毕业设计（论文）-基于单片机的太阳能电池数据采集系统设计（含电路图和流程图） .doc

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1、需电路图，翻译及开题报告，联系需电路图，翻译及开题报告，联系 QQ153893706QQ153893706 摘摘 要要 当今世界面临着能源短缺与环境污染两大问题，以太阳能电池为核心元件的太 阳能光伏发电技术是解决这两大问题的有效途径，在研究和工程应用中，人们需要 用太阳能电池测试仪对太阳能电池进行测试获取数据，进而对太阳能电池进行分析 评判。本文基于目前太阳能电池研究和工程应用的实际需要，设计了一款基于单片 机的太阳能电池数据采集系统，系统主要包括数据采集和数据处理及结果显示两大 部分。 本文主要从以下两个方面来完成太阳能电池数据采集系统的分析和设计： 1根据太阳能电池测试原理和电子电路的相关

2、知识，选用合适的电子元器件设计了 能够完成数据采集任务的硬件电路，主要包括温度信号采集单元、光强信号采集单 元、电压及电流信号采集单元、模数转换单元和串口通信单元等部分。 2用单片机 C 语言编写了与硬件电路相配合的软件程序，控制硬件电路完成数据采 集任务和数据采集部分与 PC 机之间通过串口进行的数据传输。 关键词关键词：太阳能电池；单片机；数据采集 Abstract Our world is exposed to energy shortage and environmental pollution problems,solar photovoltaic technology makes

3、solar cells as its core components, this technology is an effective method to solve these two problems, in research and engineer application，people need to use solar cell test system to test solar cells, so as to acquire needed data，and to make analysis and judgement to solar cells. Based on the sci

4、entific research and productions actual needs, we designed a solar cell test system based on MCU, this system primarily includes two sections,that is data acquisition and data processing and results displaying. 1. According to the test principle of the solar cell and the related knowledge about elec

5、tronic circuit, we have choosed suitable electronic components to design a hardware circuit, which can complete the task of data acquisition, this hardware circuit includes temperature data acquisition unit ，light intensity signal acquisition unit, vokage and current signal acquisition unit, analogu

6、e to digital conversion unit and serial communication unit, and so on. 2. We used MCU C programming language to compile sofeware program coordinated with the data acquisition hardware circuit, controlling hardware circuit to complete the task of data acquisition, and the serial communicating between

7、 data acquisition section and personal computer。 Key words : solar cell；MCU；data acquisition 目目 录录 第 1 章 绪论.1 1.1 设计题目及背景 1 1.1.1 设计题目.1 1.1.2 设计背景 1 1.2 研究目的及意义 4 第 2 章 设计原理及要求.5 2.1 太阳能电池的工作原理 5 2.2 太阳能电池的分类 6 2.3 太阳能电池的等效电路 7 2.4 太阳能电池的伏安特性曲线 8 2.5 太阳能电池的性能参数 9 2.6 太阳能电池的测试方法 .10 第 3 章 方案设计及选择11

8、3.1 方案设计 .11 3.2 方案选择 .13 第 4 章 系统硬件电路设计.15 4.1 PIC 单片机概述15 4.1.1 PIC 单片机介绍15 4.1.2 单片机外围电路 .21 4.2 电压电流信号采集单元设计 .22 4.3 光强信号采集单元设计 .24 4.4 继电器单元电路设计 .25 4.5 温度信号采集单元设计 .26 4.5.1 DS18B20 工作原理27 4.5.2 DS18B20 内部结构30 4.5.3 DS18B20 内部命令32 4.6 步进电机单元电路设计 .34 4.6.1 步进电机介绍 .34 4.6.2 步进电机结构和原理 .37 4.6.3 UL

9、N2003 介绍39 4.6.4 步进电机驱动电路 .41 4.7 显示单元电路设计 .43 4.8 通信单元设计 .44 4.9 电源电路设计 .46 第 5 章 系统软件设计48 5.1 系统主程序软件设计 .48 5.2 温度采集软件设计 .49 5.3 A/D 转换部分软件设计51 5.4 显示部分软件设计 .53 5.5 步进电机部分软件设计 .54 5.6 通信部分软件设计 .55 总 结57 致 谢.58 参考文献.59 附 录60 外文翻译.74 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.11.1 设计题目及背景设计题目及背景 1.1.11.1.1 设计题目设计题目 基于单片机的太阳能

10、电池数据采集系统设计 1.1.21.1.2 设计背景设计背景 能源是人类赖以生存的物质基础，是现代文明的重要保证，可靠、安全的能源 供给和清洁、高效的能源利用是实现经济社会发展的基本保证工业现代化所需要 的主要能源，如石油、煤、天然气等又都是不可再生能源。因此，能源战略都被世 界各国当做其经济发展战略的重要组成部分。随着世界经济的高速发展以及工业化 程度的不断提高，世界各国对能源的需求一直保持着强劲的增长势头，能源问题已 经越来越成为制约全球各国经济和社会发展的重要因素之一。 同时，能源消费也产生了相当严重的环境问题。石油、煤和天然气都是含碳量 很高的能源，在使用过程中产生了大量的 C02等温

11、室气体，全球的能源消费所产生 的 C02等温室气体对全球气候构成了严重的威胁，目前已经成为国际社会关注的焦 点。这些温室气体导致地球温度升高，冰川后退、海平面上升，全球性的洪涝、干 旱、酷暑、严寒、风暴等自然灾害增多，对工农业生产造成了极为有害的影响。三 大含碳能源在燃烧过程中还产生了数量极为巨大的有害气体 S02，这是导致酸雨灾害 的主要原因。气候科学研究表明，我们的地球已经接近了“临界点” ，如果不能使目 前的温室气体排放在今后几十年内大幅减少，那么，当前正在发生的气候变化将会 造成极其严重的自然灾害。尽管 IPCC 在第 4 次评估报告中提出，建议世界各国在 2050 年时将温室气体排放

12、减至 1990 年的一半至 85%，但科学界仍然认为这个数据比 较保守，因为气候变化的速度已超过了人们的预期。 从我国的能源状况来看，我国的煤炭资源比较丰富，而石油、天然气资源相对 2 贫乏，从长远的角度来看，我国的能源供给会面临总量上的短缺，我国不可能像美 国那样通过政治、经济和军事的力量获取全球的能源资源来解决我国的能源问题。 因此，能源问题将成为制约我国经济和社会发展的瓶颈。 我国目前的能源消费结构和能源消费规模已经使坏境不堪重负，能源消费性污 染是我国重要的环境污染类型，能源生产和能源消费所引起的环境污染问题已经严 重制约了我国的可持续发展，我国潜在的能源需求对环境也造成了巨大的压力。

13、我 国未来经济的发展面临着能源短缺、环境保护等一系列严重问题。 目前，在世界能源结构中，人类主要利用的是煤炭、石油、天然气等化石能源。 这些常规能源，曾极大地推动、并继续支撑着人类社会的发展。但化石能源的大规 模开采和使用，使得资源日益枯竭、人类生存环境也不断恶化，还诱发了许多国家 和地区之间的经济、政治纠纷，甚至引起了冲突和战争。我国的煤炭储量比较丰富， 是世界上最大的煤炭消费国，消耗量占我国总能耗的67%。这是导致我国环境污染和 生态恶化的重要原因之一。因此，人类必须未雨绸缪，大力开拓新能源与可再生能 源的应用领域。太阳能作为新能源与可再生能源的重要组成部分，有着煤炭、石油、 天然气等化石

14、能源无法比拟的优点：(1)储量丰富：太阳能是取之不尽、用之不竭的， 照射到地球表面的太阳能是人类目前所消耗能量的 6000 多倍。而且经测算表明， 太阳还能照耀地球600 多亿年。(2)应用广泛：太阳能与其它能源不同，它不存在分 布的偏集性。只要有阳光的地方就可以就地利用，不受海拔、地域等地理因素的限 制。有利于解决偏远乡村、海岛等地区的能源供应问题。(3)绿色环保：太阳能利用 过程中，不需要燃料、不产生噪声，没有废气、废水、废渣等的排放。与化石能源 对环境造成的污染相比，太阳能的绿色环保显得十分可贵。(4)经济性：虽然目前太 阳能发电的成本仍为常规发电的几倍，但随着太阳能利用技术的发展，其利

15、用成本 已大大下降。一般来说，太阳能利用的初期投入成本比较高，但由于太阳能无污染、 无噪声、取之不尽、分布广泛的特点，从长期来看，其使用成本要小的多。所以,专 家们一致认为太阳能是未来最清洁、最廉价的能源。鉴于以上优点，太阳能的开发 利用具有巨大的市场前景，不仅能带来很好的社会和环境效益，还具有明显的经济 效益。 由于石油、煤、天然气等常规矿物燃料目前己面临供应不足和日益枯竭的局面， 并且在它们的使用过程中产生了大量的温室气体和有毒气体，对环境造成了严重的 3 污染，成为全球关注的问题。世界各国都在积极采取措施，开发、利用风能、水能、 太阳能、生物质能等可再生能源，已经取得了可喜的成就，为应对

16、常规矿物能源的 枯竭做了相应的准备。世界能源消费结构正在向着清洁、低碳或无碳的核能、天然 气、风能和太阳能方向发展。 在各种可再生能源中，太阳能是最重要的能源，太阳每天投射到地面上的辐射 能理论上可以满足全球每天的能源需求，因此大力开发利用太阳能足解决能源问题 的有效途径。太阳能利用的主要形式有光热发电和光伏发电等。光热发电是利用太 阳光的热效应，通过热动力装置来发电；光伏发电是利用太阳能电池实现光能与电 能的相互转化，从而实现太阳能的利用。 太阳能利用方式中最重要、最具应用前景的技术就是太阳能光伏发电。太阳能 光伏发电可以直接将太阳能转换为电能，是一种无需化石燃料、没有污染获取电能 的高新技

17、术，是发达国家研究太阳能利用的重点。 随着化石能源的减少以及使用化石能源对气候和生态环境产生的负面影响越来 越明显，研究开发清洁的可再生能源成为世界各国实现经济和社会可持续发展的重 要战略。由于太阳能所具有的取之不尽、用之不竭的特点，太阳能光伏发电成为最 有发展前景的一种新能源技术，世界各国纷纷投入人力物力研究开发太阳能光伏发 电技术，将太阳能光伏发电产业做为解决能源和环境问题的战略产业加以重点支持， 使全球太阳能光伏发电产业得以迅猛发展。 世界各国尤其是发达国家政府都把太阳能发电视为朝阳产业，希望把这一产业 作为实现本国可持续发展的重要措施，制定了一系列支持和促进本国光伏发电产业 发展的政策

18、，对世界光伏产业的发展起到了积极地推动作用，全球光伏发电市场正 在迅速扩大，光伏发电正在成为全球的一大热点。 我国对太阳能电池的研究始于 1958 年。我国于 1971 年发射的东方红二号卫星 上首次成功地利用了太阳能电池，在 80 年代以前我国的光伏工业尚处于雏形。在 “六五” ，和“七五”期间，光伏工业和光伏市场开始得到国家的支持，使太阳能电 池工业得到了一定的发展，在许多领域得到应用。原国家计委于 2002 年启动的“西 部省区无电乡通电计划“大大刺激了我国光伏工业的发展，太阳能电池应用也取得了 一些进展。我国实施了很多重大光伏项目，这些项目对我国光伏市场和光伏产业的 发展都起到了积极地

19、推动作用。这些项目包括：中国政府的“光明工程”先导项目， 4 中国和加拿大合作的“CIDA 太阳能农村通电项目” ，国家计委的光明工程，西藏阿 罩光电计划等。 在 2010 年以前我国太阳能电池主要应用于独立光伏发电系统，2011 年到 2020 年问我国光伏发电市场将由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电 站和建筑屋面发电系统。随着我国综合国力的增强和光伏产业的蓬勃发展，我 国将会大规模建设大型太阳能热电站和太阳能光电站，届时太阳能光伏发电将 会成为我国的主要能源来源之一。 1.21.2 研究目的及意义研究目的及意义 太阳能光伏发电技术对改变我国的能源消费结构，解决由于能源消费而引:起的

20、 环境问题，实现我国的可持续发展都可以起到积极的作用，对我国建设资源节约型、 环境友好型社会，实现社会主义现代化都具有重大意义。 在太阳能光伏发电技术中太阳能电池起着关键和核心的作用，太阳能电池的开 路电压、短路电流、最大功率、转换效率等性能参数对其产业化应用有重要影响。 因此，太阳能电池的测试及判断分选是大阳能电池生产过程中的重要环节。测试是 在给定光强下，测出太阳能电池组件的伏安特性曲线，并由测得的电流、电压、温 度、光强等数据计算出太阳能电池组件的开路电压、短路电流、最大输出功率、转 换效率等参数，并据此进行分类评判。在测试过程中必须对太阳能电池组件在给定 光强下的各种数据进行采集，要准

21、确而高效地完成太阳能电池数据的采集，必须用 到太阳能电池测试系统。 本文设计了太阳能电池测试系统的数据采集部分，可以有效的采集太阳能电池 的电流、电压、光强和温度等参量，数据的采集过程可以在很短的时间内完成，避 免了温度和光强变化对测试数据的影响。对采集到的数据利用单片机的串口通信技 术，实现数据采集电路和 PC 机的通信，用 PC 机对数据采集电路采集到的数据进行 分析处理，得出太阳能电池的伏安特性曲线和相关性能参数，从而对被测太阳能电 池进行分析评判。 5 第第 2 2 章章 设计原理及要求设计原理及要求 2.12.1 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理 太阳能电池的制作材料多种多样

22、，有硅、硒、砷化镓、硫化镉等，但目前在全 球占据主导地位的主要是硅材料太阳能电池，因此本文中主要以硅材料太阳能电池 为代表来讨论太阳能电池的工作原理。 晶体硅太阳能电池是用硅材料制成大面积 pn 结进行工作的，一般是以 p 型硅半 导体材料作为基质材料，在 p 型硅表面扩散出一层很薄的经过重掺杂的 n 型层，然 后在 n 型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极，在整个背面制作作为背面接触 电极的金属膜，太阳能电池的表面一般会做绒面处理或覆盖减反射膜以减少光的反 射损失。当太阳能电池表面的 pn 结受到太阳光的照射时，如果入射光子的能量高于 硅材料的禁带宽度，则在 n 区、p 区和结区中会因光子

23、被吸收而产生电子空穴对， 在结附近的 n 区中产生的少数载流子会因为存在浓度梯度而扩散。如果少数载流子 离 pn 结的距离小于它的扩散长度，就会有扩散到结界面处的几率。在结区即 p 区与 n 区交界面的两侧存在一个被称为耗尽层的空间电荷区。在耗尽层内的正负电荷间 会形成一个方向由 n 区指向 p 区的内建电场。 扩散到结界面处的少数载流子空穴会被内建电场拉向 p 区，而扩散到结界面处 的少数载流子电子会被内建电场拉向 n 区，结区内产生的电子一空穴对会被内建电 场分别拉向 n 区和 p 区。在外电路处于开路状态的情况下，这些光生电子和空穴会 积累在 pn 结附近，结果使 p 区获得附加正电荷，

24、n 区获得附加负电荷，在 pn 结上 就会产生光生电动势。这一现象称为光生伏打效应，也称光伏效应，太阳能电池就 是根据光伏效应工作的。 太阳能电池板太阳光照在半导体 pn 结上，形成新的空穴.电子对，在 pn 结电 场的作用下，空穴由 n 区流向 p 区，电子由 p 区流向 n 区，接通电路后就形成电流。 这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电方式太阳能发电有两种方式， 一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。 （1）光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热 器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转 6 换过程；后一个过程是

25、热电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的 缺点是效率很低而成本很高，因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规 模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。 （2）光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能， 光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将 太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二 极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联 或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一 种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵

26、活性三大优点。太阳能电池寿命 长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发 电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千 瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的电池板 原料：玻璃，EVA，电池片、铝合金壳、包锡铜、不锈钢制价、蓄电池等。 2.22.2 太阳能电池的分类太阳能电池的分类 太阳能电池是一种能进行能量转化的光电元件，也称光伏电池或光电池。美国 的 Bell 实验室于 1954 年研制成功第一块太阳能电池，但是效率太低，造价又过于 昂贵，因此没有多少商业价值。后来由于航天科技的逐步发展，太阳能电池所起的

27、 作用变得越来越重要，在太空飞行器中太阳能电池成为必不可少的重要元件，这也 促进了太阳能电池的开发研究。由于许多新技术的采用，太阳能电池的效率有了很 大提高。 太阳能电池依据不同的标准，可以有不同的分类方法： 根据太阳能电池技术的成熟程度来划分，可以分成以下几个阶段：第 1 代太阳 能电池，主要是晶体硅太阳能电池：第 2 代太阳能电池，主要是各种薄膜太阳能电 池；第 3 代太阳能电池，主要是各种新概念太阳能电池。 根据太阳能电池使用的基本材料来划分，可以分为硅太阳能电池、化合物太阳 能电池、有机薄膜太阳能电池和燃料敏化太阳能电池等几种。 根据太阳能电池的结构来划分，可以将太阳能电池分力晶体硅太

28、阳能电池和薄 7 膜太阳能电池两大类。 2.32.3 太阳能电池的等效电路太阳能电池的等效电路 太阳能电池的基本结构是一个大面积的 pn 结，根据电子学理论，理想 pn 结的伏安特性可以表示为： 00 exp() 1exp() 1 (2-1) DD D T UqU III VkT 式 在式(2.1)中， D I 定义为 pn 结电流，I0定义为反向饱和电流，U0为 pn 结外加 电压,q=l.6l0.l9C 是电子电荷，Vr=kT/q 定义为温度的电压当量， k=1.38l0.23J/K 定义为波尔兹曼常数，T 是绝对温度。 在没有光照的情况下，pn 结处于平衡状态，没有电流流过 pn 结。当

29、有太阳光 照射到太阳能电池表面时，pn 结的平衡状态会被破坏，将产生一个从 n 区流向 p 区 的光生电流 Iph，同时，存在一个从 p 区流向 n 区，与光生电流方向相反的暗电流 Id，我们把光生电流的方向定义为参考正方向，因此，可以得到理想 pn 结太阳能电 池的 伏安 特性 可以 表示为： 考虑到太阳能电池的材料、制造工艺等因素，硅片的内部阻抗和电极接触会引 起串联电阻 Rs，pn 结内部的不完整性会引起并联电阻 Rsh，pn 结还具有结电容 Cj。 在一定的光强照射下，太阳能电池的光电流不随工作状态而变化，在等效电路 中可以看做恒流源，光电流中的一部分流经负载，在负载两端建立端电压，端

30、电压 0 qU -I exp()-1 (2-2) kT ph II式 8 反过来又正偏于 pn 结两端，产生一股暗电流，暗电流方向与光电流方向相反。 因此，太阳能电池的等效电路可以表述为图 2.1 所示（其中 R1 为负载电 阻）： 图 2.1 太阳能电池等效电路 由于器件的瞬时响应特性与太阳能的转换无关，且瞬时响应时问与绝大多数光 伏系统的时间常数相比微不足道，因此在实际的分析过程中结电容 C，可以忽略不 计。式中 U 为负载两端电压，Iph为光生电流，A 的取值范围为 l5，称为二极管因 子，用于考虑电路中二极管的非理想 pn 结。 2.42.4 太阳能电池的伏安特性曲线太阳能电池的伏安特

31、性曲线 根据经典光伏理论，在一定的光强和温度下，太阳能电池的伏安特性曲线 如图 2.2 所示 9 图 2.2 太阳能电池的伏安特性曲线 图中 Voc 是太阳能电池的开路电压，Isc 是太阳能电池的短路电流，Pm 是太阳 能电池的最大输出功率，Vm 是最大功率点电压，Im 是最大功率点电流。由图中可知， 太阳能电池的伏安特性曲线是非线性的，该曲线受太阳能电池自身的工艺参数，外 界光照的强度和太阳能电池自身温度等因素的影响。 从太阳能电池的伏安特性曲线中可以看出太阳能电池既不是恒流源，也不是恒 压源，不可能为负载提供任意大的功率。太阳能电池是一个非线性直流电源，输出 电流在一定电压范围内相当恒定，

32、最终在到达某个电压值之后，电流迅速下降至零。 太阳能电池的输出电流在短路状态下不是无穷大，而是一个有限值。太阳能电池有 一个最大输出功率点，工作在最大功率点上时利用效率才最高。太阳能电池的伏安 特性曲线受太阳能电池自身的工艺参数、外界光照的强度和太阳能电池自身温度等 因索的影响，不同的伏安特性曲线可以反映太阳能电池在不同环境条件下工作时的 发电能力和最佳效率点。 2.52.5 太阳能电池的性能参数太阳能电池的性能参数 对太阳能电池进行分类评判需要依据特定的性能参数，这些性能参数通常包括： 1.开路电压 Voc:太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池两端开路时的输 10 出电压值。 2.短路电

33、流 Isc：太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池输出端短路时 的输出电流值。 3.最大输出功率 Pm:太阳能电池的输出电压和电流随负载变化而变化，如果选 择的负载值使输出电压和电流的乘积最大，这个乘积即为太阳能电池的最大输出功 率 Pm，此时的输出电压和电流分别称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用 Vm 和 Im 表示。 4.填充因子 FF:填充因子是太阳能电池的一个重要参数，定义为太阳能电池的 最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，表述为： (23) mmm ocscocsc PV I FF V IV I 式 填充因子是评判太阳能电池输出特性的重要指标，能够反映太阳能电池质量的 优

34、劣程度，其值永远小于 l，填充因子越大，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形。 5.转换效率：太阳能电池的转换效率表示的是外电路连接最佳负载时的最大 能量转换效率，定义为太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。 表述为： * (24) mocsc inin PFF VI PP 式 太阳能电池的光电转换效率是评判电池质量和技术水平的重要参数，它与电池 的结构、结特性、工作温度、材料性质、放射性粒子辐射损伤和环境变化等因素有 关，其中与制造太阳能电池半寻体材料的禁带宽度的大小的关系最为直接。 6.串联电阻 Rs：串联电阻主要由半导体材料的体电阻、半导体材料与电极的接 触电阻、金属导体电阻

35、和电极导体电阻等组成。串联电阻对填充因子有重要影响， 串联电阻越小，填充因子越大，太阳能电池的 VI 特性曲线越接近矩形，太阳能电 池的转换效率越高；串联电阻越大，短路电流越小，开路电压不变，填充因子越小， 转换效率越低。 11 7.并联电阻 Rsh：并联电阻主要是由电池表面不清洁和半导体体内缺陷引起的， 包括 pn 结的漏电阻和电池边缘的漏电阻等，并联电阻对太阳能电池的开路电压有很 大的影响。 2.62.6 太阳能电池的测试方法太阳能电池的测试方法 太阳能电池的伏安特性受 R 照强度和电池温度的影响，因此规定太阳辐射光谱 为 AMl.5，日照强度为 1000W/m2。太阳能电池温度为 25时

36、为地面测试太阳能电池 性能的标准测试条件。 太阳能电池分析评判的依据是太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数， ，就是要 测出太阳能电池在标准日照强度 S 和标准温度 T 条件下，太阳能电池所带负载从零 变化到无穷大时太阳能电池的输出电压和输出电流的值，根据输出电压和输出电流 的值作出太阳能电池的 I-V 特性曲线，并根据测得的数据计算出太阳能电池的性能 参数，根据得出的 I-V 特性曲线和性能参数来评判太阳能电池的性能。为了尽可能 降低光强和温度变化对测试带来的影响，必须保证太阳能电池的测试是在极短时间 内完成的。 第第 3 3 章章 方案设计及选择方案设计及选择 3.13.1 方案设计方案设计

37、 在太阳能电池测试系统中，数据采集部分主要是对太阳能电池外接负载从零变 化到无穷大过程中太阳能电池的输出电压和输出电流、太阳能电池温度和日照强度 进行采集，并和 PC 机进行通信，将采集到的数据传到 PC 机，由 PC 机完成采集数据 的分析处理。 12 方案一 方案一系统结构框图如下所示： 图 3.1 方案一系统结构框图 该方案采用 51 系列的 80C51 单片机作为控制核心，A/D 转换采用 ADC0809 芯片， 采集的电压电流光强等信号转换成电压信号后通过多路模拟开关连接到 ADC0809， 应此只需一片 ADC0809 就可以，选通信号由单片机控制。温度采用数字式温度传感 器，直接

38、接单片机的 I/O 口。并且测电流电压光强等信号可以采用直接法和间接法。 直接法是指之间用专门的传感器直接测量。另外一种是间接法，就是通过电路计算 出部分信号值。数据通过 LCD 液晶显示器显示。同时控制步进电机转动，改变电路 的负载继续采集，从而实现自动采集。 方案二 方案二系统结构框图如下所示： 80C51 LCD显示 电平 转换 电路 PC机 步进 电机 步进 电机 驱动 电路 电压 信号 采集 电流 信号 采集 光强 信号 采集 多 路 模 拟 开 关 A/D 转 换 温度 信号 采集 13 图 3.2 方案二系统结构框图 该方案采用 PIC 系列的 PIC16F877 单片机作为控制

39、核心，A/D 转换采用单片机 内部 A/D 转换部分，采集的电压电流光强等信号转换成电压信号后直接接在有 A/D 转换输入的 I/O 口，应此不需要外加 A/D 转换电路。温度采用数字式温度传感器， 直接接单片机的 I/O 口。并且测电流电压光强等信号可以采用直接法和间接法。直 接法是指之间用专门的传感器直接测量。另外一种是间接法，就是通过电路计算出 部分信号值。数据通过 LCD 液晶显示器显示。同时控制步进电机转动，改变电路的 负载继续采集，从而实现自动采集。采集的数据可以通过串口通信送入到 PC 机中。 3.23.2 方案选择方案选择 方案一和方案二均能实现所要求的功能，方案一由于所选单片

40、机功能不及方案二， 所以电路比方案二要复杂，而且还需加许多辅助电路，这就增加了设计的工作量。 而方案二由于单片机自生带 A/D 转换单元，并且功能比较全面，因此电路比方案一 简单。并且 PIC 单片机有以下优越之处： PIC LCD显示 电平 转换 电路 PC机 步进 电机 步进 电机 驱动 电路 电压 信号 采集 电流 信号 采集 光强 信号 采集 A/D 转 换 端 口 温度 信号 采集 14 (l)哈佛总线结构： MCS-51 单片机的总线结构是冯一诺依曼型，计算机在同一个存储空间取指令和 数据，两者不能同时进行；而 PIC 单片机的总线结构是哈佛结构，指令和数据空间 是完全分开的，一个

41、用于指令，一个用于数据，由于可以对程序和数据同时进行访 间，所以提高了数据吞吐率。正因为在 PIC 单片机中采用了哈佛双总线结构，所以 与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线 都是 8 位的，但指令总线位数分别位 12、14、16 位。 (2)流水线结构： MCS-51 单片机的取指和执行采用单指令流水线结构，即取一条指令，执行完后 再取下一条指令；而 PIC 的取指和执行采用双指令流水线结构，当一条指令被执行 时，允许下一条指令同时被取出，这样就实现了单周期指令。 (3)寄存器组： PIC 单片机的所有寄存器，包括 I/O 口，定时器和程序计数器等都采用 R

42、AM 结构形式，而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作；而 MCS-51 单片机需 要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。 (4)运行速度高： 由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执行才用了流水作业方式，使得 运行速度大大提高。 (5)功耗低： PIC 单片机的功率消耗极低，是日前世界上最低的单片机品种之一。在 4MHz 时 钟下工作时耗电不超过 2mA，在睡眠模式下耗电可以低到 luA 以下。 (6)驱动能力强： I/O 端口驱动负载的能力较强，每个 I/O 引脚吸入和输出电流的最大值可分别达 到 25mA 和 20mA，能够直接驱动发光二极管 LED、光电耦合器或者轻微继电

43、器 等。 (7)外接电路简洁 PIC 单片机片内集成了上电复位电路、I/O 引脚上拉电路、看门狗定时器等，可 以最大程度减少或免用外接器件，以便实现“纯单片机”应用。这样，不仅方便 于开发，而且还可节省用户的电路空间和制作成本。 15 (8)程序保密性强 日前，尚无办法对其直接进行解密拷贝，可以最大限度的保护用户的程序版权。 综合考虑方案二比方案更好。故本设计采用方案二。本文设计的数据采集系统 主要采集太阳能电池的电压、电流、测试光强、电池温度四种数据。其中电压、电 流、测试光强需要经过 A/D 转换单元，实现由模拟信号到数字信号的转换，而温度 信号的采集采用数字温度传感器，可以直接输出二进制

44、数据；转换成二进制的电压、 电流、光强和温度数据通过串口与 PC 机进行通信，在 PC 机中进行数据的处理和处 理后结果的显示；整个数据采集部分以单片机为控制核心，通过单片机实现数据采 集单元、A/D 转换单元和串口通信单元之间的协调工作。 在测试系统的工作过程中，通过步进电机调节太阳能电池的负载电阻从零变化到 无穷大，并在负载电阻每增加一个固定阻值时采集此时负载电阻两端的电压和通过 负载电阻的电流，负载电阻为零时采集到的电流即为短路电流，负载电阻为无穷大 时采集到的电压即为开路电压：根据太阳能电池的短路电流与光照强度成正比关系 的原理来间接测得太阳能电池的光照强度：温度数据的采集采用数字温度

45、传感器 DS18B20，可以直接把现场采集到的温度信号转换成二进制数据，无需外加 A/D 转换 器。 16 第第 4 4 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 4.14.1 PICPIC 单片机概述单片机概述 本次设计采用 Microchip 公司的 PIC16F877 单片机作为控制器。PIC16F877 是 由 Microchip 公司所生产开发的新产品，属于 PICMicro 系列单片机，它是一种高速、 低功耗、高性能的 CMOS 器件，含有 ROM、RAM、EEPROM、FLASH RAM、I/O 端口、A/D 转换器、捕捉器/比较器/PWM、串行通信端口、定时器、中断控制器和一个中

46、央处理 器。这种结构是基于文件寄存器概念，有独立的数据/数据存储器总线和程序存储器 总线。数据总线和数据存储器总、线是 8 位的字宽，程序总线和程序存储器(FLASH PROGPAM MEMORY)是 14 位字宽。由于数据存储器集成在片内，通过片内的 8 位总线 与 ALU(算术逻辑单元)连接，可以直接用内部总线传送信息，所以它们都是以寄存 器方式工作和寻址，程序编码简洁高效。 4.1.14.1.1 PICPIC 单片机介绍单片机介绍 PLCl6F877 单片机功能配置如下表所示： 表 4.1 PLCl6F877 单片机功能配置 型号 功能 PIC16F877 工作频率 (MHZ) DC-2

47、0 FPRAM (位) 8K14 RAM (位) 368 EEPROM (位) 256 中断 (个) 14 17 注：FPRAM程序闪存(Flash Program Memory) ; CCP捕捉器/比较器/PWM(Capture/Compare/PWM); MSSP主同步串行口(Master Synchronous Seiral Port); USART通用同步异步器和发送器(Universal Synchronous Asynchronous Receive Transmitter); PSP并行从属端口(Parallel Slave Port); POR上电复位 (Power-on Re

48、set); BOR掉电复位 (Brown-out Reset); PWRT上电定时器 (Power-up Timer); OST振荡器起振定时器 (Oscillator Start-up Timer); PIC16F877 其封装有 PDIP、SOIC、SSOP、PLCC 和 QFP 等多种形式，本设计 采用 PDIP40 引脚的 PIC16F877 单片机。其引脚图如图 4.1.1。该封装的 PIC16F877 单片机有 40 个引脚，功能如下： I/O 端口A、B、C、D、E 定时器 (个) 3 CCP模块 (个) 2 串行通信模块 MSSP, USART 并行通信模块 PSP A/D 通

49、道个数 (个) 8 指令集 (条) 35 复位/(延时) POR, BOR/(PWRT,OST) 18 表 4.2 PLCl6F877 单片机引脚功能 引脚名引脚号I/O/P 类型功能说明 OSCI/CLKIN OSCI/CLKIN 13 14 I O 振荡器晶体/外时钟输入 振荡器晶体输出入 引脚名引脚号I/O/P功能说明 RA0/AN0 RAO/AN1 RA2/AN2/VREF. RA3/AN3/VREF+ RA4/TOCK1 RA5/SS/AN4 2 3 4 5 6 7 I/O I/O I/O I/O I/O I/O 端口 A/模拟输入通道 O 端口 A/模拟输入通道 1 端口 A/模拟输入通道 2 负参考电压 端口 A/模拟输入通道 3 正参考电压 端口 A/定时器 O 输入 端口 A/从片选择/模拟输入 4 MCLR/VPP1I/P主清零信号/编程电压输入 RB0/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD 33 34 35 36 37 38 39 40 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O 端口 B/外中断输入 端口 B 端口 B 端口