太阳能电池数据采集毕业设计.doc

兰州理工大学毕业设计说明书 1 太阳能电池数据采集毕业设计太阳能电池数据采集毕业设计 目目 录录 摘 要 1 1 ABSTRACT 2 2 第一章 绪 论 5 5 1 1 研究背景 5 1 1 1 能源与环境问题 5 1 1 2 太阳能的利用 5 1 1 3 太阳能光伏发电产业 6 1 2 本文研究的目的意义及主要研究工作 7 1 2 1 本文研究的目的和意义 7 1 2 2 本文所做的主要工作 8 第二章第二章 太阳能电池的特性及测试原理太阳能电池的特性及测试原理 9 9 2 1 太阳能电池的分类 9 2 2 太阳能电池的工作原理及等效电路 9 2 2 1 太阳能电池的工作原理 9 2 2 2 太阳能电池的等效电路 10 兰州理工大学毕业设计说明书 2 2 3 太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 11 2 3 1 太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 11 2 3 2 日照强度和电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 13 2 4 太阳能电池的测试方法 14 2 5 本章小结 14 第三章第三章 系统方案设计系统方案设计 1515 3 1 方案一 15 3 2 方案二 15 3 3 方案比较 16 第第 4 4 章章 硬件部分设计硬件部分设计 1717 4 1 PIC16F877 18 4 1 1 PICl6F877 微处理器的核心特点 18 4 1 2 PIC16F877 外围特点 18 4 1 3 输入输出端口简介 19 4 2 数据采集部分硬件电路设计 21 4 2 1 键盘设计 23 4 2 2 电压 电流信号采集单元设计 24 4 2 3 固态继电器电路设计 25 4 2 4 步进电机系统设计 26 4 2 5 光强信号采集单元设计 27 4 2 6 温度信号采集单元设计 27 4 2 7LCD 显示模块设计 30 4 2 8 串口通信单元介绍 31 第五章第五章 软件部分设计软件部分设计 3232 5 1 主程序设计 32 5 2 中断服务子程序 32 5 3 电压采集程序 33 5 4 电流采集程序 34 5 5 光强采集程序 35 5 6 温度采集程序 36 兰州理工大学毕业设计说明书 3 5 7 LCD 显示子程序 37 5 8 步进电机控制程序 38 第六章第六章 总结总结 4040 参考文献参考文献 4242 英文原文英文原文 4444 英文翻译英文翻译 5454 致致 谢谢 6060 附附 件件 6161 第一章 绪 论 1 1 研究背景 1 1 1 能源与环境问题 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 兰州理工大学毕业设计说明书 4 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 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 SO2 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 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 我国目前的能源消费结构和能源消费规模已经使环境不堪重负 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 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 1 1 2 太阳能的利用 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 表 1 1 为能源专家对今后 40 50 年可再生能源的预测数据 表 1 1 中数据表明 到 本世纪中叶 全球石油所剩无几 天然气储量急剧减少 核电和水电在消费结构中的 比列都不超过 10 太阳能 风能和生物质能将占能源消费结构的 50 表 1 1 全球能源消费结构 2050 年 单位 水电煤炭石油天然气核电太阳能 风能 生物质能其他 52001310502 1 1 2 1 太阳能的利用方式 兰州理工大学毕业设计说明书 5 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是解决能源问题的有 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 术 是发达国家研究太阳能利用的重点 1 1 2 2 我国太阳能的利用 煤是我国的主要能源 我国的煤消费量占能源总消费量的 70 以上 这种以煤为 主的能源消费结构造成我国能源系统效率低下 环境污染严重 因此 大力发展风能 太阳能等可再生能源 是改善我国的能源结构 解决我国能源问题的有效方法 中国 超过三分之二的国土的年同照时间大于 2200 小时 年辐射总量平均大于 5900MJ 平方 米 资源极为丰富 有大力发展的可能性和必要性 我国太阳能的利用主要集中于两大方面 一方面是太阳能光热利用 即用太阳能 热水器等装置把太阳能转化成热能 中国是世界上最大的太阳能光热利用国家 光热 也可用于发电 建设上规模的光热电站 另一方面是太阳能光电转换 即用太阳能电 池把太阳能转化为电能 1 1 3 太阳能光伏发电产业 1 1 3 1 世界太阳能光伏发电产业 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 据欧洲联合研究中心 世界能源组织 欧洲光伏工业协会的预测 2020 年世界光伏发 电将占到全球总电力的 1 到 2040 年光伏发电将占到全球发电量 20 的份额 照此 推算 未来几十年 全球光伏产业的年均增长率将达到 25 30 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 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 兰州理工大学毕业设计说明书 6 1 1 3 2 中国太阳能光伏发电产业 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 到了积极地推动作用 这些项目包括 中国政府的 光明工程 先导项目 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 间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 2 本文研究的目的 意义及主要研究工作 1 2 1 本文研究的目的和意义 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太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问内完成 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 兰州理工大学毕业设计说明书 7 判 1 2 2 本文所做的主要工作 本文所做的主要工作简述如下 1 通过查阅半导体物理和太阳能电池等相关的文献资料 了解太阳能电池的工作原 理及其输出伏安特性 根据此伏安特性 结合电子电路相关知识 用适当的电子元器 件设计了一种新颖的用于太阳能电池数据采集的硬件电路 2 根据单片机原理等电子学知识和本课题所设计的硬件电路的具体情况 用目前流 行的单片机语言 编写了实现本课题做需的数据采集和数据通信等功能的软件程序 兰州理工大学毕业设计说明书 8 第二章 太阳能电池的特性及测试原理 2 1 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 新南 威尔士大学的科研人员 MartinA Green 领导的研究小组 已经使单晶硅太阳电池转换效 率高达 24 7 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为晶体硅太阳能电池和薄膜 太阳能电池两大类 2 2 太阳能电池的工作原理及等效电路 2 2 1 太阳能电池的工作原理 太阳能电池的制作材料多种多样 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 晶体硅太阳能电池的结构如图 2 1 所示 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 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 兰州理工大学毕业设计说明书 9 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 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 图 2 1 晶体硅太阳能电池结构 2 2 2 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 2 1 0 exp 1 0 exp 1 在式 2 1 中 ID定义为 pn 结电流 I0定义为反向饱和电流 UD为 pn 结外加电压 q 1 6 10 19c 是电子电荷 VT Kt q 定义为温度的电压当量 k 1 38 10 23J K 定义为玻 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 rl 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 2 2 0 exp 1 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 兰州理工大学毕业设计说明书 10 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 端电压反过 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 2 所示 其中 R 为负载电阻 图 2 2 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 且瞬时响应时间与绝大多数光伏 系统的时问常数相比微不足道 因此在实际的分析过程中结电容 Cj可以忽略不计 电 压 电流方向如图中所示 可以得出太阳能电池的 I V 方程为 2 3 0 1 对实际使用的太阳能电池而言 它们的参数各不相同 因此 在方程中的参数应 处理为集中参数 式中 U 为负载两端电压 Iph为光生电流 A 的取值范围为 l 5 称 为二极管因子 用于考虑电路中二极管的非理想 pn 结 2 3 太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 2 3 1 太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 2 3 1 1 太阳能电池的伏安特性曲线 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 3 所示 图 2 3 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 兰州理工大学毕业设计说明书 11 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 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素的影响 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 3 1 2 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出 电压值 2 短路电流 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 2 4 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 劣程度 其值永远小于 1 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 2 5 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 兰州理工大学毕业设计说明书 12 制造太阳能电池半导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 V I 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 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 3 2 日照强度和电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 太阳能电池的伏安特性曲线是对太阳能电池进行分类评判的基础 太阳能电池的 伏安特性曲线与日照强度和电池温度有关 通常 地面上同照强度的变化范围是 0 到 1000W m2 电池温度的变化范围是 10 到 70 2 3 2 1 日照强度对太阳能电池伏安特性的影响 太阳能电池的温度实际上是受日照强度影响的 为了探讨日照强度对太阳能电池 伏安特性的影响 可以保持太阳能电池的温度和大气质量等条件不变而仅改变同照强 度 如图 2 4 所示 开路电压随同照强度的变化很轻微 短路电流随日照强度的变化 很明显 图 2 4 不同日照强度下太阳能电池的伏安特性曲线 2 3 2 2 电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 保持日照强度等条件不变 短路电流随温度升高有轻微增加 开路电压随温度的 升高而降低 与温度几乎成线性变化 2 4 太阳能电池的测试方法 兰州理工大学毕业设计说明书 13 太阳能电池的伏安特性受日照强度和电池温度的影响 因此规定太阳辐射光谱为 AM1 5 日照强度为 1000W m2 太阳能电池温度为 25 时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 对太阳能 电池进行测试 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 2 5 本章小结 本章主要介绍了太阳能电池依据不同标准而采用的几种不同分类方法 并以目前 在市场中占主导地位的硅材料太阳能电池为例 讨论了太阳能电池的工作原理 结合 相关的电子学理论知识和太阳能电池自身的特点 给出了太阳能电池的等效电路和伏 安特性方程 最后简要阐述了太阳能电池的性能参数和测试方法 第三章 系统方案设计 3 1 方案一 系统的温度采集选用 PTl000 铂电阻温度传感器 PT100 是铂热电阻 它的阻值会 随着温度的变化而改变 PT 后的 100 即表示它在 0 时阻值为 100 欧姆 在 100 时它 的阻值约为 138 5 欧姆 它的工业原理 当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆 它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的 采集到的电 压信号经集成运放 LM324 放大到 2 O 一5 0 伏之间 转换结果由单片 机处理 显示电路采用直接驱动四位七段数码管进行显示 通过查询方式 键盘进行各项数据采集的控制 通过软件手段实现按键的消抖 方框图如 图 3 1 所示 电压 电流 采集单元 PT100 16F877 PIC 单片机 查询方式 键盘 兰州理工大学毕业设计说明书 14 图 3 1 方案一方框图 3 1 方案二 系统的温度采集选用采用温度传感器 DS18B20 它是美国 Dallas 半导体公司生产 的数字化温度传感器 DS18B20 它支持 一线总线 接口的温度传感器 全部传感元件 及转化电路集成在形如一只三极管的集成电路内 我们可以采用 DS18B20 采集温度 再进行温度数值转化 再在显示电路上显示 显示电路采用 LCD 进行显示 通过中断 方式键盘进行各项数据采集的控制 当按下按键就可以跳入新的采集任务 通过软件 手段实现按键的消抖 方框图如图 3 2 所示 图 3 2 方案二方框图 3 3 方案比较 从以上两种方案中 很容易看出采用方案二所设计的电路相对来说稍微复杂 但 光强信号采 集单元 PT100 温度 采集器 DS18B20 LED 显示 串口通信 光强信号采 集单元 DS18B20 温 度采集 8B20 电压 电流 采集单元 PT100 16F877 PIC 单片机 中断方式 键盘 LCD 显示 串口通信 兰州理工大学毕业设计说明书 15 外围电路的复杂却大大简化了程序方面的编写 采用一种智能温度传感器 DS18B20 作为检测元器件 测温范围 55 125 分 辨率最大可达 0 0625 DS18B20 可以直接读出被测温度值 采用 3 线制与单片机相 连 减少了外部硬件电路 具有低成本和易使用的特点 本设计要求显示每次采集任务的具体数值 从显示的内容 以及考虑到设计的可 靠性 最后决定选择 LCD 显示最为合适 在键盘设计方面采用了中断方式 这样在任何时间的采样任务都可以得到响应 程序的逻辑性也更强 综上所述 最终决定采用方案二作为设计方案 兰州理工大学毕业设计说明书 16 第 4 章 硬件部分设计 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在从零变 化到无穷大过程中太阳能电池的输出电压和输出电流 太阳能电池温度和只照强度进行 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 根据太阳能电池测试原理及本文所选器件的特性 可以做出本文数据采集部分的 总体结构如图 4 1 所示 图 4 1 数据采集部分总体结构 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 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传感器 DSl8B20 可以直接把现场 采集到的温度信号转换成二进制数据 无需使用 A D 转换器 4 1 PIC16F877 光强信号采 集单元 DS18B20 温 度采集 8B20 电压 电流 采集单元 PT100 16F877 PIC 单片机 中断方式 键盘 LCD 显示 串口通信 兰州理工大学毕业设计说明书 17 PICl6F877 的工作频率范围为 DC 20MHz 内置 POR Power on Reset 和 BOR Bmwn out Reset 两种复位功能 上电延时定时器 Power up Timer PWRT 振荡 器起振定时器 Oscillator Start upTimer OST 除了 1 个看门狗定时器之外 另外还有 3 个定时器及 2 个 CCP 模块 串行通信模式方面则支持 MSSP 和 USART 这些都是 P1C16F877 的特点 4 1 1 PICl6F877 微处理器的核心特点 使用高性能的 RISC CPU 核心 只需要学习 35 个单字的指令即可 除了部分程序 分支 Branch 的指令需要 2 个指令周期外 所有的指令执行时间都只需要 1 个指令周 期而已 操作时钟速度范围 DC 到 20MHZ 的时钟输入 相当于 DC 到最短 200ns 的指令 周期 程序存储器 Flash 最多可到 8K 的字 14 位宽 368 的字节 8 位 以及 256 字节 的 EEPROM 数据存储器 引脚和 PICl6C73 74 76 77 完全兼容 支持中断处理 14 个中 断源 8 层的硬件堆栈 Hardware Stack 结构 有直接 间接及相对寻址三种模式 具有上电复位功能 POR Power on Reset 内置上电延时定时器 PWT Power up Timer 与振荡器起振定 OST OscillatorStart up Timer 内部的看门狗定时器 WDT Watchdog Timer 有自己的 RC 振荡器 提高动作的可靠度 提供可编程代码保护 Code Protection 功能 具有省电功能的休眠 SLEEP 模式 多种振荡时钟形式的选 择 采用低功率 高速的 CMOS Flash EEPROM 技术 完全静态设计 Full Static Design 使用两个引脚来完成串行烧写的工作亦即支持 ICSP In Circuit Serial Programming 功能 烧写时仅需 5v 的电源即可 两个引脚的 ICD In Circuit Debug 接口功能 可对程序存储器进行读取或写入的动作 操作电源范围弹性大 由 2 0V 到 5 5V 引脚可吸入或提供电流高达 25mA 商业用 工业用或范围更大的操作温度范围 低功率消耗 在 5V 4MHz 下 低于 2mA 在 3V 32kHz 下 约为 20uA 在一般待命状况 下 电流小于 luA 4 1 2 PIC16F877 外围特点 T1mero 为 8 位的定时器 计数器 Timer Counter 其中包含了 8 位的预定标器 Prescaler 实际上就是一个预分频器 Timerl 为 16 位的定时器 计数器 也包含了预分频器 在休眠模式下也可使用 外部的时钟来递增计数 Timer2 为 8 位的定时器 计数器 包括了 8 位的周期寄存器 预分频器 Prescaler 与后分频器 Postscaler 2 个集捕捉 比较 脉宽调制 3 项功能于一身的 CCP 模块 Capture Compare PWM Module 捕捉功能为 16 位 最大分辨率为 12 5ns 比较功能也是 16 位 最大分辨率为 200ns PWM 的最大分辨率为 10 位 兰州理工大学毕业设计说明书 18 10 位多通道的模拟 数字转换器 A D Converter 提供了同步串行口 Synchronous Serial Port SSP 包括了 SPI 主控模式 与 I2C 功能的主控和从动模式 通用同步异步接收发送系统 Univensal Synchlonous Asynchronous ReceiverTransmitter USART SCI 包含 9 位地址的侦测 提供 8 位的并行从动端口 Parallel Slave Port PSP 并有 RD WR CS3 个外 接控制引脚 电源电压低侦测 Brown out Detection 电路掉电复位 Brown out Peset BOR 的功能 4 1 3 输入输出端口简介 输入输出端口是单片机最基本的接口 通过这个接口单片机可以用数字的方式与 其外围电路连接 从而进行电路的控制和信号的检测 大部分的单片机引脚都可以同 时具备双向输入输出的功能 基本上是作为一个输入引脚或输出引脚使用 只是引脚 的阴抗特性有个同罢了 在单片机引脚内部提供不同的两条阻抗特性的路径可以作为 双向输入输出引脚 不过此时需要另外 个选择引脚作为输入或输出的选择位 通常 称之为方向位 Direction Bit 另外还有一个标志位 在作为输入引脚时用来存放引 脚的状态值 作为输出引脚时则是单片机用来设置引脚状态用的 这就是一般常见的 单片机引脚结构 PIC 是 8 位的单片机 因此 I O 端口也以 8 个引脚为一组单位 恰好对应到内部的 端口寄存器和端口方向寄存器 方向寄存器的内容决定了 I O 口的方向 I 表示输入 O 表示输出 当引脚当作 I O 口使用时 主要有两个寄存器 一个是 PORTx 也可用 Rx 表示 另外一个是 TRISx TRISx 用来决定输入输出口的方向 每一个 I O 口个别的引脚都可 以独立地设定作为输入或是输出引脚 当该引脚设置为输入引脚时 对应的 Rx 位的内 容就为该引脚的状态 当该引脚设置为输出引脚时 对应的 Rx 位的值由程序内部写入 在写入 Rx 寄存器数据时 单片机内部真正的动作流程是依照 读入一修改一写入 的 程序来完成的 整个端口的数据都会被读出 然后根据指令修改位的内容 再将整个 端口的值写回去 所有的 I O 口引脚都有保护二极管存在 此二极管接在 I O 引脚和 VDD Vss 之间 确保引脚的电压电位在 VDD Vss 之间 因此单片机外部可以省去保护 二极管的设计 基本上 I O 口的使用并不困难 当引脚作为输出时 表示单片机必须提供一个电压电位来控制外部组件 在引脚 输出 l 的时候 引脚必须提供足够的电流才能维持引脚的状态 因此在设计外部电路 的时候 必须注意引脚的电气规格能提供多大的电流 这样的设计才不会发生推不动 外围电路的情形 同样 在输出 0 的时候 电流的方向可能是由外围电路流进引脚内 这时必须注意流进引脚的电流是否会超过单片机输出电路所能吸入的最大电流值 这 兰州理工大学毕业设计说明书 19 是在引脚作为输出功能时 外围电路设计上要注意的地方 至于输入引脚作为输入功 能时为高阻抗的输入特性 还会有一个微小的漏电流存在 这些电气特性都可以在单 片机 Date Book 的电气特性 Electrical Chara teristic 部分查到 这其实不仅是作为标准 I O 引脚时所具有的电气特性 在 作为其他的外围功能的输入输出引脚时 也有相同的问题要注意 PORTA 是一个 6 位宽的输入输出端口 I O Port 分别标示为 RA 0 RA 5 在当作 一般的 I O 口时 TRISA 用来设置该引脚是要作为输入还是输出 每一个引脚都可以个 别地做不同设置 设为 1 表示作为输入引脚 为 0 则表示为输出引脚 RA 是 I O 口的 值 每个位对应该引脚的值 作为输入引脚时 引脚会呈现高输入阻抗的特性 因此 外部的值会直接反应在 RA 中的位里 作为输出引脚时 只要将值写入这位即可 PORTB 是一个 8 位宽的双向 I O 端口 同样也使用 TRISB 寄存器来设置端口引脚作 为输入 输出引脚 用 RB 寄存器作为端口引脚数据的缓冲器 PORTB 具有一项由内部提 供的弱上拉 Weak Pull up 功能 并在 OPTION REG 寄存器中有一个 RBPU 位可以使能 或禁止这个特性 但是在端口引脚设定作为输出引脚时 这项特性就会自动被屏蔽 在 POR 的时候 Weak Pull up 也是被屏蔽的 另外 PORTB 的 PB7 PB4 这 4 个引脚 提 供了电平变化中断 Interrupt On Change 的功能 当然要使用这项功能时必须先把该 引脚对应于 TRISB 的位设置为输入才行 其他则是属于中断的设置 PORTC 是一个 8 位宽的双向 I O 端口 同样也是使用 TRISC 寄存器来设置端口引脚 作为输入输出引脚 用 RC 寄存器作为端口引脚数据的缓冲器 PORTC 的输入为斯密特 触发缓冲器 Scbmitt Trigger Input Buffer PORTC 的引脚也和其他外围模块共享 这些外围包括了 Timerl 的时钟输入和振荡器的输入 输出 CCP 模块的输入 输出引脚 以及串行通信的引脚 在使用这些外围的时候 TRISC 寄存器的内容无法完全决定该引 脚的输入 输出状态 主要以外围模块的设置为主 因此在使用 PORTC 的外围模块时 尽量避免写入或读取 TRISC 这个寄存器 在使用 I2C 的通信方式时 PORTC 3 4 的 引脚可以通过 SSPSTAT 寄存器中的 CKE 位来设置是要使用一般 I2C 的电位还是 SMBUS 的电位 PORTD 是一个 8 位宽的双向 I O 端口 同样也是使用 TRISD 寄存器来设置端口引脚 是作为输入还是输出引脚 用 RD 寄存器来作为端口引脚数据的缓冲器 PORTD 也可以 作为并行从动端口 Parallel Slave Port PSP 的总线引脚 作为和其他微处理器沟通 的并行接口 PORTD 方向控制寄存器 TRISE 中的 PSPMODE 位就是用来选择 PORTD 作为 PSP 功能 作为 PSP 功能时全部的引脚同时作为总线引脚 不能选择性地使用 在作为 一般的 I O 端口时 PORTD 的输入为斯密特触发缓冲器 Schmitt Trigger Input Buffer 在作为并行从动口时 则是 TTL 缓冲器 兰州理工大学毕业设计说明书 20 PORTE 仅有 3 个引脚 可作为双向的 I O 口 它有自己的 RE 和 TRISE 寄存器 不 过只有位 0 到位 2 有用 在作为 I O 口的输入引脚时 内部为斯密特触发缓冲器 Schmitt Trigger Input Buffer 4 2 数据采集部分硬件电路设计 本文设计的数据采集部分的电路原理图如图 4 2 所示 PIC16F877 VDD 4MHZ 30PF C D E FF G H RA3 AN3 RA2 RA1 RA0 RB2 RB1 RB0 RB3 VSS GND VCC DS18B20 GDM1602K MAX232 5V C1 C2 C2 C1 T2OUT R2IN V V 0 1UF0 1UF GND DB9 RD0 RD1 RD2 RD3 RD4 RD5 RD6 RD7 RC1 RC2 RC3 RB4 RB6 RB5 RB7 RC7 RX RC6 TX DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 E R W RS V0 VDD LEDA LEDK U I S T T2IN R2OUT 1K 1K C12 C10 C3 C13 VSS MCLR DQ 5V 24V V OPTO PUL DIR ENA A A B B 红 黄 绿 蓝 负载 电阻 Q2HB44MG BS57HB56 5V 5V 5V 1K 1 75 KM3 DELAYDELAY DELAY KM1 KM2 太阳 能电池 1K K3 K11K12 K22K21 5V 5V 10uF 5 6K C1 CLKIN CLKOUT 30PF C2 1K 1K 5V 5V 5V 10K 10K 10K 10K 5V 图 4 2 数据采集电路原理图 太阳 能电池 1K 图 4 3 数据采集部分电路图 兰州理工大学毕业设计说明书 21 图 4 2 和图 4 3 所示是数据采集电路原理图的两个部分 图 4 2 所示的内容包括单 片机 温度采集器件 DSl8B20 步进电机 电压转换芯片 MAX232 和 RS232 接口 DB9 图 3 3 中所示为起开关作用的三个固态继电器 它们都通过引脚与单片机芯片连 接 由于步进电机系统属于独立的外部元件 通过步进电机驱动器的三根引线与单片 机连接 因此图中没有画出步进电机部分的电路图 会在后面进行介绍 根据图 4 3 所示的原理图制作好的电路板有七根外引线 如图 4 4 所示 PUL 引线 DIR 引线 ENA 引线 电池正极 电池负极 负载电阻 太阳能电池 图 4 4 数据采集部分电路板引线图 在图 4 2 中 步进电机驱动器的脉冲信号引脚 PUL 方向信号引脚 DIR 使能信 号引脚 ENA 分别接单片机的 RA0 RA1 RA2 引脚 由单片机的 RA2 引脚输出的低 电平来选中步进电机驱动器 由单片机的 RA1 引脚输出的电平信号来控制步进电机转 动的方向 由单片机的 RA0 引脚输出的脉冲信号的频率来控制步进电机转动的速度 数字温度传感器 DSl8B20 的数据端 DQ 接单片机的 RB3 引脚 单片机通过 RB3 引脚 控制 DSl8B20 的工作 DSl8B20 也通过 RB3 引脚将转换完的温度数据传送给单片机 图中的三个继电器在电路中起着开关的作用 由单片机的 RB0 RB1 RB2 引脚输出 的电平信号来控制三个继电器的断开与闭合 从而与其他元件组成不同的回路来完成 所需的测量任务 图中的电平转换芯片 MAX232 和 RS 232 接口 DB9 接单片机的 RC7 和 RC6 引脚 数据采集电路采集到的数据在单片机的控制下通过 RC7 引脚传输给上位 PC 机 上位 PC 机的指令通过 RC6 引脚传送给单片机 整个数据采集部分的电路是以单片机为控制核心的 在数据采集部分电路中 用 步进电机和步进电机驱动器实现太阳能电池所接负载电阻按一定的阻值间隔从零到无 穷大的变化 单片机与步进电机驱动器相连 通过单片机控制步进电机驱动器工作 进而控制步进电机按一定的步距角转动 从而实现太阳能电池所接负载电阻的变化 温度采集所采用的数字温度传感器 DSl8B20 是单线总线结构 需要按照严格的时序由 单片机进行控制 才能顺利实现温度数据的转换和输出 电流 电压和光强信号都需 数据采集部分电路板 兰州理工大学毕业设计说明书 22 要由单片机内的 A D 转换模块来实现由采集到的模拟量到单片机所需要的数字量之间 的转换 转换为数字量的电压 电流 光强和温度信号都需要通过单片机控制 RS232 串口来实现与 PC 机之间的数据通信 4 2 1 键盘设计 本设计需要测量的是电压 电流 光强和温度的数值 所以需要有按键的配合 当按下某个按键时测量电路就会去测量这个按键相对应的测量任务 然后经过 A D 转 换 最后再在单片机中处理完毕后送入 LCD 显示部分来显示出来 现在常用的键盘有查询方式式键盘和基于中断方式的键盘 查询方式是程序每执 行时顺序检查各按键是否有按下 这样的按键的优点是查询方式的按键编程简单不容 易出错 但查询方式的按键最大的也是最致命的缺点是若程序的周期比较长 而你按 键的时候 程序正在别的子程序中执行 这样就会使单片机无法响应用户的按键 也 就无法实现测量 所以本设计不采用查询方式的按键 基于以上考虑 本设计采用基于中断方式的按键 PIC 16F877 的 RB4 RB7 是有 电平中断功能的引脚 所以我们将执行电压 电流 光强和温度检测的按键直接接到 RB4 RB7 口 所以采用如图 4 5 的键盘接线方式 RB4 RB6 RB5 RB7 U I S T 10K 10K 10K 10K 5V 4 5 键盘设计图 4 2 2 电压 电流信号采集单元设计 本文设计的电压 电流信号采集电路示意图如图 4 6 所示 在图 4 6 中 R0是负 载电阻 Rstd是标准电阻 Vref是参考电压源 负载电阻采用的是多圈电位器 单片机 通过步进电机驱动器控制步进电机的转动来带动多圈电位器的转动 从而改变负载电 阻的阻值 图中的开关 K1 K2 K3采用固态继电器 由单片机输出的控制信号不断使 固态继电器导通与切断 以组成不同的回路来测量所需的电压和电流 兰州理工大学毕业设计说明书 23 图 4 6 电压 电流信号采集 通过如下方式得到太阳能电池在不同负载条件下的路端电压和电流 1 光强一定的条件下 改变负载电阻 R0到某个固定值 将 K3闭合 K1连接到 K11