【正文】 電池的開路電壓， Isc 是太陽能電池的短路電流， Pm 是太陽能電池的最大輸出功率， Vm 是最大功率點(diǎn)電壓， Im 是最大功率點(diǎn)電流。太陽能電池的輸出電流在短路狀態(tài)下不是無窮大，而是一個(gè)有限值。 Isc：太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，太陽能電池輸出端短路時(shí)的輸出電流值。表述為： (25) 太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是評(píng)判電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù)，它與電池的結(jié)構(gòu) .結(jié)特性 .工作溫度 .材料性質(zhì) .放射性 粒子輻射損傷和環(huán)境變化等因素有關(guān)，其中與制造太陽能電池半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的大小的關(guān)系最為直接。 日照強(qiáng)度和電池溫度對(duì)太陽能電池伏安特性的影響 太陽能電池的伏安特性曲線是對(duì)太陽能電池進(jìn)行分類評(píng)判的基礎(chǔ)。如圖 24 所示，開路電壓隨同照強(qiáng)度的變化很輕微，短路電流隨日照強(qiáng)度的變化很明顯。為了盡可能降低光強(qiáng)和溫度變化對(duì)測(cè)試帶來的影響，必須保證太陽能電池的測(cè)試是在極短時(shí)間內(nèi)完成的。它的工業(yè)原理：當(dāng) PT100 在 0 攝氏度的時(shí)候他的阻值為 100 歐姆，它的的阻值會(huì)隨著溫度上升它的阻值是成勻速增漲的。 圖 31 方案一方框圖 方案二 系統(tǒng)的溫度采集選 用 采用溫度傳感器 DS18B20，它是美國 Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20，它支持 “一線總線 ”接口的溫度傳感器，全部傳感元件及轉(zhuǎn)化電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。方框圖如圖 32 所示。采用 3 線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。 光強(qiáng)信號(hào)采集單元 DS18B20 溫度采集8B20 電壓、電流采集單元PT100 16F877 PIC 單片機(jī) 中斷方式鍵盤 LCD 顯示 串口通信 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 第 4 章 硬件 部分設(shè)計(jì) 在太陽能電池測(cè)試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分主要是對(duì)太陽能電池外接負(fù)載在從零變化到無窮大過程中太陽能電池的輸出電壓和輸出電流 .太陽能電池溫度和只照強(qiáng)度進(jìn)行采集，并和 PC 機(jī)進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳到 PC 機(jī)，由 PC 機(jī)完成采集數(shù)據(jù)的分析處理。 光強(qiáng)信號(hào)采集單元 DS18B20 溫度采集8B20 電壓、電流采集單元PT100 16F877 PIC 單片機(jī) 中斷方式鍵盤 LCD 顯示 串口通信 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 PIC16F877 PICl6F877 的工作頻率范圍為 DC— 20MHz，內(nèi)置 POR(Poweron Reset)和BOR(Bmwnout Reset)兩種 復(fù) 位功能、上電延時(shí)定時(shí)器 (Powerup Timer， PWRT)、振蕩器起振定時(shí)器 (Oscillator StartupTimer， OST)，除了 1 個(gè)看門狗定時(shí)器之外，另外還有 3 個(gè)定時(shí)器及 2 個(gè) CCP 模塊，串行通信模式方面則支持 MSSP 和 USART。 輸入輸出端口簡(jiǎn)介 輸入輸出端口是單片機(jī)最基本的接口，通過這個(gè)接口單片機(jī)可以用數(shù)字的方式與其外圍電路連接，從而進(jìn)行電路的控制和信號(hào)的檢測(cè)。方向寄存器的內(nèi)容決定了 I/O 口的方向， I表示輸入， O 表示輸出。所有的 I/O 口引腳都有保護(hù)二極管存在，此二極管接在 I/O 引腳和 VDD、 Vss 之間，確保引腳的電壓電位在 VDD、蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 Vss 之間，因此單片機(jī)外部可以省去保護(hù)二極管的設(shè)計(jì)。至于輸入引腳作為輸入功能時(shí)為高阻抗的輸入特性，還會(huì)有一個(gè)微小的漏電流存在，這些電氣特性都可以在單片機(jī) Date Book 的電氣特性 (Electrical Chara teristic)部分查到。RA是 I/O 口的值，每個(gè)位對(duì)應(yīng)該引腳的值，作為輸入引腳時(shí)，引腳會(huì)呈現(xiàn)高輸入阻抗的特性，因此外部的值會(huì) 直接反應(yīng)在 RA 中的位里；作為輸出引腳時(shí)，只要將值寫入這位即可。另外 PORTB的 PB7： PB4 這 4 個(gè)引腳，提供了電平變化 中斷 (Interrupt On Change)的功能，當(dāng)然要使用這項(xiàng)功能時(shí)必須先把該引腳對(duì)應(yīng)于 TRISB 的位設(shè)置為輸入才行，其他則是屬于中斷的設(shè)置。在使用這些外圍的時(shí)候． TRISC 寄存器的內(nèi)容無法完全決定該引腳的輸入 /輸出狀態(tài)，主要以外圍模塊的設(shè)置為主。PORTD 也可以作為并行從 動(dòng)端口 (Parallel Slave Port PSP)的總線引腳，作為和其他微處理器溝通的并行接口， PORTD 方向控制寄存器 TRISE 中的 PSPMODE 位就是用來選擇 PORTD 作為 PSP 功能。在作為 I/O 口的輸入引腳時(shí)，內(nèi)部為斯密特觸發(fā)緩沖器 (Schmitt Trigger Input Buffer)。 整個(gè)數(shù)據(jù)采集部分的電路是以單片機(jī)為控制核心的，在數(shù)據(jù)采集部分電路中，用步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn) 太陽能電池所接負(fù)載電阻按一定的阻值間隔從零到無窮大的變化，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)按一定的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池所接負(fù)載電阻的變化：溫度采集所采用的數(shù)字溫度傳感器 DS l8B20 是單線總線結(jié)構(gòu)，需要按照嚴(yán)格的時(shí)序由單片機(jī)進(jìn)行控制，才能順利實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和輸出；電流 、 電壓和光強(qiáng)信號(hào)都需要由單片機(jī) 內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換 模塊 來實(shí)現(xiàn)由采集到的模擬量到單片機(jī)所需要的數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電壓 、 電流 、 光強(qiáng)和溫度信號(hào)都需要通過單片機(jī)控制 RS232 串口來實(shí)現(xiàn) 與 PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 RB4RB6RB5RB7UIST10K 10K 10K 10K+5V 45 鍵盤設(shè)計(jì)圖 電壓 、 電流信號(hào)采集單元設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的電壓 、 電流信號(hào)采集電路示意圖如圖 46 所示： 在圖 46 中， R0是負(fù)載電阻， Rst d 是標(biāo)準(zhǔn)電阻， Vref 是參考電壓源。 ，使負(fù)載電阻的值遠(yuǎn)小于太陽能電池本身的內(nèi)阻，根據(jù)上面的步驟 1 和步驟 2，可以得到太陽能電池的短路電流 Isc。三極管起開關(guān)作用，根據(jù)單片機(jī) I/0 口為 0 或?yàn)?1 決定三極管是否導(dǎo)通；二極管要反過來接，主 要作用是保護(hù)三極管，因?yàn)樵诰€圈停電的瞬間會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，可能會(huì)對(duì)三極管造成損傷。一般情況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的總角度與輸入的脈沖個(gè)數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)電路連接示意圖如圖 48 所示： 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 RA2RA1RA0+5 V+24 V紅黃綠藍(lán)負(fù)載電阻Q2HB44MG BS57HB56圖 48 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)電路連接 如圖 48 中所示，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 PUL， DIR， ENA 三個(gè)端子與單片機(jī)的三個(gè) I/0 引腳連接，這在前面已有介紹，這里不再重復(fù)。 光強(qiáng)信號(hào)采集單元設(shè)計(jì) 太陽能電池的短路電流受到溫度 、 光照等環(huán)境因素的影響，但是在太陽能電池面積較小的情況下，可以認(rèn)為太陽能電池的短路電流只與光照強(qiáng)度有關(guān)，并且它們之間成正比例關(guān)系，而不受其他環(huán)境因素的影響。 2 測(cè)溫范圍 － 55℃ ～ +125℃ ，固有測(cè)溫分辨率 ℃ 。 DS18B20 的外形及管腳排列圖如下圖 410 所示。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 高速暫存 RAM 的第 8 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯第 9 字節(jié)讀出前面所有 8 字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。 DS18B20 的硬件圖如下圖所示： 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 R B 3DS18B20 圖 412 DS18B20 硬件圖 顯示模塊設(shè)計(jì) 本文采用的是點(diǎn)陣字符型的 LCD，點(diǎn)陣字符 LCD 除了可以顯示數(shù)字和字符外，還可以顯示一些特殊的字符。 GDM1602K 由 HD44780、HD4410 及幾個(gè)電容 電阻組成，它與 MCU 的接口很簡(jiǎn)單，只有 8 條數(shù)據(jù)線和 3條控制線。 HD44780 整體可以分為四個(gè)部分：接口部分、 LCD 部分、控制部分和顯示存儲(chǔ)部分。 HD44100 是用低功耗 CMOS 技術(shù)制造的一種通用大規(guī)模 LCD 驅(qū)動(dòng)集成電路，是由兩個(gè)獨(dú)立的 20 路液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路組成的。 本設(shè)計(jì)采用的是 LCD 顯示模塊來顯示測(cè)量出的各種數(shù)據(jù)。 DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù) 值 。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 9 字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如表411 所示。用在寄生電源下，可以向器件提供電源。 49 DS18B20 電路連接 在使用 DS l8B20 時(shí)，經(jīng)常采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在實(shí)際連接電路時(shí)，往往將 DS l8B20 的信號(hào)線與單片機(jī)的一位 I/O 口線相連，圖 39 中將 DSl8B20 的DQ 端連接到單片機(jī)的 RB3 口。 小阻值的電阻可以通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)來控制線圈電阻器，使其電阻變得很小可以忽略不計(jì)時(shí)就可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集電路中的采集方法來采集此時(shí)太陽能電池兩端的電壓，從而得出電池的短路電流。本文采用 ACDC 開關(guān)電源來為 +V 和 OPTO 端子提供 +24V 和 +5V 的電壓，驅(qū)動(dòng)器的 GND 端需要與單片機(jī)的 GND 端接在一起，否則單片機(jī) I/0 口的輸出電平無法對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器施加影響。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)是沒有累計(jì)誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位。 固態(tài)繼電器電路設(shè) 計(jì) 固態(tài)繼電器是一種利用電子元件的斷開和閉合來控制固態(tài)繼電器所在電路的斷開和接通的無觸點(diǎn)式電子開關(guān)元件，分為直流固態(tài)繼電器和交流固態(tài)繼電器兩種。 圖 46 電壓 、 電流信號(hào)采集 通過如下方式得到太陽能電池在不同負(fù)載條件下的路端電壓和電流： ，改變負(fù)載電阻 R0 到某個(gè)固定值，將 K3 閉合， K1 連接到 K11,K2 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 連接到 K21，此時(shí)，負(fù)載電阻 R0 兩端電壓為： (31) 由上式 (31)可以得出負(fù)載電阻 R0 的值為： (32) R0 不變的條件下，將 K3 閉合， K1 連接到 K12， K2連接到 K22，將太陽能電池和負(fù)載電阻 R0 組成回路，從而得到路端電壓為 Vc。 現(xiàn)在常用的鍵盤有查詢方式式鍵盤和基于中斷方式的鍵盤，查詢方式是程序每執(zhí)行時(shí)順序檢查各按鍵是否有按下，這樣的按鍵的優(yōu)點(diǎn)是查詢方式的按鍵編程簡(jiǎn)單不容易出錯(cuò)，但查詢方式的按鍵最大的也是最致命的缺點(diǎn)是若程序的周期比較長，而你按鍵的時(shí)候，程序正在別的子程序中執(zhí)行， 這樣就會(huì)使單片機(jī)無法響應(yīng)用戶的按鍵，也就無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量，所以本設(shè)計(jì)不采用查詢方式的按鍵。由于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)屬于獨(dú)立的外部元件，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的三根引線與單片機(jī)連接，因此圖中沒有畫出步進(jìn)電機(jī)部分的電路圖，會(huì)在后面進(jìn)行介紹。在作為一般的 I/O 端口時(shí)， PORTD 的輸入為斯密特觸發(fā)緩沖器 (Schmitt Trigger Input Buffer)，在作為并行從動(dòng)口時(shí)，則是 TTL 緩沖器。在使用I2C 的通信方式時(shí)， PORTC＜ 3： 4＞的引腳可以通過 SSPSTAT 寄存器中的 CKE 位來設(shè)置是要使用一般 I2C 的電位還是 SMBUS 的電位。 PORTC 的輸入為斯密特觸發(fā)緩沖器 (Scbmitt Trigger Input Buffer)。 PORTB 具有一項(xiàng)由內(nèi)部提供的弱上拉 (Weak Pullup)功能，并在 OPTION REG 寄存器中有一個(gè) RBPU 位可以使能或禁止這個(gè)特性。 PORTA 是一個(gè) 6 位寬的輸入輸出端口 (I/O Port)，分別標(biāo)示為 ~。 當(dāng)引腳作為輸出時(shí)，表示單片機(jī)必須提供一個(gè) 電壓電位來控制外部組件，在引腳輸出 l 的時(shí)候，引腳必須提供足夠的電流才能維持引腳的狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)外部電路的時(shí)候，必須注意引腳的電氣規(guī)格能提供多大的電流，這樣的設(shè)計(jì)才不會(huì)發(fā)生推不動(dòng)外圍電路的情形。 TRISx 用來決定輸入輸出口的方向，每一個(gè) I/O 口個(gè)別的引腳都可以獨(dú)立地設(shè)定作為輸入或是輸出引腳，當(dāng)該引腳 設(shè)置為輸入引腳時(shí)，對(duì)應(yīng)的 Rx 位的內(nèi)容就為該引腳的狀態(tài)：當(dāng)該引腳設(shè)置為輸出引腳時(shí)，對(duì)應(yīng)的 Rx位的值由程序內(nèi)部寫入。在單片機(jī)引腳內(nèi)部提供不同的兩條阻抗特性的路徑可以作為雙向輸入輸出引腳，不過此時(shí)需要另外 — 個(gè)選擇引腳作為輸入或輸出的選擇位，通常稱之為方向位 (Direction Bit)：另 外還有一個(gè)標(biāo)志位，在作為輸入引腳時(shí)用來存放引腳的狀態(tài)值，作為輸出引腳時(shí)則是單片機(jī)用來設(shè)置引腳狀態(tài)用的，這就是一般常見的單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)。 PICl6F877 微處理器的核心特點(diǎn) 使用高性能的 RISC CPU 核心；只需要學(xué)習(xí) 35 個(gè)單字