太阳能电池数据采集本科设计说明书

1、1 / 73太阳能电池数据采集本科毕业设计说明书摘 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与结果显示两大部分。 本设计主要从以下几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

2、括温度信号采集单元、光强信号采集单元、电压与电流信号采集单元、模数转换单元和串口通信单元等部分。2)、用单片机与硬件电路相配合的 MPLAB IDE 软件程序，控制硬件电路完成数据采集任务。 在系统开发完成后，还进行了相关的测试试验，得到了以图形和数值相结合的方式来描述太阳能电池特性的显示界面。试验结果表明，本文设计的数据采集系统操作简单，能够对特定的太阳能电池进行测试，测试的结果也能够以直观简洁的方式呈现给测试人员，为测试人员研究分析太阳能电池提供必要的依据，系统的整体性能基本达到了预期的要求，具有一定的实用价值。 关键词关键词：太阳能电池;单片机;数据采集 AbstractAbstract

3、Ourworld is exposedto energy shortage and environmental pollution problems，solar photovoltaic technology makes solar cells as its core components，this technology isall effective method to solve these two problems，in research and engineer application，peopleneed to use solar cell test system to test s

4、olar cells.SO as to acquire needed data，andto 2 / 73make analysis andjudgement to solar cells. Based on the scientific research and productions actual needs，we designed a solarcell test system based on pic MCU，this system primarily includes two sections，that is，data acquisition，and data processing a

5、ndresults displaying. Thistext completes the analysis and design about solar cell test system primarily in light ofthe following aspects： 1).According to the test principle ofthe solar cell and therelated knowledge about electronic circuit，we have choosed suitable electronic components to design a h

6、ardware circuit，which can complete the task of data acquisition，this hardware circuitincludes datatemperature acquisition unit，light intensity signal acquisition unit，voltage and current signal acquisition unit，analogue to digital conversion unit and serial communication unit，and so on. 2).Using pic

7、 mcu and the hardware circuit MPLAB IDE combined software program, control hardware circuit complete data acquisition taskAfter completing the data acquisition system，we made relevant test，and acquired a display interface describing solar cells characteristics in the form of graphical and numerical

8、integration.The test results indicate that，the solar cell test system this topic has designed works conveniently，and can test specific solar cells，the test results Call be presented to the testers in visual form，providing necessary analysis basis to the testers，the overall performance of the system

9、basicly reached intended target，and the system possesses practical value. KeyKey wordswords：solar cell;pic MCU;data acquisition 目 录摘要摘要 1ABSTRACTABSTRACT2第一章绪论第一章绪论 51.1 研究背景 53 / 731.1.1 能源与环境问题 51.1.2 太阳能的利用 51.1.3 太阳能光伏发电产业 61.2 本文研究的目的意义与主要研究工作 71.2.1 本文研究的目的和意义 71.2.2 本文所做的主要工作 8第二章太阳能电池的特性与测试原

10、理 92.1 太阳能电池的分类 92.2 太阳能电池的工作原理与等效电路 92.2.1 太阳能电池的工作原理 92.2.2 太阳能电池的等效电路 102.3 太阳能电池的伏安特性曲线与性能参数 112.3.1 太阳能电池的伏安特性曲线与性能参数 112.3.2 日照强度和电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 132.4 太阳能电池的测试方法 142.5 本章小结 14第三章系统方案设计 153.1 方案一 153.2 方案二 153.3 方案比较 16第 4 章硬件部分设计 174.1 PIC16F877184.1.1 PICl6F877 微处理器的核心特点 184.1.2 PIC16F877

11、外围特点 184.1.3 输入输出端口简介 194.2 数据采集部分硬件电路设计 214.2.1 键盘设计 234.2.2 电压、电流信号采集单元设计 244.2.3 固态继电器电路设计 254.2.4 步进电机系统设计 264.2.5 光强信号采集单元设计 274.2.6 温度信号采集单元设计 274.2.7LCD 显示模块设计 304 / 734.2.8 串口通信单元介绍 31第五章软件部分设计 325.1 主程序设计 325.2 中断服务子程序 325.3 电压采集程序 335.4 电流采集程序 345.5 光强采集程序 355.6 温度采集程序 365.7 LCD 显示子程序 375.

12、8 步进电机控制程序 38第六章总结 40参考文献 42英文原文 44英文翻译 54致 60附件 61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5 / 73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与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。从我国的能源状况来看

13、，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

14、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

15、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-

16、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6 / 73520013105021.1.2.1 太阳能的利用方式 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

17、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

18、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与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

19、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 2530。 世界各国尤其是发达国家政府都把太阳能发电视为产业，希望把这一产业作为实7 / 73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

20、发电正在成为全球的一大热点。 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

21、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，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.意义与主要研究工作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

22、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，太阳能电池的测试与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。

23、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8 / 73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。 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与其输出伏安特性，根据此伏安特性，结合电子电路相关知识，用适当的电子元

24、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。 第二章 太阳能电池的特性与测试原理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

25、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

26、薄膜太阳能电池两大类。 9 / 732.2 太阳能电池的工作原理与等效电路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

27、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。在耗尽层的正负电荷间会形成一个方向由 n 区指向 P 区的建电场。 扩散到结界面处的少数载流子空穴会被建电场拉向 P 区，而扩散到结界面处的少数载流子电子会被建电场拉向 n 区，结区产生的电子一空穴对会被建

28、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： 10 / 73 (2-1) 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=1.610-19c 是电子电荷，VT=Kt/q

29、 定义为温度的电压当量，k=1.3810-23J/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) 考虑到太阳能电池的材料.制造工艺等因素，硅片的部阻抗和电极接触会引起串联电阻 Rs，pn 结部的不完整性会引起并联电阻 Rsh，pn 结还具有结电容

30、 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)对实际使用的太阳能电池而言，它们的参数各不

31、一样，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。 11 / 732.3 太阳能电池的伏安特性曲线与性能参数2.3.1 太阳能电池的伏安特性曲线与性能参数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

32、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围相当恒定，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

33、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12 / 73示。 4.填充因子 FF：填充因子是太

34、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，其中与制造太阳能电池半导体材料的禁带宽度

35、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

36、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围是 0 到1000W/m2，电池温度的变化围是 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。 13 / 73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

37、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与性能参数，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

38、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。 14 / 73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。

39、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。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

40、感器 DS18B20，它支持“一线总线”接口的温度传感器，全部传感元件与转化电路集成在形如一只三极管的集成电路。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。光强信号采集单元PT100 温度采集器DS18B20电压、电流采集单元PT10016F877 PIC 单片机查询方式键盘LED 显示串口通信电压、电流采集单元PT10016F877 PIC 单片机中断方式键盘15 / 73图 3-2 方案二方框图3

41、.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，测温围-55125，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，从显示的容，以与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。 第 4

42、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。 光强信号采集单元DS18B20 温度采集 8B20LCD 显示串口通信16 / 73根据太阳能电池测试原理与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

43、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

44、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 PIC16F877PICl6F877 的工作频率围为 DC20MHz，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 个定时器与 2 个 CCP 模块，串行通信模式方面则支持 MSSP 和 US

45、ART。这些都是 P1C16F877 的特点。4.1.1 PICl6F877 微处理器的核心特点光强信号采集单元DS18B20 温度采集 8B20电压、电流采集单元PT10016F877 PIC 单片机中断方式键盘LCD 显示串口通信17 / 73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

46、节(8 位)以与 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、间接与相对寻址三种模式；具有上电复位功能 POR(Power-on Reset)；置上电延时定时器 PWT(Power-up Timer)与振荡器起振定 OST(OscillatorStart-up Timer)；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(S

47、LEEP)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、工业用或围更大的操作温度围；低功率消耗，在 5V/4MHz 下，低于 2mA；在 3V/32kHz 下，约为

48、 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

49、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；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

50、、CS3 个外接控制引脚；18 / 73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

51、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，恰好对应到部的端口寄存器和端口方向寄存器。方向寄存器的容决定了 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 位的容就为该引脚的状态：当该

52、引脚设置为输出引脚时，对应的 Rx 位的值由程序部写入。在写入 Rx 寄存器数据时，单片机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

53、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，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，也有一样的问题要注意。19 / 73PORTA 是一个

54、 6 位宽的输入输出端口(I/O Port)，分别标示为 RA.0RA.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 具有一项由部提供的弱

55、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

56、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/输出引脚以与串行通信的引脚。在使用这些外围的时候TRISC 寄存器的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，PORTC3：4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

57、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)

58、，在作为并行从动口时，则是 TTL 缓冲器。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，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：20 / 73PIC16F877VDD4MHZ30PFCDEFFGHRA3/AN3RA2RA1RA0RB2RB1RB0RB3VSSGNDVCCDS18B20GDM1602KMAX232+5VC1-C2-C2-C1-T2OUTR

59、2INV-V+0.1UF0.1UFGNDDB9RD0RD1RD2RD3RD4RD5RD6RD7RC1RC2RC3RB4RB6RB5RB7RC7/RXRC6/TXDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7ER/WRSV0VDDLEDALEDKUISTT2INR2OUT1K?1K?C12C10C3C13VSSMCLRDQ+5V+24V+VOPTOPULDIRENAA+A-B+B-红黄绿蓝负载电阻Q2HB44MGBS57HB56+5V+5V+5V1K175KM3DELAYDELAYDELAYKM1KM2太阳能电池1K?K3K11K12K22K21+5V+5V10uF5.6KC1CLKINCLK

60、OUT30PFC21K1K+5V+5V+5V10K?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