光伏发电系统

淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 1 页 共 27 页 目目 录录 1 引言 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 光伏发电监测系统的阐述 1 1 3 光伏发电系统的现状及发展 2 1 3 1 国内的现状及发展 2 1 3 2 国外的现状及发展 2 1 4 课题研究的主要工作及要求 3 1 4 1 本设计的主要研究内容 3 2 总体设计 4 2 1 系统框图 4 2 2 汇编语言简介 4 2 3 汇编语言程序步骤设计 5 2 4 Keil uVision2 软件 5 2 5 A D 转换 6 2 5 1 A D 转换接口设计要点 6 2 5 2 A D 转换器的技术指标 6 2 5 3 A D 转换器的选择原则 7 2 6 键盘 8 2 6 1 键盘接口技术 8 2 6 2 独立式按键 9 2 6 3 中断处理 9 2 7 LED 显示 10 3 各单元模块设计 12 3 1 设计总框图 12 3 2 A D 转换数据采集模块 13 3 2 1 A D 转换数据采集原理图 13 3 2 2 A D 转换数据采集流程图 13 3 2 3 A D 转换数据采集程序 15 3 3 键盘控制模块 16 3 4 LED 显示模块 17 3 4 1 由 74LS138 构成的动态 LED 驱动模块 17 3 4 2 LED 驱动流程图 17 3 4 3 LED 数码管程序 18 4 调试 19 4 1 软件调试 19 4 2 仿真调试 21 4 2 1 Proteus 软件 21 4 2 2 调试过程 21 4 2 3 整机调试 21 结 论 23 致 谢 24 参 考 文 献 25 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 2 页 共 27 页 1 引言引言 可再生能源太阳能发电可分为太阳能光发电 又称光伏 和太阳能热发电两大类 后者由于技术比较复杂 只能用于比较大的容量 应用受到一定限制 所以目前实 际应用较少 太阳能光发电具有取之不尽 用之不竭 无污染等诸多优点 已成为 人类寻求新能源的热点 但同时又存在应用间歇性 发电量与气候条件有关的缺点 因此 为提高太阳能电池的利用率 实时监控发电量是很有必要的 本设计的目的 是设计一个监测电路来监测该光伏系统的工作状态 主要监测系统太阳能电池板的 输出电流及输出端电压 1 1 课题研究背景课题研究背景 能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础 在以往的时间 以煤 石油等化石 燃料为基础的能源体系极大地推动了人类文明社会的发展 随着科技的发展 目前 人类利用的发电方式主要有三种 火力发电 水力发电和核能发电 但是由于化石 燃料的有限性和分布不均匀 造成了世界上大部分国家的能源供应不足 在物质和 精神生活上的不断提高 使人们意识到大规模使用化石燃料所带来的严重后果 资 源日益枯竭 环境不断恶化 人们对能源越来越高的要求 寻找新能源已成为人类 迫切需要面对的问题 太阳能以其存在的广泛性 储量的 无限性 利用的清洁性和经济性 成为 21 世纪最重要的能源之一 太阳能的利用分为光电转换和集热两种 前者主要有太阳 能电池 后者主要有太阳能热水器 太阳能温室等 随着太阳能电池研究的快速进 程和转换效率的不断提高 发电成本已经呈现快速下降趋势 可以预料 太阳能光 伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位 为提高太阳能电池的 利用率 实时监控发电量是很有必要的 可以及早发现太阳能电池工作中出现的异 常情况 1 2 光伏发电监测系统的阐述光伏发电监测系统的阐述 光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统 无论是独立运行还是并网发电 光伏发电系统主要由太阳能电池板 组件 控制器和逆变器三大部分组成 它们主 要由电子元器件构成 不涉及机械部件 所以 光伏发电设备极为精炼 可靠稳定 寿命长 安装维护简便 本课题所要研究是小容量的独立光伏系统 对太阳能电池 所产生的电流 电压进行监测 光伏发电检测系统的原理是太阳光照射在太阳能电 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 3 页 共 27 页 池表面 太阳能电池输出直流电经过设计的电路进行监测 最后输入到直流负载中 1 3 光伏发电系统的现状及发展光伏发电系统的现状及发展 近年来 国际上太阳能光伏发电技术在许多方面取得突破 太阳能电池性能和可 靠性有了很大提高 成本和售价不断下降 有经济效益的应用范围不断扩大 市场 迅速发展 产业已达到规模化 自动化阶段 光伏发电的竞争力越来越强 预计不 久就可以成为火力发电的主要竟争者 前景十分广阔 1 3 1 国内的现状及发展 我国太阳能光伏发电产业近几年发展较快 但总体规模较小 2002 年太阳能电 池累计装机容量达 25MW 不到世界的 1 为配合西部大开发 我国政府实施了 阳光计划 乘风计划 和 光明工程 等 利用太阳能发电和风力发电为解决 西部广大无电地区农牧民生活生产用电 这一工程配套资金 20 多亿人民币 我国 光伏发电产品的市场主要在西部 另有部分产品出口 如组件 小系统和日用太阳 能电子产品等 由于国内太阳能电池晶片产量远远不能满足需求 许多厂家进口大 量电池片封装组件 在光伏发电产业方面 深圳占有部分江山 产品加工能力 产 品质量和销量在国内外都有一定的影响 在光伏发电系统建设方面 我国比较有影 响的是中国科学院电工所等单位提出的青海敦煌 8MW 大漠光电 该所已经在深圳 园艺博览会建立一个 1MW 的光伏并网电站 为目前亚洲最大的光伏发电系统 未 来迎接 2010 年的世博会 上海交通大学太阳能研究所提出了上海 10 万太阳能屋 顶计划 无锡 苏州等地有关单位也在筹划有关的光伏发电推广计划 1 3 2 国外的现状及发展 国际上太阳能电池的研究与发展具有领先地位的主要是德国 日本 美国 澳大 利亚等发达国家 在太阳能光伏发电利用方面 发达国家以屋顶计划和并网发电为 基本形式 这对太阳能的推广十分奏效 澳大利亚以新南威尔士大学的马丁格林教 授为代表 在单晶硅太阳能电池研究上居世界领先地位 近年来 首次提出了第三 代太阳能电池的概念 为太阳能电池的发展做出了很大的贡献 从太阳能电池产业 和利用来看 日本 德国 美国 英国和西班牙发展最快 作为一个标志性的举动 美国通用电气公司所收购的 AP 公司在 2004 年推出世界十大太阳能电池厂的名单 但 GE 在风能方面发展很快 2004 年已经跃居世界第二位 可以预见 在未来几年 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 4 页 共 27 页 GE 在太阳能上也会迎头赶上 美国的 AP GE 收购 和法国的 Photowatt 加拿大 收购 已经不在十大名单之列 德国的 Q cells 是非常成功的企业之一 该厂只单一 生产太阳能电池 而且一开始就定位于大尺寸 超薄的多晶硅片 同时保持较高的 电池转换效率 2002 年全球太阳能电池和光伏组件产量约 600MW 其中日本占 45 美国 25 欧洲约 22 日本是光伏发电产业发展最快的因家 在不到 10 年的时间就 超过了美国 2001 年世界 10 大太阳能电池生产厂 日本就有 4 家 分别是夏普 京都陶瓷 三洋和三菱 德国有两家企业 分别处于并列第四和第八名 德国的位 居第五名 Q Cells 是德国非常成功的企业之一 该厂只生产太阳能电池 而且就定 为于大尺寸 超薄的多晶硅片 同时保持高的电池转换效率 欧美发达国家大都制 订了 阳光计划 并采取措施鼓励居民安装太阳能发电系统 比如部分赠款 无息 贷款和 种子基金 等 并以高出普通电价几倍的价格购买居民家中多余的太阳能 电量 我国的无锡尚德 Suntech 是发展历史较短的企业 但已急起直追 在 2004 年生产了 35MW 太阳能电池 为我国太阳能电池工业的发展做出了重要贡献 从 2000 年后 世界太阳能电池一直保持高速的发展 主要是德国和日本两国在光伏发 电利用方面采取了一系列的措施 通过政策的推进达到了很好的效果 总体来看 我国的光伏发电产业还处于初级阶段 与国际发达国家相比 我国在 光伏发电产业发展方面还有些差距 主要体现在 研究力量薄弱 分散 实验条件 差 关键生产设备和测试仪器依靠进口 现有的光伏发电产业规模小 配备能力差 资金不足 太阳能销售市场和工程管理不规范 缺乏行业规范和监督 因此我国的 光伏发电产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验 1 4 课题研究的主要工作及要求课题研究的主要工作及要求 1 4 1 本设计的主要研究内容 1 光伏发电监测系统键盘部分 键盘部分所要实现的功能是 对系统所采集的数据进行按键查询 为实现这一功能 本设计键盘扫描部分采用独立式键盘进行按键输入 并采用单 片机 AT89C51 作为核心器件 2 光伏发电监测系统 A D 转换部分 光伏发电监测系统 A D 转换部分要实现的功能是 对太阳能电池所产生的直流 电流流和电压进行模数转换后送入单片机内进行数据采集 可以把模拟信号转化成数字 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 5 页 共 27 页 系统可以识别的数字信号 为实现这一功能 本设计需要设计一个 A D 转换电路 采用PCF8591 作为芯片来进行模 数转换 3 光伏发电监测系统 LED 显示部分 LED 显示部分所要实现的功能是 显示系统所采集到的电流电压的数据 达到监 测的目的 实现这一功能 采用 4 个共阴极数码管 用动态显示的方式反映所采集到的电流 电压数据 1 4 2 分工安排 根据指导老师所分发的任务书的要求 本人承担光伏发电系统设计监测电路的 软件应用程序设计工作 即要求使用汇编语言编写出适用于光伏发电监测系统的应 用程序 并要求要与硬件设计者设计的硬件电路相匹配 以完成整个小容量光伏发 电系统的设计工作 2 总体设计总体设计 2 1 系统框图系统框图 图 2 1 2 2 汇编语言简介汇编语言简介 计算机所能执行的每条指令都对应一组二进制代码 为了容易理解和记忆计算 机的指令 人们用一些英语单词和字符等作为助记符来描述每一条指令的功能 用 助记符表示的指令就是计算机的汇编语言 汇编语言与机器语言一一对应 用汇编 语言编写程序 每条指令的意义一目了然 给程序的编写 阅读和修改带来很大方 便 而且用汇编语言编写的程序占用内存少 执行速度快 尤其适用于实时应用场 合的程序设计 因此在单片机应用系统中主要使用汇编语言来编写程序 汇编语言也有它的缺点 缺乏通用性 程序不易移植 是一种面向机器的低级 语言 即使用汇编语言编写程序时 仍必须熟悉机器的指令系统 寻址方式 寄存 电流采集 电流采集 A D 转 换 单片机 键盘控制 LED 显示 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 6 页 共 27 页 器的设置和使用方法 每个计算机系统都有它自己的汇编语言 不同计算机的汇编 语言之间不能通用 但是掌握了一种计算机的汇编语言 却有助于学习其他计算机 的汇编语言 2 3 汇编语言程序步骤设计汇编语言程序步骤设计 使用汇编语言设计一个程序大致上可分为以下几个步骤 1 分析题意 明确要求 解决问题之前 首先要明确所要解决的问题和要达到的 目的 技术指标等 2 确定算法 根据实际问题的要求 给出的条件及特点 找出规律性 最后确定 所采用的计算公式和计算方法 这就是一般所说的算法 算法是进行程序设计的依 据 它决定了程序的正确性和程序的指令 3 画程序流程图 用图来描述和说明解题步骤 程序流程图是解题步骤及其算法 进一步具体化的重要环节 是程序设计的重要依据 它直观清晰地体现了程序的设 计思路 流程图是用预先约定的各种图形 流程线及必要的文字符号构成的 4 分配内存工作单元 确定程序与数据存放地址 5 编写源程序 流程图设计后 程序设计思路比较清楚 接下来的任务就是选用 合适的汇编语言指令来实现流程图中每一框内的要求 从而编制出一个有序的指令 流 这就是原程序设计 6 程序优化 程序优化的目的在于缩短程序的长度 加快运算速度和节省存储单 元 如恰当的使用循环程序和子程序结构 通过改进算法和正确使用指令来节省工 作单元及减少程序执行的时间 7 上机调试 修改和最后确定源程序 只有通过上机调试并得出正确结果的程序 才能认为是正确的程序 对于单片机来说 没有自开发的功能 需要使用仿真器或 利用仿真软件进行仿真调试 修改源程序中的错误 直至正确为止 2 4 Keil uVision2 软件软件 单片机开发中除必要的硬件外 同样离不开软件 我们编写的汇编语言源程序 要变为 CPU 可执行的机器码有两种方法 一种是手工汇编 另一种是机器汇编 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真调 试器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 uVision 将这些部分组合在 一起 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 7 页 共 27 页 Keil 特点 全功能的源代码编辑器 器件库用来配置开发工具设置 项目管理器用来创建和维护用户的项目 集成的 MAKE 工具可以汇编 编译和连接用户嵌入式应用 所有开发工具的设置都是对话框形式的 真正的源代码级的对 CPU 和外围器件的调试器 高级 GDI AGDI 接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和 Monitor 51 进行通 信 2 5 A D 转换转换 2 5 1 A D 转换接口设计要点 A D 转换接口是数据采集系统前向通道中一个重要环节 数据采集是在模拟信号 源中采集信号 并将之转换为数字信号送计算机的过程 隐刺 完成数据采集应具 备下述基本部件 模拟多路转换开关和信号调节电路 采样 保持放大器 模拟 数字 A D 转换器 通道控制电路 前向通道中 被测物理量经传感器转换成电信号 二每一种传感器都有与之配套 的接口电路 接口电路再将这一点信号转换成电压信号 多路转换开关用来完成多 路模拟信号的切换 信号调节则是将模拟微弱信号转换成能满足 A D 转换器需要的 电平信号 为了减少动态数据采集的孔径误差 需要加入采样 保持电路 隐刺 数 据采集电路的设计不仅仅限于是单纯 A D 转换芯片的接口设计 还必须综合考虑传 感器到 CPU 得全过程 2 5 2 A D 转换器的技术指标 1 量化误差与分辨率 A D 转换器的分辨率习惯上以输出二进制位数或者 BCD 码位数表示 例如 A D 转换器 AD574A 的分辨率为 12 位 即该A D 转换器的输出数据可用 2 12 个二进 制数进行量化 其分辨率为 1LSB 即 1 2 100 1 2 100 1 14096 100 0 0244 BCD 码输出的 A D 转换器一般用位表示分辨率 例如 MC14433 双积分 A D 转 换器 分辨率为 3 1 2 满度字位数为 1999 及分辨率为 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 8 页 共 27 页 1 1999 100 0 05 测量误差与分辨率是统一的 量化误差是由于 A D 转换器的有限字长引起的 量化误差理论上为一个单位分辨率 即 1 2LSB 提高分辨率可减少量化误差 2 转换精度 A D 转换器的转换精度反映了一个实际 A D 转换器在量化值上与理想 A D 转换 器进行 A D 转换的差值 可表示成绝对误差和相对误差 对应不同的 A D 转换器生 产厂家 不同的产品其精度指标表达方式有所不同 有的给出综合误差指标 有的 则给出分项误差指标 通常给出的分项误差指标有 非线性误差 失调误差或零点 误差 增益误差或标度误差 微分非线性误差等 3 转换时间与转换速率 A D 转换器完成一次 A D 转换所需要的时间为 A D 转换时间 通常 A D 转换速 率是转换时间的倒数 目前 A D 转换最快的是高速全并行式 A D 转换器 转换时间 可达 20 50ns 即转换速率达 20 50MSPS 而逐次比较式 A D 转换器的转换时间也 达到 0 4us 即转换速率达到了 2 5MSPS 4 失调 零点 温度系数和增益温度系数 这两项指标都是表示 A D 转换器受环境温度影响的程度 一般用每摄氏度温度 变化所产生的相对误差作为指标 以 ppm C 为单位表示 5 对电源电压变化的抑制比 A D 转换器对电源电压的抑制比 PSRR 用改变电源电压是数据发生 1LSB 变 化时所对应的电源电压变化范围来表示 2 5 3 A D 转换器的选择原则 A D 转换器是前向通道中的一个环节 并不是所有的前向通道中都必须配备 A D 转换器 只有模拟量输入通道 并且输入计算机接口不是频率量而是数字码时 才 用到 A D 转换器 因此 在确定 A D 转换器时 应遵循下述原则 1 根据前向通道的总误差 选择 A D 转换器的精度和分辨率 此时 应将综合 精度在各个环节上进行再分配 以确定对 A D 转换器的精度要求 2 根据信号对象的变化率及转换精度要求 确定 A D 转换速度 以保证系统的 实时性要求 为减少孔径误差 弱队变化速度非常快的信号进行 A D 转换 可考虑 加入采样 保持电路 3 根据环境条件选择 A D 转换器的一些环境参数要求 如工作温度 功耗 可 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 9 页 共 27 页 靠性等级等性能 4 根据计算及接口特征 考虑选择 A D 转换器的输出状态 例如 A D 转换器 时并行输出还是串行输出 是二进制码还是 BCD 码 是用外部时钟 内部时钟还是 不用时钟 有无转换结束状态标志 与 TTL CMOS 及 ECL 电路的兼容性等 5 还要考虑到芯片的成本 货源是否是主流芯片 2 6 键盘键盘 2 6 1 键盘接口技术 在单片机应用系统中 为了控制其运行状态 需要向系统输入一些命令或数据 因此应用系统中应设有键盘 这些键包括数字键 功能键和组合控制键等 这些按 键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的 但是 这些开关绝不仅仅 是简单的电平输入 1 键输入过程与软件结构 当所设置的功能键或数字键按下时 单片机应用系统应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的 对某些简单应用系统 如对于 智能仪表来说 键输入程序是整个应用程序的核心部分 对于任何一个单片机应用系统 键盘总要有其相应的接口电路与 CPU 相连 通 过软件了解键盘输入的信息 而 CPU 可以采用中断方式或查询方式来了解有无键输 入 并检查是哪一个键按下 将键号送入累加器 ACC 然后转去执行相应的程序 以 完成该键应完成的功能 最后返回到原始状态 2 键盘输入接口与软件应解决的任务 1 编制键盘程序时应考虑的问题 1 监测有无按键按下 2 有键按下后 在无硬件去抖电路时 应用软件延时去除抖动影响 3 有可靠的逻辑处理办法 比如是采用双键锁定方式还是 N 键轮回方式 如 采用双键锁定 即只处理一个键 期间任何按下又松开的键不产生影响 不管一次 按键持续多长时间 仅执行一次按键功能程序等 4 给出确定的键号以满足散转指令要求 2 按键编码与键号定义 一组按键或键盘都要通过 I O 口线查询按键的开关状态 根据键盘结构不同 采用编码也有所不同 但无论有无编码 以及采用什么编码 最后都要转换成为累 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 10 页 共 27 页 加器中数值相对应的键值 以实现按键功能程序的转移 2 6 2 独立式按键 按键结构有独立式按键结构和矩阵式按键结构 独立式按键是指直接用 I O 口 线构成的单个按键电路 每个独立式按键单独占有一根 I O 口线 每根 I O 口线上 的按键工作状态不会影响其他 I O 口线的工作状态 独立式按键配置灵活 软件结 构简单 故本设计选用独立式按键结构 2 6 3 中断处理 中断处理过程可以分为 3 个阶段 即中断响应 中断处理和中断返回 所有计 算机的中断处理都有这样 3 个阶段 但不同的计算机由于中断系统的硬件结构不完 全相同 因而中断响应的方式不同 1 中断响应 中断响应是在满足 CPU 的中断响应条件之后 CPU 对中断源中断请求的回答 在 这个阶段 CPU 要完成中断服务程序以前的所有准备工作 这些准备工作是 保护断 点和把程序转向中断服务程序的入口地址 计算机在运行时 并不是任何时刻都会去响应中断请求 而是在中断响应条件 满足之后才会响应 1 CPU 的中断响应条件 1 首先要由中断源发出中断申请 2 中断总允许位 EA 1 即 CPU 允许所有中断源申请中断 3 申请中断的中断源的中断允许位为 1 即此中断源可以向 CPU 申请中断 以上是 CPU 响应中断的基本条件 若满足上述条件 CPU 一般会响应中断 但如 果有下列任何一种情况存在 则中断响应会受到阻断 1 CPU 正在执行一个同级或高一级的中断服务程序 2 当前的机器周期不是正在执行的指令的最后一个周期 即在执行的指令还 未完成之前 任何中断请求都得不到响应 3 正在执行的指令是返回指令或者对专用寄存器 IE IP 进行读 写的指令 此时 在执行 RETI 或者读写 IE 或 IP 之后 不会马上响应中断请求 至少在执行一 条其他指令之后才会响应 若存在上述任何一种情况 中断查询结果就被取消 否则 在紧接着的下一个 就会响应中断 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 11 页 共 27 页 在每个机器周期的 S5P2 期间 CPU 对各种中断源采样 并设置相应的中断标志位 CPU 在下一个机器周期 S6 期间按优先级顺序查询各种中断标志 如查询到某个中断 标志为 1 将在再下一个机器周期 S1 期间按优先级进行中断处理 中断查询在每个 机器周期中反复执行 如果中断响应的基本条件已满足 但由于上述三条件之一而 未被及时响应 待上述封锁条件被撤销之后 中断标志却也已消失 则这次中断申 请就不会再被响应 2 中断响应过程 如果中断响应条件满足 且不存在中断阻断的情况 则 CPU 将响应中断 此时 中断系统通过硬件生成长调用指令 LCALL 此指令将自动把断点地址压入堆栈保护 起来 但不保护状态字寄存器 PSW 及其他寄存器内容 然后将对应的中断入口地址 装入程序计数器 PC 使程序转向该中断入口地址 执行中断服务程序 2 中断处理 中断服务程序从入口地址开始执行 直至遇到指令 RETI 为止 这个过程称 为中断处理 又称中断服务 此过程一般包括两部分内容 一是保护现场 二是处 理中断源的请求 因为一般主程序和中断服务程序都可能会用到累加器 PSW 寄存器及其他一些寄 存器 CPU 在进入中断服务程序后 用到上述寄存器时 就会破坏它原来存在寄存器 中的内容 一旦中断返回 将会造成主程序混乱 因而在进入中断服务程序后 一 般要先保护现场 然后再执行中断处理程序 在返回主程序以前 再恢复现场 3 中断返回 中断返回是指中断处理完成后 计算机返回到原来断开的位置 即断点 继续 执行原来的程序 中断返回由专门的中断返回指令 RETI 来实现 该指令的功能是把 断点地址取出 送回到程序计数器 PC 中去 另外 它还通知中断系统已完成中断处 理 将清除优先级状态触发器 特别要注意不能用 RET 指令代替 RETI 指令 2 7 LED 显示显示 LED 显示块是由发光二极管显示字段的器件 也可称为数码管 在单片机应用系 统中通常使用的是 7 段 LED 通常的 7 段 LED 显示块中有 8 个发光二极管 故也称作 8 段显示器 其中 7 个发光二极管构成 7 笔字形 8 一个发光二极管构成小数点的 7 段发光二极管 再加上一个小数点位 共计 8 段 因此提供给 LED 显示器 的字形数据正好一个字节 其对应关系如下 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 12 页 共 27 页 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 图 2 7 LED 显示字节对应 LED 显示块与单片机接口非常容易 只要将一个 8 位并行输出口与显示块的发光 二极管引脚相连即可 8 位并行输出口输出不同的字节数据可显示不同的数字或字符 如表 2 6 所示 通常将控制发光二极管的 8 位字节数据称为段选码或称字形代码 公 共极称为位选线 共阴极与共阳极的段选码互为补救 显示字符共阴极段选码共阳极段选码 03FHC0H 106HF9H 25BHA4H 34FHB0H 466H99H 56DH92H 67DH82H 707HF8H 87FH80H 96FH90H A77H88H b7CH83H C39HC6H d5EHA1H E79H86H F71H8EH P73H8CH U3EHC1H 31HCEH y6EH91H 8 FFH00H 灭 00HFFH 表 2 7 7 段 LED 的段选码 LED 动态显示 由于所有位的段选码皆由一个 8 位 I O 口控制 因此 在每个瞬 间 8 位 LED 可能显示相同的字符 要想每位显示不同的字符必须采用动态扫描显示 方式 即在每个瞬间只使某一位显示相应的字符 在此瞬间 段选码由控制 I O 口 输出相应字符电平 位选 I O 口输出位选码 共阴极送低电平 共阳极送高电平 以保证该位显示相应字符 如此轮流 使每位显示该位应显示字符 并延时一段时 dpgfedcba 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 13 页 共 27 页 间 以造成视觉上的暂留效果 3 各单元模块设计各单元模块设计 3 1 设计总框图设计总框图 光伏发电监测电路是光伏发电系统中的一个重要组成部分 监测电路的主要功能是监测负载 输出电压和输出电流 小容量光伏发电系统监测电路如图 3 1 所示主要有以下几部分功能模块组成 1 A D 转 换模块 3 键盘控制模块 4 LED 显示模块 开始 系统初始化 启动 A D 转换 数据采集 数据处理 键盘控制LED 显示 结束 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 14 页 共 27 页 3 2 A D 转换数据采集模块转换数据采集模块 3 2 1 A D 转换数据采集原理图 光伏发电系统电流电压数据采集的原理图如图 3 2 1 图中所选用的 A D 转换器 为 PCF8591 转换器 PCF8591 是一个单片集成 单独供电 低功耗 8 bit CMOS 数 据获取器件 PCF8591 具有 4 个模拟输入 1 个模拟输出和 1 个串行 I C 总线接口 PCF8591 的功能包括多路模拟输入 内置跟踪保持 8 bit 模数转换和 8 bit 数模转 换 PCF8591 的最大转化速率由 I C 总线的最大速率决定 由于 PCF859 转换器时 8 位 A D 转换器 所以其转换精度可达到最大负载电流峰 值 1 256 图 3 2 1 3 2 2 A D 转换数据采集流程图 通过一个 A D 转换器循环采样模拟电流电压 每隔一定时间去采样一次 一次 按顺序采样信号 A D 转换器芯片将采样到的模拟信号转换成数字信号 转换完成 后 单片机 CPU 读取数据转换结果送入外设即 LED 数码管显示 显示电压电流数 值 中断方式使用 EOC 信号作为向 8051 的终端申请 在主程序中 向 ADC 发出首 次启动转换信号后 并计数管理转换通道数 当检测到 EOC 请求后 转去执行中断 服务程序 读取转换结果 并启动下一次转换 后继续执行 图 3 2 为 A D 转换程 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 15 页 共 27 页 序流程图 N Y 图3 2 2 开始 定义 A D 转换缓冲区首地址 开中断 置 DPTR 启动转换 关中断 置通道数 等待中断 中断处理 各通道采完 返回 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 16 页 共 27 页 3 2 3 A D 转换数据采集程序 由图 3 2 1 中可看出 PCF8591 转换器使用的是内部参考电压 操作的电压范围 是 2 5V 6V 内部时钟方式 外部控制采集模式 以下是软件程序 ORG 0000H LJMP Start ORG 000BH LJMP T0INT ORG 0100H Start MOV SP 80h MOV IE 82H MOV 2FH 0EFH MOV SCON 0C0H MOV RCAP2H 0FFH MOV RCAP2L FEH MOV TH2 OFFH MOV TL2 OFEH MOV T2CON 34H MOV TMOD O1H MOV TH0 0FDH MOV TL0 0C0H SETB TRO MOV DPTR 7FFF WAIT SJMP WAIT T0INT MOV TH0 OFDH MOV TL0 0C0H CLR P1 1 MOV A 5BH MOVX DPTR A MOV R2 05H DJNZ R2 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 17 页 共 27 页 MOVX A DPTR SETB P1 1 MOV 30H A MOVX A DPTR CPL ACC 3 MOV 31H A MOV RO 2FH MOV R3 03H LP MOV SBUF RO JNB TI CLR TI INC R0 DJNZ R3 LP RETI END 3 3 键盘控制模块键盘控制模块 由系统分析可知 键盘控制模块的的作用在于对系统采集的数据进行查询 通过 按键来实现数码管显示数据值 实现相应的键功能 程序设计中 只要实现数据的 上下查询即可 所以没有散转指令 也没有软件防抖动措施 它只包括键查询 键 功能程序转移 FUN0 FUN1为功能程序入口地址标号 其地址间隔应能容纳JMP指令 字节 SUB0 SUB1为两个按键的功能程序 键盘控制模块程序 Start MOV P1 0FFH MOV A P1 CPL A JS Start JB ACC 0 FUN0 SJMP FUN1 FUN0 AJMP SUB0 FUN1 AJMP SUB1 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 18 页 共 27 页 SUB0 LJMP Start SUB1 LJMP START 从程序中可以看出 键盘内部的优先级依次为0 1 3 4 LED 显示模块显示模块 3 4 1 由 74LS138 构成的动态 LED 驱动模块 74LS138 是 3 8 译码器 具有 3 个选择输入端 可组合成 8 种输入状态 8 个输出端 每个输出端分别对应 8 种输入状态中的 1 种 0 电平有效 换句话讲 对 应每种输入状态 仅允许 1 个输出端为 0 电平 其余全为 1 3 个使能端 E3 E2 E1 的状态如表 3 4 所示 输入输出 使能 选择 E3 E2 E1CBA Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7 00001111111100 10000110111111 01011011111 01111101111 10011110111 10111111011 11011111101 100 100 100 100 100 100 11111111110 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 表 3 4 74LS138 的逻辑真值表 3 4 2 LED 驱动流程图 由系统分析可知 LED 驱动模块的主要作用是显示当前电机转动的角度 LED 驱 动部分流程图如图 3 4 所示 选中第一个数码管 给 P2 口送值 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 19 页 共 27 页 图 3 4 3 4 3 LED 数码管程序 DISPLAY0 MOV R3 00H 字形码初始地址 MOV R5 0F8H 从第一位开始显示 DISP0 MOV P2 00H MOV A R5 MOV P3 A 送地址数据 MOV DPTR TABLE20 字型码送数据指针 MOV A R3 MOVC A A DPTR MOV P2 A 送显示 ACALL DELAY10 显示 第一个数码管显示数值 选中第二个数码管 重新给 P2 口送值 第二个数码管显示数值 选中第三个数码管 重新给 P2 口送值 第三个数码管显示数值 选中第四个数码管 重新给 P2 口送值 第四个数码管显示数值 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 20 页 共 27 页 INC R5 指向下一位 LED INC R3 显示下个字符 CJNE R3 03H DISP0 未显示到最后一位 继续 AJMP DISPLAY0 返回 DELAY10 MOV R6 10H 延时子程序 L10 MOV R7 38H L20 DJNZ R7 L20 DJNZ R6 L10 RET TABLE20 DB 3FH 4FH 3FH 由LED驱动程序可知 该三位数码管是通过74LS138进行片选 采用的动态扫描方 式 当第一位数码管被选中时 通过I O端口送入第一个控制字 显示第一个数字 当第二位数码管被选中时 通过I O端口送入第二个控制字 显示第二个数字 当第 三位数码管被选中时 通过I O端口送入第三个控制字 显示第三个数字 当第四位 数码管被选中时 通过I O端口送入第四个控制字 显示第四个数字 当四位数码管 全显示过后 再次从第一位数码管开始送值 以此来实现四位数码管的动态扫描 4 调试调试 4 1 Keil uVision2 软件软件 单片机开发中除必要的硬件外 同样离不开软件 我们编写的汇编语言源程序 要变为 CPU 可执行的机器码有两种方法 一种是手工汇编 另一种是机器汇编 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真调 试器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 uVision 将这些部分组合在 一起 Keil 特点 全功能的源代码编辑器 器件库用来配置开发工具设置 项目管理器用来创建和维护用户的项目 集成的 MAKE 工具可以汇编 编译和连接用户嵌入式应用 所有开发工具的设置都是对话框形式的 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 21 页 共 27 页 真正的源代码级的对 CPU 和外围器件的调试器 高级 GDI AGDI 接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和 Monitor 51 进行通 信 4 2 软件调试软件调试 本设计中 整个软件应用程序分为键盘扫描模块 A D 转换模块以及 LED 驱 动模块三部分 有的需要单独调试 有的需要联合调试 调试目的是查看程序编写 是否存在语法 定义名称不一致等错误 软件程序的调试采用 keil C51 集成开发环境的调试功能来实现 其调试的一般 步骤如下 首先 在磁盘根目录下新建一个文件夹 必须以英文名命名 打开 keil uvision 环境 新建一个工程并给其命名 同时还要求选择器件 philips p89c52x2 新建源程序文件 命名后应添加扩展名 ASM 并同时录入源程序 保存 源文件 再把源文件添加到工程中 然后开始编译源文件 在编译的过程中存在以 下错误 如图 5 1 所示 图 4 1 软件程序编译错误显示 存在以上图所示错误的根源在于 跳转指令所要跳转到的地址 超出了该跳转 指令的范围 修改无误后 编译的结果如图 5 2 所示 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 22 页 共 27 页 图 4 2 软件编译错误显示 存在以上图所示错误的根源在于 程序中定义了多的中断 或是用汇编写的 并且生成了 STARUP A51 把工程里的那个自动的 C 语言工程生成的那个 STARUP A51 去掉后 编译的结果如图 5 3 所示 图 4 3 显示编译通过 编译通过后 需要配置软件调试环境 进行软件应用程序的调试 调试中往往 要注意以下问题 1 软件调试环境的配置需根据具体的应用软件进行配置 2 如程 序中用到了 I O 口 则在配置软件调试环境时需对相应的端口进行设置 3 单片机 中用到的晶振大小也需要根据具体情况进行设定 通过软件调试 可以从端口现象 演示中观察到单片机各端口的高低电平显示及输入输出现象 4 2 仿真调试仿真调试 4 2 1 Proteus 软件 单片机开发中除必要的硬件外 同样离不开软件 我们编写的汇编语言源程序要 变为 CPU 可执行的机器码有两种方法 一种是手工汇编 另一种是机器汇编 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 它不仅 具有其他 EDA 工具软件的仿真功能 还能仿真单片机及外围器件 它是目前最好的 仿真单片机及外围器件的工具 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具 仿真软件 从原 理图布图 代码调试到单片机与外围电路协同仿真 一键切换到 PCB 设计 真正实 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 23 页 共 27 页 现了从概念到产品的完整设计 是目前世界上唯一将电路仿真软件 PCB 设计软件和 虚拟模型仿真软件三合一的设计平台 其处理器模型支持 8051 HC11 PIC10 12 16 18 24 30 DsPIC33 AVR ARM 8086 和 MSP430 等 2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器 并持续增加其他系列处理器模型 在编译方 面 它也支持 IAR Keil 和 MPLAB 等多种编译器 Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件 例 multisim 的功能 这些功能是 原理布图 PCB 自动或人工布线 SPICE 电路仿真 4 2 2 调试过程 在进行调试时发现四位LED动态显示时 每一位LED都轮流三个数字 经过改正 在切换下一位LED的同时 将给LED赋得值也切换到下一个值 即换LED就换值 以此 达到每一位LED只显示一个数字 4 2 3 整机调试 进行硬件电路板的设计制作 烧好程序后进行软硬件联调 最后对仿真模拟负载 的电压 电流进行监测测试 然后数据对比 调试步骤 1 准备直流电压直流电流表各一个 2 模拟光伏发电系统直流供电负载 负载电池组的两端接直流电压表 直流电流 表与负载串联 3 进行多次测量 并记录下数据 同时开始仿真 并记录下仿真数据 4 获取负载电压值OF和电流值IP 比较调试数据与仿真数据之间的误差 经过多次程序修改与硬件调试 LED显示数码管通过键盘的控制能显示所采集到 的电流电压数据 达到了预期的效果 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 24 页 共 27 页 结结 论论 本设计是基于单片机的小容量光伏发电系统监测电路的软件设计 该监测电路 是通过单片机的采集功能 对光伏电池所产生的模拟量数据经过 A D 转换后 进行 数据采集 通过 LED 数码管显示 通过键盘功能达到对数据的查询达到监测的目的 通过以上的调试和仿真本设计基本上达到了数据采集 LED 显示的要求 本设计历经 3 个月 在这段时间中我查阅各种光伏发电技术 A D 转换技术 数 据采集技术 LED 驱动技术 键盘扫描技术的书籍 学习了很多这方面的知识 在与 同组同学的共同努力下完成了光伏发电系统监测电路的设计 本课题设计的光伏幅度检测系统具有体积小 结构紧凑 安全可靠 成本低廉等 优点 但是由于单