 圖2-11 ICL7662引腳結(jié)構(gòu)圖 如+5V產(chǎn)生一5V或+9V電壓，用于需要正

29、負(fù)電源供電的運(yùn)算放大器、數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)或供動(dòng)態(tài)RAM等；另外，它也可用作驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET(高端驅(qū) 動(dòng))：管腳排列與功能這兩種器件的管腳排列與功能都相同,這兩種器件的管腳排 列與功能都相同，管腳排列如圖2-11所示。 電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負(fù)電 壓輸出的79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三 條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái) 組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù) 系統(tǒng)方

30、案設(shè)計(jì) 11 電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或 79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正 6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子 制作中經(jīng)常采用。 電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負(fù)電 壓輸出的79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三 條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。 用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還

31、 有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該 系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電 壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭?成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 2.2.6 輸出顯示模塊輸出顯示模塊 電量計(jì)算：Q=VIT,T的時(shí)間可根據(jù)需要在軟件編程時(shí)自行確定，如每隔3分 鐘采樣一次，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算后送1602液晶顯示發(fā)電量。為了節(jié)約電能，通過(guò)設(shè)置 繼電器，使液晶顯示器顯示十秒鐘后自動(dòng)熄滅。 液晶顯示器（LCD）由于功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，日漸成為各種便 攜式產(chǎn)品，儀器儀表以及工控產(chǎn)

32、品的理想顯示器。LCD種類(lèi)繁多，按顯示形式 及排列形狀可分為字段型、點(diǎn)陣字符型、點(diǎn)陣圖形型。單片機(jī)有用系統(tǒng)中主要 使用后兩種。 1602點(diǎn)陣字符型LCD，16代表每行可顯示16個(gè)字符；02表示共有2行，即這 種LCD顯示器可同時(shí)顯示32個(gè)字符。 （1）點(diǎn)陣字符型LCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1602電子字符型顯示模塊（LCM）由LCD控制器、LCD驅(qū)動(dòng)器、LCD顯示 裝置（液晶屏）等組成，主要用于顯示數(shù)字、字母、圖形符號(hào)及少量自定義符 號(hào)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 圖 2-12 1602 電子字符型 LCD 的內(nèi)部結(jié)構(gòu). 表 2.3 1602 液晶引腳接口說(shuō)明表

33、編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明 1VSS 電源地 9D2 數(shù)據(jù) 2VDD 電源正極 10D3 數(shù)據(jù) 3VL 液晶顯示偏壓 11D4 數(shù)據(jù) 4RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12D5 數(shù)據(jù) 5R/W 讀/寫(xiě)選擇 13D6 數(shù)據(jù) 6E 使能信號(hào) 14D7 數(shù)據(jù) 7D0 數(shù)據(jù) 15BLA 背光源正極 8D1 數(shù)據(jù) 16BLK 背光源負(fù)極 （2）1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能 顯示容量:162個(gè)字符 芯片工作電壓:4.55.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 13 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）或16腳（帶背光

34、）接口，各引腳接口 說(shuō)明如表2-3： （三）（三）LCD1602LCD1602 與單片機(jī)的硬件連接圖與單片機(jī)的硬件連接圖 LCD1602 與單片機(jī)的硬件連接圖如圖 2-13 所示 圖 2-13 LCD1602 與單片機(jī)的硬件連接圖 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 2.2.3 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 2.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計(jì) AD0832控制原理： 正常情況下ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的 接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上

35、使用。當(dāng) ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和DO/DI 的 電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電 平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入 端CLK 輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在 第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第2、3個(gè)脈沖 下沉之前DI端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。AD0832部分程序流程圖如圖 2-14所示。 開(kāi)始 初始化 CS=1 CLK=0 DI=0 DO=1 芯片使能 通道選擇 取數(shù)據(jù) 關(guān)閉芯 片使能 送單片機(jī)

36、 數(shù)據(jù)處理 結(jié)束 是否發(fā)開(kāi)始信 號(hào) 否 是 圖 2-14 AD0832 部分程序流程圖 AD轉(zhuǎn)換部分源程序： unsigned char adc0832(bit SGL,bit ODD) unsigned char i,ad_data=0; cs=1; clk=0; 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 15 _nop_(); cs=0; delay(10); din=1; clk=0; _nop_(); clk=1; din=SGL; clk=0; _nop_(); clk=1; din=ODD; clk=0; _nop_(); clk=1; delay(1); clk=0; for(i=0;i8;i+) clk=

37、1; _nop_(); clk=0; ad_data=(ad_data1)|dout; delay(10); /cs=1; return(ad_data); 2.3.2 屏保部分程序設(shè)計(jì)屏保部分程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)屏保程序框圖如圖2-15所示 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 開(kāi)始 開(kāi)啟定時(shí)器 賦初值 關(guān)數(shù)碼管位掃 描 開(kāi)啟數(shù)碼管位 掃描 定時(shí)器計(jì)時(shí)累 加 是否有按鍵按 下？ 系統(tǒng)屏保程序流程 圖 是否計(jì)時(shí)到十 分鐘？ 圖 2-15 系統(tǒng)屏保程序框圖 屏保部分源程序： if(key=0)/按鍵 del_dis=30; while(del_dis-) display();/消抖 pr=0;/10

38、秒屏保開(kāi)始計(jì)時(shí) if(key=0) if(a) done=done;/顯示切換 a=0; if(done) DisDone1();/顯示切換 else DisDone2();/顯示切換 else a=1; void TimeInt() interrupt 1/定時(shí)器中斷 TH0=0X3c;/50毫秒計(jì)數(shù)初值 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 17 TL0=0Xb0;/50毫秒計(jì)數(shù)初值 t+; if(t=10)vbit=1; if(t=20)/1秒計(jì)時(shí) pr+; if(pr=20)pr=10;/屏保 secondbit=1;/1秒后采樣一次 t=0 2.3.3 主函數(shù)部分程序流程圖主函數(shù)部分程序流程圖 開(kāi)始 函數(shù)初

39、始化 電壓采集完畢？ 調(diào)用電壓采集 函數(shù) 調(diào)用電流采集函 數(shù) 電流采集完畢？ 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 送值到顯示 是 否 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)2 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)1 是 否 圖 2-16 主函數(shù)程序流程圖 主函數(shù)部分源程序 main() unsigned char del_dis;/消抖時(shí)間變量 bit a=0; 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 float temp=0; inti();/初始化 while(1) if(pr35999)Q=Q+1;temp=temp-36000;/整數(shù)部分 if(done) DisDone1();/顯示處理1（整數(shù)顯示） else DisDone2();/顯

40、示處理2（顯示小數(shù)部分） secondbit=0; if(key=0)/按鍵 del_dis=30; while(del_dis-)display();/消抖 pr=0;/10秒屏保開(kāi)始計(jì)時(shí) if(key=0) if(a) done=done;/顯示切換 a=0; if(done) DisDone1();/顯示切換 else DisDone2();/顯示切換 else a=1; 系統(tǒng)制作與測(cè)試 19 第三章第三章 系統(tǒng)制作與測(cè)試系統(tǒng)制作與測(cè)試 3.13.1 器件選擇與系統(tǒng)制作器件選擇與系統(tǒng)制作 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為采集200W的小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)，額定電壓24V，最大電流 6.18A，蓄電池200Ah

41、。設(shè)計(jì)正常放電時(shí)間為23天,0A6.18A的電流按比例轉(zhuǎn) 換為0V5V的電壓，由兩個(gè)電阻構(gòu)成的衰減器，輸出電壓放大比例由電阻R1和 R2的比值決定，設(shè)定V/V轉(zhuǎn)換比例為5/24，則R7=10k，R6+RP2=48k。 3.23.2 系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試 需要特別指出的是，太陽(yáng)電池在光照時(shí)產(chǎn)生的電能與光源輻照度、電池的 溫度和照射光的光譜分布等因素相關(guān)，因此在測(cè)定太陽(yáng)能電池的功率時(shí)，必須 規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件。國(guó)際電氣規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)IEC TC-82(International Electrical Committee, Technical Committee-82)關(guān)于地面上使用的太陽(yáng)能電池，定

42、義標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件為： AM1.5 地面太陽(yáng)光譜輻照度； 輸入光的功率為 1000W/m2； 測(cè)試溫度：25；C （a）系統(tǒng)連接實(shí)物圖 （b）系統(tǒng)模擬測(cè)試實(shí)物圖 圖3-1系統(tǒng)實(shí)物及模擬測(cè)圖 因此，標(biāo)測(cè)條件必須要有太陽(yáng)模擬器，考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件，我們采用了 模擬測(cè)試方法，及模擬輸入變化的電壓電流信號(hào)。系統(tǒng)實(shí)物圖和模擬測(cè)試如圖 3-1所示。 系統(tǒng)模擬測(cè)試數(shù)據(jù)如表3-1所示，測(cè)量條件：模擬輸入定電壓12.24V。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 表 3.1 模擬測(cè)量數(shù)據(jù) 模擬電流值（A）電流測(cè)量值 0.280.21 0.300.24 0.350.30 0.370.33 0.390.37 0.430.39 0.490.46 0.550.50 0.580.55 0.610.59 測(cè)量誤差如表3.2所示 表 3.2 初始的 10 次測(cè)量誤差 序數(shù) 12345678910 誤差 （% ） 2.922.822.732.722.682.652.532.412.352.38 采用MATLAB軟件對(duì)模擬測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析得到如圖3-2所示：由測(cè)量數(shù)據(jù) 與顯示數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)電量采集器的顯示誤差有一定的變化