一種太陽能電池發(fā)電量監(jiān)測器的設(shè)計

1、目錄 編號 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)論論文文 題 目 一種太陽能電池發(fā)電量監(jiān)測器 的設(shè)計 學(xué)生姓名學(xué)生姓名解厚勇 學(xué)學(xué) 號號16091035 系系 部部電子工程系 專專 業(yè)業(yè)光電子技術(shù) 班班 級級160910 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師周雷 講師 顧問教師顧問教師許金星 講師 二一二年六月 目錄 摘摘 要要 本設(shè)計對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電量監(jiān)測器進行了深入研究，提出了一種低耗 能、低成本電量監(jiān)測器新的設(shè)計方法，制作出了該系統(tǒng)，完成了相關(guān)實驗和測 試。 本設(shè)計的第一部分首先介紹了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電量監(jiān)測器的研究背景及 研究現(xiàn)狀。其次指出本文的主要工作。 第二部分首先提出了一種低耗能、

2、低成本電量監(jiān)測器新的設(shè)計方法。在詳 細分析了 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、I/V、V/V 轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、輸出顯示模塊基礎(chǔ)上， 給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計的總體方案。并特別詳細分析了系統(tǒng)的設(shè)計創(chuàng)新之處-采 用霍爾電流傳感器幾乎在不消耗能量的情況下就可以實現(xiàn) I/V 轉(zhuǎn)換。最后對系 統(tǒng)的軟件進行了設(shè)計和編程。 第三部分實際制作了小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電量監(jiān)測器，并對系統(tǒng)的精度 進行了測試分析，結(jié)果表明所制作出的電量監(jiān)測器低功耗，隨著測試時間的延 長，精度將逐漸提高。 最后，對本研究課題進行了總結(jié)，并指出了新的工作方向。 關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電系統(tǒng) AT89S52 電量監(jiān)測器 霍爾傳感器 目錄 目目 錄錄 摘摘 要要

3、.I 目目 錄錄.I 第一章第一章 緒緒 論論.1 1.1 研究背景.1 1.2 主要工作.2 第二章第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計.3 2.1 工作原理 .3 2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .3 2.2.1 單片機電路設(shè)計.4 2.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊.5 2.2.3 I/V 轉(zhuǎn)換模塊.6 2.2.4 V/V 轉(zhuǎn)換模塊.9 2.2.5 電源設(shè)計.9 2.2.6 輸出顯示模塊.12 2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計.15 2.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計.15 2.3.2 屏保部分程序設(shè)計.16 2.3.3 主函數(shù)部分程序流程圖.18 第三章第三章 系統(tǒng)制作與測試系統(tǒng)制作與測試.21 3.1 器件選擇與

4、系統(tǒng)制作 .21 3.2 系統(tǒng)測試 .21 3.3 系統(tǒng)使用說明事項 .23 第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.25 致致 謝謝.27 參考文獻參考文獻.29 目錄 I 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 0 第一章第一章 緒緒 論論 1.11.1 研究背景研究背景 太陽電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到 pn 結(jié)上時，產(chǎn) 生電子一空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒有被復(fù)合而到達空間電 荷區(qū)，受內(nèi)建電場的吸引，電子流入 n 區(qū)，空穴流入 p 區(qū)，結(jié)果使 n 區(qū)儲存了 過剩的電子，p 區(qū)有過剩的空穴。它們在 pn 結(jié)附近形成與勢壘方向相反的光生 電場。光生電場除了部分抵消勢壘

5、電場的作用外，還使 p 區(qū)帶正電，N 區(qū)帶負 電，在 N 區(qū)和 P 區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢，這就是光生伏特效應(yīng)。此時，如 果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個電 流稱作短路電流，另一方面，若將 PN 結(jié)兩端開路，則由于電子和空穴分別流 入 N 區(qū)和 P 區(qū)，使 N 區(qū)的費米能級比 P 區(qū)的費米能級高，在這兩個費米能級之 間就產(chǎn)生了電位差 VOC?？梢詼y得這個值，并稱為開路電壓。由于此時結(jié)處于 正向偏置，因此，上述短路光電流和二極管的正向電流相等，并由此可以決定 VOC 的值。 太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下， 空穴由n區(qū)

6、流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電 效應(yīng)太陽能電池的工作原理。 太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另 一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。 第一：光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由 太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個 過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一 樣.太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火 電站貴510倍。 第二：光電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn) 換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光

7、生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管， 當(dāng)太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生 電流。當(dāng)許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能 電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和 靈活性三大優(yōu)點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投 資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染； 太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太 陽能電池組，這是其它電源無法比擬的。電池板原料：玻璃，EVA，電池片、鋁 緒論 1 合金殼、包錫銅片、不銹鋼

8、支架、蓄電池等而太陽能發(fā)電系統(tǒng)基本分為三類： 1）獨立光伏系統(tǒng)，2）并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，3）混合系統(tǒng)。其中獨立光伏系統(tǒng)、離網(wǎng) /并網(wǎng)混合系統(tǒng)組成如圖1.1所示,主要組成部分為：1）光伏組件，2）監(jiān)控系統(tǒng)， 3）控制系統(tǒng)（充電控制、供電控制、狀態(tài)控制），4）監(jiān)控系統(tǒng)（簡單的獨立 光伏系統(tǒng)可以沒有監(jiān)控系統(tǒng)），5）蓄電池組，6）負載。 在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，無論是獨立光伏系統(tǒng)，還是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，抑或是 混合系統(tǒng)，環(huán)境數(shù)據(jù)是決定太陽能發(fā)電的重要指標,對太陽能發(fā)電質(zhì)量起著決定 性作用；同時也是對太陽能發(fā)電站的設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)保證。所以在太陽能 發(fā)電系統(tǒng)中，需要讀系統(tǒng)的工作狀況進行實時采集，在大型并網(wǎng)系統(tǒng)中往往

9、要 求采集風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、太陽能電池溫度、蓄電池溫度、太陽總輻射、 太陽直接輻射、充電電流、充電電壓、逆變輸出電流、逆變輸出電壓、工作電 流、工作電壓等，這些數(shù)據(jù)要保存10年以上。 但在小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，如果對其電量進行采集，往往要消耗系統(tǒng)能 量，所以如何設(shè)計出一種低成本、低耗電的電量監(jiān)測器是十分必要的。 1.21.2 主要工作主要工作 本課題提出了一種太陽能電池發(fā)電量實時采集系統(tǒng)的設(shè)計方案。系統(tǒng)利用 AT89S52 單片機進行控制，采用霍爾電流傳感器對太陽能電池的輸出電流進行 測量，其突出優(yōu)點是可以在幾乎不消耗能量情況下，將電流轉(zhuǎn)換為電壓進行測 量。 研究和探討了太陽能電池發(fā)電量實

10、時采集系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由太陽能電池組、 霍爾電流傳感器組成的 I/V 轉(zhuǎn)換電路、液晶 1602 組成的顯示裝置、AT89S52 單 片機構(gòu)成的控制系統(tǒng)、以及鉛酸蓄電池構(gòu)成的儲能系統(tǒng)五部分組成。 研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)：研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)： (1)原理電路的設(shè)計； (2)I/V 轉(zhuǎn)換時傳感器的選??； (3)濾除電源紋波及單片機相鄰元件不受噪聲干擾的設(shè)計。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 第二章第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計 2.12.1 工作原理工作原理 如圖 2-1 所示，電量監(jiān)測器主要由太陽電池、轉(zhuǎn)換電路、控制系統(tǒng)，穩(wěn)壓 保護電路、顯示系統(tǒng)和蓄電池六部分組成。其工作過程為太陽能電池接收光照

11、 時，產(chǎn)生電流，對蓄電池充電，控制系統(tǒng)通過穩(wěn)壓電路由蓄電池提供驅(qū)動電壓， 對太陽能電池產(chǎn)生的電量進行實時信號采集。由于控制系統(tǒng)由單片機組成，只 能接收電壓信號，所以在信號接收前由 I/V、V/V 轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路將信 號調(diào)至合適的電壓，經(jīng)內(nèi)部運算處理，結(jié)果送顯示系統(tǒng)顯示太陽電池的發(fā)電量。 圖 2-1 太陽能電量監(jiān)測器 2.22.2 系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件設(shè)計 系統(tǒng)方案電路如圖2-2所示，主要由太陽能電池組、霍爾電流傳感器組成的 I/V轉(zhuǎn)換電路、液晶1602組成的顯示裝置、AT89S52單片機構(gòu)成的控制系統(tǒng)、以 及鉛酸蓄電池構(gòu)成的儲能系統(tǒng)五部分組成。其工作過程為太陽能電池接收光照 時，產(chǎn)生光

12、生電流，對蓄電池充電，單片機通過穩(wěn)壓裝置由蓄電池提供驅(qū)動電 壓，對太陽能電池產(chǎn)生的電量進行實時信號采集。由于單片機只能接收電壓信 號，所以在信號接收前由I/V、V/V轉(zhuǎn)換模塊將信號調(diào)至合適的電壓，經(jīng)內(nèi)部運 算處理，結(jié)果送1602液晶顯示裝置顯示電池發(fā)電量。 系統(tǒng)方案設(shè)計 3 圖 2-2 電量監(jiān)測器原理電路 2.2.1 單片機電路設(shè)計單片機電路設(shè)計 單片機最小硬件系統(tǒng) 圖 2-3 最小單片機系統(tǒng) 圖2-3為單片機的最小硬件系統(tǒng)，單片機采用ATMEL公司研制生產(chǎn)的MCS- 51系列AT89S52，該單片機的工作電源VCC為5V，由終端電源接口提供；單片 機的時鐘電路一般是在它的時鐘引腳外接晶體振蕩

13、器，和內(nèi)部的高增益反相放 大器構(gòu)成自激振蕩電路，振蕩頻率取決于晶體的頻率，頻率范圍小于 33MHz，C1、C2起頻率微調(diào)和穩(wěn)定作用，容值為5-50pf。復(fù)位電路由基本的RC 微分電路實現(xiàn)，該電路可以在上電初期其RESET引腳獲得一定時間的高電平， MCS-51單片機復(fù)位操作是在復(fù)位引腳加2個機器周期以上的高電平。有效復(fù)位 與所加高電平時間與系統(tǒng)晶振的頻率有關(guān)。 Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程， 亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng) 可編程Flash，

14、淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 4 使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32位I/O口線，看 門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié) 構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許 RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被 保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 2.2.2 A

15、/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 當(dāng)模擬信號輸入單片機后需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由于需要同時測量太陽能 電池輸出電壓和電流，故采用ADC0832是八位串行雙通道A/D轉(zhuǎn)換器（如圖2.4所 示）。 ADC0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換 芯片。ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達 256 級，可以適 應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模 擬電壓輸入在 0-5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù) 據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入， 使多器件掛接和處理器

16、控制變的更加方便。 圖 2-4 ADC0832 轉(zhuǎn)換器 單片機對 ADC0832 的控制原理： 正常情況下 ADC0832 與單片機的接口應(yīng)為 4 條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、CLK、DO、DI。但由于 DO 端與 DI 端在通信時并未同時有效并與單片機的接 口是雙向的，所以電路設(shè)計時可 以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng) ADC0832 未工作時其 CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的電 平可任意。當(dāng)要進行 A/D 轉(zhuǎn)換時，須先將 CS 使能端置于低電平并且保持低電平 直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK 輸入時鐘

17、脈沖，DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第 系統(tǒng)方案設(shè)計 5 1 個時鐘脈沖的下沉之前 DI 是高電平，表示啟始信號。在第 2、3 個脈沖下沉 之前 DI 端應(yīng)輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。 當(dāng)此 2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時，只對 CH0 進行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù) 為“1”、“1”時，只對 CH1 進行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時， 將 CH0 作為正輸入端 IN+，CH1 作為負輸入端 IN-進行輸入。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為 “0”、“1”時，將 CH0 作為負輸入端 IN-，CH1 作為正輸入端 IN+進行輸入。 到第 3 個脈沖的下沉之后

18、DI 端的輸入電平就失去輸入作用，此后 DO/DI 端則開 始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第 4 個脈沖下沉開始由 DO 端輸出 轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個脈沖下沉 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第 11 個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位 開始 輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個字節(jié)的下沉輸出 DATA0。隨后 輸出 8 位數(shù)據(jù)，到第 19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)束。 最后將 CS 置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。 作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是0-

19、5V且8位分辨率時的電 壓精度為 19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時，可是將電壓值設(shè)定在 某一個較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與 IN-的輸入時，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。 ADC0832的A/D轉(zhuǎn)換精度要依賴于有高穩(wěn)定度的基準參考電壓，參考電壓設(shè) 定為5V，由TL431產(chǎn)生。模擬信號經(jīng)過RC濾波送入AD輸入端，然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換 后串行輸出。TL431構(gòu)成的穩(wěn)壓基準溫漂小,又有相當(dāng)?shù)呢撦d能力,且輸出電壓連 續(xù)可調(diào),可作為AD0832的基準電壓和電源（如圖2-5） 。 圖 2-5 TL431 電路及引腳結(jié)構(gòu)圖

20、 2.2.3 I/V 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 因單片機I/O口只能接收0V5V的電壓信號，要實時采集太陽能電池輸出電 流，需要將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，而設(shè)計目標的太陽能電池發(fā)電的電壓范 圍是0V24V，電流范圍是0A14A，所以要想信號正常輸入到單片機中，必須 使，電流信號轉(zhuǎn)化為0V5V的電壓信號。 所以在系統(tǒng)中設(shè)有I/V轉(zhuǎn)換電路，如圖2-6所示，系統(tǒng)由霍爾傳感器和三個 電阻組成。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 6 霍爾傳感器霍爾傳感器 R4 R5 RP1 Vcc GND Vout VO1= 05V I 圖 2-6 I/V 轉(zhuǎn)換電路 采用霍爾傳感器是本系統(tǒng)最為突出的特色之一，由于電量監(jiān)測器是對

21、光伏 發(fā)電系統(tǒng)起到監(jiān)測作用的電量采集設(shè)備，所以如何盡可能降低能量消耗是首要 問題。由此霍爾電流傳感器成為首選，其所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應(yīng)原 理，可在幾乎不消耗能量的情況下將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。本系統(tǒng)采用 TBC10SY 型霍爾電流傳感器，TBC10SY 雙環(huán)系列閉環(huán)電流傳感器的初、次級之間 是絕緣的，具有超強抗干擾能力；用于測量直流、交流和脈動電流。 TBC10SY 雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器電參數(shù)如表 2-1 所示，引腳及安裝 結(jié)構(gòu)圖如圖 2-7 所示，從參數(shù)表可以看出其額定輸出電壓為(40.5%)V,15 V 雙電源供電，測量電流范圍為 015A,基本滿足小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用。

22、 需要特別指出的是 1)當(dāng)待測電流從傳感器穿過，即可在輸出端測得電壓大小。(注意：錯誤的 接線可能導(dǎo)致傳感器損壞) 2)可按用戶需求定制不同額定輸入電流和輸出電壓的傳感器。 系統(tǒng)方案設(shè)計 7 表2-1 TBC10SY雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器電參數(shù) 電參數(shù) TBC10SY 額定輸入電流 12.515A 測量電流范圍 2530A 輸入腳尺寸 1.0 1.0mm 匝 比1：25001：3000 內(nèi)接測量電阻 400400 額定輸出電壓 40.5%V 電源電壓 155%V 零電流失調(diào) 20mV 失調(diào)電壓漂移 0.5mV/ 線性度 0.1%FS 響應(yīng)時間2 S 絕緣電壓 5.0KV 工作溫度-40+8

23、5 1 5 243 656 31 24 1 -15V 2 GND 3 +15V 4 OUT 5 +IN 6 -IN 圖 2-7 TBC10SY 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及引腳功能 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 8 2.2.4 V/V 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 要對太陽能電池發(fā)電量進行實時采集，就要求在采集太陽能電池輸出電流 的同時要采集器輸出電壓，目標太陽能電池發(fā)電的電壓范圍是0V24V，所以要 想信號正常輸入到單片機中，必須適當(dāng)調(diào)節(jié)使電壓在輸入前轉(zhuǎn)化為0V5V。 系統(tǒng)本電路中采用電阻的電流電壓的線形關(guān)系將電流按比例轉(zhuǎn)化為合適的 電壓，其轉(zhuǎn)化關(guān)系為0V5V代表0A14A，電壓的轉(zhuǎn)化關(guān)系為0V5V代表 0V24

24、V。其電壓衰減電路連接如圖2-8所示. R7 10K R6 33K RP2 50K 太陽 能電 池 VO2= 05V 圖 2-8 電壓衰減電路 2.2.5 電源設(shè)計電源設(shè)計 （1）單片機電源設(shè)計 單片機是一種超大規(guī)模集成電路，在該集成電路內(nèi)有成千上萬個晶體管或 場效應(yīng)管，因此，要單片機正常運行，就必須為其提供能量，即為片內(nèi)的晶體 管或場效應(yīng)管供給電源，使其能工作在相應(yīng)的狀態(tài)。 AT89S52需要一個5V電源（實際工作電壓為3.6V6.0V）。因此，最簡單 的辦法是用三節(jié)1.5V的電池串聯(lián)供電，也可用整流、穩(wěn)壓方式供電，可得4.5V 左右的電壓；如果用四節(jié)電池串聯(lián)，又用一硅二極管降壓，實際輸出電

25、壓為 5.4V左右。也可將市電交流變?yōu)?V20V的直流電壓，再經(jīng)集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn) 壓后得到穩(wěn)定的+5V電壓，也可不用集成穩(wěn)壓器，改用廉價的穩(wěn)壓二極管來穩(wěn) 壓。AT89S52本身耗電僅3mA（低時鐘耗電更小），因為單片機要驅(qū)動液晶顯 示裝置，則單片機電源也必須為這類器件供電。電源電路都需要在AT89S52的 Vcc引腳與地之間接一電容0.1F,而且此電容應(yīng)緊靠單片機安裝,以濾除電源的 紋波,并使單片機和相鄰元件不受噪聲干擾。 因本系統(tǒng)為獨立發(fā)電，而且長期使用，考慮到電源壽命，不適合由1.5V電 壓的電池供電。該裝置由市電提供驅(qū)動電源也不符合實際，所以最佳方案應(yīng)該 由系統(tǒng)內(nèi)部太陽能電池的蓄電池

26、供電。系統(tǒng)設(shè)計蓄電池輸出電壓為20V，經(jīng)穩(wěn) 壓集成塊7805穩(wěn)壓為5V，輸入單片機Vcc引腳，驅(qū)動單片機及數(shù)字顯示裝置。 系統(tǒng)方案設(shè)計 9 （2）霍爾傳感器電源的設(shè)計 圖 2-8 7805 模塊連接示意圖 此外，盡管霍爾傳感器耗電很小，但其仍然需要15V的工作電源，考慮 到系統(tǒng)是由蓄電池提供電源，所以就要設(shè)計選用一種能夠?qū)⒄妷恨D(zhuǎn)換成正負 雙電壓的器件，這個本系統(tǒng)設(shè)計另一個重要的創(chuàng)新之處。巧妙采用了新特器件 ICL7662。ICL7662是INTERSIL公司生產(chǎn)的電壓變換器IC，ICL7662電壓轉(zhuǎn)換器 工作原理，如圖2.10所示，在ICL7662 工作周期的前半個周期，S1和S3閉合， S

27、2 和S4 斷開，C1由輸入電壓充電到VIN。在接下來的后半個周期，S1和S3斷 開，S2 和S4 閉合。在電路電阻非常小的情況下，就會由C1 放電在C2上，在 C2兩端形成-VIN。根據(jù)該芯片的工作原理，本文做了大量的試驗，如果在C2兩 端加上-VIN，根據(jù)同樣的原理，會在C1上形成相當(dāng)于VIN的電壓。根據(jù)此特性 非常有利于從信號端“竊取”電源，即不管是在正電源端還是負電源端，只要 某一端有足夠的電平，芯片就會高效地完成“竊電”。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 10 表2.2 ICL7662管腳功能 管腳符號功能 1NC空腳，與內(nèi)部不連接 2CAP接電荷泵的泵電容正極（10）F 3GND

28、電源負端地 4CAP接電荷泵的泵電容正極極 5Vout電壓輸出端 6V電源正端（4.520V） ICL7662主要用于將正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負電壓，所以也被稱為電壓反轉(zhuǎn)器， 用它還能組成正電壓倍壓電路及其它功能電路?？商娲吞柕腄IP封裝器件： 這兩種電壓變換器主要特點：反壓、倍壓(或多倍壓)電路簡單、外圍元器件少； 電壓轉(zhuǎn)換率高達99.9(電壓反轉(zhuǎn)工作電壓范圍寬,ICL7662為4.520V；工作電 流小，主要應(yīng)用于電池供電的便攜式儀器、儀表中，可產(chǎn)生負壓、倍壓輔助電 源， 圖2-10 ICL7662工作原理圖 圖2-11 ICL7662引腳結(jié)構(gòu)圖 如+5V產(chǎn)生一5V或+9V電壓，用于需要正

29、負電源供電的運算放大器、數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)或供動態(tài)RAM等；另外，它也可用作驅(qū)動N溝道功率MOSFET(高端驅(qū) 動)：管腳排列與功能這兩種器件的管腳排列與功能都相同,這兩種器件的管腳排 列與功能都相同，管腳排列如圖2-11所示。 電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負電 壓輸出的79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三 條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO- 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來 組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護 系統(tǒng)方

30、案設(shè)計 11 電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或 79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正 6V，7909表示輸出電壓為負9V。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子 制作中經(jīng)常采用。 電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負電 壓輸出的79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三 條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO- 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。 用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還

31、 有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該 系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電 壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負9V。因為三端固定集 成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 2.2.6 輸出顯示模塊輸出顯示模塊 電量計算：Q=VIT,T的時間可根據(jù)需要在軟件編程時自行確定，如每隔3分 鐘采樣一次，經(jīng)內(nèi)部運算后送1602液晶顯示發(fā)電量。為了節(jié)約電能，通過設(shè)置 繼電器，使液晶顯示器顯示十秒鐘后自動熄滅。 液晶顯示器（LCD）由于功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點，日漸成為各種便 攜式產(chǎn)品，儀器儀表以及工控產(chǎn)

32、品的理想顯示器。LCD種類繁多，按顯示形式 及排列形狀可分為字段型、點陣字符型、點陣圖形型。單片機有用系統(tǒng)中主要 使用后兩種。 1602點陣字符型LCD，16代表每行可顯示16個字符；02表示共有2行，即這 種LCD顯示器可同時顯示32個字符。 （1）點陣字符型LCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1602電子字符型顯示模塊（LCM）由LCD控制器、LCD驅(qū)動器、LCD顯示 裝置（液晶屏）等組成，主要用于顯示數(shù)字、字母、圖形符號及少量自定義符 號，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 12 圖 2-12 1602 電子字符型 LCD 的內(nèi)部結(jié)構(gòu). 表 2.3 1602 液晶引腳接口說明表

33、編號符號引腳說明編號符號引腳說明 1VSS 電源地 9D2 數(shù)據(jù) 2VDD 電源正極 10D3 數(shù)據(jù) 3VL 液晶顯示偏壓 11D4 數(shù)據(jù) 4RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12D5 數(shù)據(jù) 5R/W 讀/寫選擇 13D6 數(shù)據(jù) 6E 使能信號 14D7 數(shù)據(jù) 7D0 數(shù)據(jù) 15BLA 背光源正極 8D1 數(shù)據(jù) 16BLK 背光源負極 （2）1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能 顯示容量:162個字符 芯片工作電壓:4.55.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 系統(tǒng)方案設(shè)計 13 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光

34、）接口，各引腳接口 說明如表2-3： （三）（三）LCD1602LCD1602 與單片機的硬件連接圖與單片機的硬件連接圖 LCD1602 與單片機的硬件連接圖如圖 2-13 所示 圖 2-13 LCD1602 與單片機的硬件連接圖 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 14 2.2.3 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 2.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計轉(zhuǎn)換部分程序設(shè)計 AD0832控制原理： 正常情況下ADC0832 與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的 接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上

35、使用。當(dāng) ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的 電平可任意。當(dāng)要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電 平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入 端CLK 輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在 第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖 下沉之前DI端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。AD0832部分程序流程圖如圖 2-14所示。 開始 初始化 CS=1 CLK=0 DI=0 DO=1 芯片使能 通道選擇 取數(shù)據(jù) 關(guān)閉芯 片使能 送單片機

36、 數(shù)據(jù)處理 結(jié)束 是否發(fā)開始信 號 否 是 圖 2-14 AD0832 部分程序流程圖 AD轉(zhuǎn)換部分源程序： unsigned char adc0832(bit SGL,bit ODD) unsigned char i,ad_data=0; cs=1; clk=0; 系統(tǒng)方案設(shè)計 15 _nop_(); cs=0; delay(10); din=1; clk=0; _nop_(); clk=1; din=SGL; clk=0; _nop_(); clk=1; din=ODD; clk=0; _nop_(); clk=1; delay(1); clk=0; for(i=0;i8;i+) clk=

37、1; _nop_(); clk=0; ad_data=(ad_data1)|dout; delay(10); /cs=1; return(ad_data); 2.3.2 屏保部分程序設(shè)計屏保部分程序設(shè)計 系統(tǒng)屏保程序框圖如圖2-15所示 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 16 開始 開啟定時器 賦初值 關(guān)數(shù)碼管位掃 描 開啟數(shù)碼管位 掃描 定時器計時累 加 是否有按鍵按 下？ 系統(tǒng)屏保程序流程 圖 是否計時到十 分鐘？ 圖 2-15 系統(tǒng)屏保程序框圖 屏保部分源程序： if(key=0)/按鍵 del_dis=30; while(del_dis-) display();/消抖 pr=0;/10

38、秒屏保開始計時 if(key=0) if(a) done=done;/顯示切換 a=0; if(done) DisDone1();/顯示切換 else DisDone2();/顯示切換 else a=1; void TimeInt() interrupt 1/定時器中斷 TH0=0X3c;/50毫秒計數(shù)初值 系統(tǒng)方案設(shè)計 17 TL0=0Xb0;/50毫秒計數(shù)初值 t+; if(t=10)vbit=1; if(t=20)/1秒計時 pr+; if(pr=20)pr=10;/屏保 secondbit=1;/1秒后采樣一次 t=0 2.3.3 主函數(shù)部分程序流程圖主函數(shù)部分程序流程圖 開始 函數(shù)初

39、始化 電壓采集完畢？ 調(diào)用電壓采集 函數(shù) 調(diào)用電流采集函 數(shù) 電流采集完畢？ 進行數(shù)據(jù)處理 送值到顯示 是 否 存儲數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)2 存儲數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)1 是 否 圖 2-16 主函數(shù)程序流程圖 主函數(shù)部分源程序 main() unsigned char del_dis;/消抖時間變量 bit a=0; 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 18 float temp=0; inti();/初始化 while(1) if(pr35999)Q=Q+1;temp=temp-36000;/整數(shù)部分 if(done) DisDone1();/顯示處理1（整數(shù)顯示） else DisDone2();/顯

40、示處理2（顯示小數(shù)部分） secondbit=0; if(key=0)/按鍵 del_dis=30; while(del_dis-)display();/消抖 pr=0;/10秒屏保開始計時 if(key=0) if(a) done=done;/顯示切換 a=0; if(done) DisDone1();/顯示切換 else DisDone2();/顯示切換 else a=1; 系統(tǒng)制作與測試 19 第三章第三章 系統(tǒng)制作與測試系統(tǒng)制作與測試 3.13.1 器件選擇與系統(tǒng)制作器件選擇與系統(tǒng)制作 系統(tǒng)設(shè)計目標為采集200W的小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)，額定電壓24V，最大電流 6.18A，蓄電池200Ah

41、。設(shè)計正常放電時間為23天,0A6.18A的電流按比例轉(zhuǎn) 換為0V5V的電壓，由兩個電阻構(gòu)成的衰減器，輸出電壓放大比例由電阻R1和 R2的比值決定，設(shè)定V/V轉(zhuǎn)換比例為5/24，則R7=10k，R6+RP2=48k。 3.23.2 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試 需要特別指出的是，太陽電池在光照時產(chǎn)生的電能與光源輻照度、電池的 溫度和照射光的光譜分布等因素相關(guān)，因此在測定太陽能電池的功率時，必須 規(guī)定標準的測試條件。國際電氣規(guī)格標準化委員會IEC TC-82(International Electrical Committee, Technical Committee-82)關(guān)于地面上使用的太陽能電池，定

42、義標準測試條件為： AM1.5 地面太陽光譜輻照度； 輸入光的功率為 1000W/m2； 測試溫度：25；C （a）系統(tǒng)連接實物圖 （b）系統(tǒng)模擬測試實物圖 圖3-1系統(tǒng)實物及模擬測圖 因此，標測條件必須要有太陽模擬器，考慮到實際實驗條件，我們采用了 模擬測試方法，及模擬輸入變化的電壓電流信號。系統(tǒng)實物圖和模擬測試如圖 3-1所示。 系統(tǒng)模擬測試數(shù)據(jù)如表3-1所示，測量條件：模擬輸入定電壓12.24V。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 20 表 3.1 模擬測量數(shù)據(jù) 模擬電流值（A）電流測量值 0.280.21 0.300.24 0.350.30 0.370.33 0.390.37 0.430.39 0.490.46 0.550.50 0.580.55 0.610.59 測量誤差如表3.2所示 表 3.2 初始的 10 次測量誤差 序數(shù) 12345678910 誤差 （% ） 2.922.822.732.722.682.652.532.412.352.38 采用MATLAB軟件對模擬測試結(jié)果進行分析得到如圖3-2所示：由測量數(shù)據(jù) 與顯示數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)電量采集器的顯示誤差有一定的變化