基于单片机的太阳能电池数据采集系统.pdf

-I摘要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。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。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。系统采集的太阳能电池数据包括电压电流的采集、光强的采集、温度的采集等。系统通过对这些数据的采集，再通过串口通信发送到 PC机中进行数据的处理，最后对太阳能电池做出分析评判。系统的负载同过步进电机的转动来带动负载的改变，以便实现数据的自动采集，以及采集不同负载下太阳能电池的各项参数。关键词太阳能电池；单片机；数据采集；-IIAbstractAbstractOur world is exposed to energy shortage and environmental pollution problems, solar photovoltaic technology makes 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 judgment to solar cells. Based on the scientific 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 electronic circuit, we have chosen 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, voltage and current signal acquisition unit, analogue to digital conversion unit and serial communication unit, and so on. 2. We used MCU C programming language to compile software program coordinated with the data acquisition hardware circuit, controlling hardware circuit to complete the task of data acquisition, and the serial communicating between data acquisition section and personal computer Solar cell data collection system include acquisition of voltage and current, light intensity, temperature collection. The system through the data collection, and then sent through the serial communication to the PC for data processing, finally make the analysis and evaluation of solar cells. Load the same rotating stepper motor to drive the load changes to the system, so as to realize the automatic data acquisition, and acquisition under different load solar cell parameters. -IIIKeywords solar cell; MCU; data acquisition 目录目录摘要 IABSTRACT II 第 1 章 绪论 11.1 设计题目及背景 11.1.1 设计题目 11.1.2 设计背景 11.2 研究目的及意义 31.3 本文主要内容 . 41.4 本章小结 . 4 第 2 章设计原理及要求 52.1 太阳能电池 . 52. 1.1 太 阳 能 电 池 的 工 作 原理 . 52.1.2 太 阳 能 电 池 的 分类 . 62.2 太阳能电池的原理及特性 . 72.2.1 太阳能电池的等效电路 . 72.2.2 太阳能电池的伏安特性曲线 . 82.3 太阳能电池的性能参数及测试方法 8-IV2.3.1 太阳能电池的性能参数 . 82. 3.2 太阳能电池的测试方法 . 92.4 本章小结 . 10 第 3 章方案设计及选择 113.1 方案设计 113. 1.1 方案一 113.1.2 方案二 123.2 方案的选择 123.3 章的小结 . 14 第 4 章硬件电路的设计 154.1PIC单片机 154.1.1PIC单片机介绍 . 154. 1.2 单片机外围电路 194.2 电压电流信号采集单元设计 . 204.3 光强信号采集单元设计 . 224.4 继电器单元电路设计 . 224.5 温度信号采样单元设计 . 23目录4.6 步进电机单元电路设计 . 254.6.1 步进电机介绍 . 254.6.2 步进电机驱动电路 . 26-V4.7 显示单元电路设计 274.8 通信单元设计 29 4.9 电源电路设计 294.10 章的小结 31第 5 章系统软件设计 325.1 系统主程序软件设计 . 325.2 温度采集软件设计 335.3 A/D 转换部分软件设计 345.4 显示部分软件设计 365.5 通信部分软件设计 36 结论 . 39 参考文献 . 40谢辞 . 41 附录 . 42-1第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 设计题目及背景1.1.1 设计题目 基于单片机的太阳能电池数据采集系统设计1.1.2 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作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二氧化碳等温室气体，全球的能源消费所产生的二氧化碳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。河北联合大学电气工程学院-2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。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。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-3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已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。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。光热发电是第 1 章绪论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。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作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，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。河北联合大学电气工程学院-4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。1.2 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。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、-5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。1.3 本文主要内容本文主要设计一个太阳能电池数据采集系统，通过对太阳能电池的电流电压、光强、温度的各项参数的采集，对数据进行分析处理，最终对被测太阳能电池进行分析评判。可分为以下几个步奏（ 1）单片机的选型；（ 2）硬件电路的设计，如电流电压的采集、温度的采集、光强的采集、串口通信电路等；（ 3）系统软件程序的设计。1.4 本章小结本章主要了解的太阳能是人类社会一种无污染、绿色环保、取之不竭用之不尽的能源，世界各国都在加大对太阳能这种新能源的开发和利用，而我国是一个能源消耗的大国，对太阳能同样具有很大的需求。太阳能电池作为利用太阳能的重要途径，它的利用受到了各国的重视。因此，提高太阳能电池性能意义非凡。对太阳能各项参数的采集对太阳能电池进行分析评判更显得不容忽视。河北联合大学电气工程学院-6第 2 章设计原理及要求2.1 太阳能电池2.1.1 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 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。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。第 2 章设计原理及要求-7（ 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汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光 热转换过程；后一个过程是热 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。2.1.2 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。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、化合物太河北联合大学电气工程学院-8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 太阳能电池的原理及特性2.2.1 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）在式 2-1中， I定义为 pn 结电流， I 0 定义为反向饱和电流， U0 为 pn 结外加电压 ,q 1.6 10- 19是电子电荷， V T定义为温度的电压当量， k 1.38 1023/ 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 I，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，硅片的内部阻抗和电极接触会引起串联电阻 R， 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C。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作恒流源，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。第 2 章设计原理及要求-9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 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。2.2.2 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 2.2 所示图 2.2 太阳能电池的伏安特性曲线图中 V是太阳能电池的开路电压， I是太阳能电池的短路电流， P是太阳能电池的最大输出功率， V是最大功率点电压， I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。太河北联合大学电气工程学院-10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。2.3 太阳能电池的性能参数及测试方法2.3.1 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 V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 I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 P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 P，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 V和 I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（ 2-3）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。第 2 章设计原理及要求-115.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（ 2-4）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、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的大小的关系最为直接。6.串联电阻 R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 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 10002。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，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做出太阳能电池的 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。河北联合大学电气工程学院-122.4 本章小结本章对太阳能电池的各个方面进行了了解，明确了对太阳能电池进行分析和评判时需要测量太阳能电池的哪些参数，同时也给出了影响太阳能电池性能的因素，最后还给出了太阳能电池的测试方法和测试时需要注意的问题以及解决的方法。第-133 章方案设计及选择第 3 章方案设计及选择3.1 方案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。3.1.1 方案一方案一的系统结构框图如下所示图 3.1 方案一系统结构框图电压信号采集电流信号采集温度信号采集光强信号采集多路模拟开关A/D转换80 51C串 口通 信单元步 进电 机驱 动电路步 进电机PC机LCD 显示河北联合大学电气工程学院-14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，因此只需一片 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。3.1.2 方案二方案二系统结构框图如下所示该方案采用 PIC系列的 PIC16F877单片机作为控制核心 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，图 3.2 方案二系统结构框图串口通信单元步进电机驱动电路PC 机步进电机温度信号采集电压信号采集电流信号采集光强信号采集A/D转换端 PIC口LCD 显示第-15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。3.2 方案的选择上述两种方案都可以实现太阳能电池的数据采集，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l哈佛总线结构3 章方案设计及选择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问，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RAM 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采用了流水作业方式，使得运行速度大大提高。河北联合大学电气工程学院-165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 1μA 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。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。第-173.3 章的小结本章主要介绍了太阳能电池数据采集的两种方案和方案两种方案的优缺点，以及方案的选择和选择的理由。河北联合大学电气工程学院-18第 4 章硬件电路的设计4.1 PIC单片机采用 PIC16F877 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是 8 位的字宽，程序总线和程序存储器 FLASHP ROGPAM 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。4.1.1 PIC单片机介绍PIC16F877 单片机功能配置如表所示表 4.1 PIC16F877 单片机功能配置PIC16F877 工作频率（ MHZ ） DC-20 FPRAM ① （位）RAM （位）EEPROM（位）中断（个）I/O 端口CPP② 模块（个）串行通信模块 MSSP③ ， USART④并行通信模块 PSP⑤A/D 通道个数（个） 8 指令集（条） 35 复位 /（延时） POR⑥ ， BOR⑦ /（ PWRT⑧ ， OST）型号功能第 4 章硬件电路的设计-19注释① FPRAM 程序闪存 Flash Program Memory ; ② CCP 捕捉器 /比较器 /PWM Capture/Compare/PWM; ③ MSSP 主同步串行口 Master Synchronous Serial Port; ④ USART 通用同步异步器和发送器 Universal Synchronous Asynchronous Receive Transmitter; ⑤ PSP