【正文】 法............................................14 本章小結(jié)........................................................14第三章 系統(tǒng)方案設計 ............15 方案一..........................................................15 方案二..........................................................15 方案比較 .......................................................16第 4 章 硬件部分設計 ...........17 PIC16F877 ......................................................18 PICl6F877 微處理器的核心特點................................18 PIC16F877 外圍特點 .........................................18 輸入輸出端口簡介............................................19 數(shù)據(jù)采集部分硬件電路設計........................................21 鍵盤設計....................................................23 電壓、電流信號采集單元設計..................................24 固態(tài)繼電器電路設計..........................................25 步進電機系統(tǒng)設計............................................26 光強信號采集單元設計........................................27 溫度信號采集單元設計........................................27 顯示模塊設計.............................................30 串口通信單元介紹............................................31第五章 軟件部分設計 ............32 主程序設計......................................................32 中斷服務子程序..................................................32 電壓采集程序 ...................................................33 電流采集程序....................................................34 光強采集程序....................................................35 溫度采集程序....................................................36蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書3 LCD 顯示子程序 ..................................................37 步進電機控制程序................................................38第六章 總結(jié) ....................40參考文獻 .......................42英文原文 .......................44 英文翻譯 .......................54致 謝 ..........................60附 件 ..........................61第一章 緒 論 研究背景 能源與環(huán)境問題 能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎，是現(xiàn)代文明的重要保證。全球的能源消費所產(chǎn)生的 C02 等溫室氣體對全球氣候構(gòu)成了嚴重的威脅，目前已經(jīng)成為國際社會關注的焦點。世界各國都在積極采取措施，開發(fā)、利用風能、水能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源，已經(jīng)取得了可喜的成就，為應對常規(guī)礦物能源的枯竭做了相應的準備。 我國太陽能的利用 煤是我國的主要能源，我國的煤消費量占能源總消費量的 70％以上，這種以煤為主的能源消費結(jié)構(gòu)造成我國能源系統(tǒng)效率低下、環(huán)境污染嚴重。 世界各國尤其是發(fā)達國家政府都把太陽能發(fā)電視為朝陽產(chǎn)業(yè)，希望把這一產(chǎn)業(yè)作為實現(xiàn)本國可持續(xù)發(fā)展的重要措施，制定了一系列支持和促進本國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，對世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了積極地推動作用，全球光伏發(fā)電市場正在迅速擴大，光伏發(fā)電正在成為全球的一大熱點。隨著我國綜合國力的增強和光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國將會大規(guī)模建設大型太陽能熱電站和太陽能光電站，屆時太陽能光伏發(fā)電將會成為我國的主要能源來源之一。 本文所做的主要工作 本文所做的主要工作簡述如下： ，了解太陽能電池的工作原理及其輸出伏安特性，根據(jù)此伏安特性，結(jié)合電子電路相關知識，用適當?shù)碾娮釉骷O計了一種新穎的用于太陽能電池數(shù)據(jù)采集的硬件電路。 根據(jù)太陽能電池的結(jié)構(gòu)來劃分，可以將太陽能電池分為晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池兩大類。 擴散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子空穴會被內(nèi)建電場拉向 P 區(qū)，而擴散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子電子會被內(nèi)建電場拉向 n 區(qū)，結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子一空穴對會被內(nèi)建電場分別拉向 n 區(qū)和 P 區(qū)。為負載電阻)： 圖 22 太陽能電池等效電路由于器件的瞬時響應特性與太陽能的轉(zhuǎn)換無關，且瞬時響應時間與絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時問常數(shù)相比微不足道，因此在實際的分析過程中結(jié)電容 Cj 可以忽略不計。太陽能電池的輸出電流在短路狀態(tài)下不是無窮大，而是一個有限值。表述為： (25) ??=??????????=????????????????????????太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是評判電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù)，它與電池的，其中與蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書12制造太陽能電池半導體材料的禁帶寬度的大小的關系最為直接。如圖 24 所示，開路電壓隨同照強度的變化很輕微，短路電流隨日照強度的變化很明顯。它的工業(yè)原理：當 PT100 在 0 攝氏度的時候他的阻值為 100歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻 值是成勻速增漲的。方框圖如圖 32 所示。 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書16第 4 章 硬件部分設計 在太陽能電池測試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分主要是對太陽能電池外接負載在從零變采集，并和 PC 機進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳到 PC 機，由 PC 機完成采集數(shù)據(jù)的分析處理。 輸入輸出端口簡介輸入輸出端口是單片機最基本的接口，通過這個接口單片機可以用數(shù)字的方式與其外圍電路連接，從而進行電路的控制和信號的檢測。所有的 I/O 口引腳都有保護二極管存在，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、Vss 之間，因此單片機外部可以省去保護二極管的設計。RA 是 I/O 口的值，每個位對應該引腳的值，作為輸入引腳時，引腳會呈現(xiàn)高輸入阻抗的特性，因此外部的值會直接反應在 RA 中的位里；作為輸出引腳時，只要將值寫入這位即可。在使用這些外圍的時候．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置為主。在作為 I/O 口的輸入引腳時，內(nèi)部為斯密特觸發(fā)緩沖器(Schmitt Trigger Input Buffer)。 RB465RB7UIST10K+5V45 鍵盤設計圖 電壓、電流信號采集單元設計 本文設計的電壓、電流信號采集電路示意圖如圖 46 所示：在圖 46 中，R 0 是負載電阻，R std 是標準電阻，V ref 是參考電壓源。三極管起開關作用，根據(jù)單片機 I/0 口為 0 或為 1 決定三極管是否導通；二極管要反過來接，主要作用是保護三極管，因為在線圈停電的瞬間會產(chǎn)生反向電動勢，可能會對三極管造成損傷。步進電機系統(tǒng)電路連接示意圖如圖 48 所示： RA210+5V24紅黃綠藍 負 載電 阻Q2HBMGBS57H6圖 48 步進電機系統(tǒng)電路連接如圖 48 中所示，步進電機驅(qū)動器的 PUL，DIR，ENA 三個端子與單片機的三個I/0 引腳連接，這在前面已有介紹，這里不再重復。2 測溫范圍 －55℃～+125℃，固有測溫分辨率 ℃。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。DS18B20 的硬件圖如下圖所示：蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書28RB3 DS18B20圖 412 DS18B20 硬件圖 顯示模塊設計本文采用的是點陣字符型的 LCD，點陣字符 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。HD44780 整體可以分為四個部分：接口部分、LCD 部分、控制部分和顯示存儲部分。本文中選用的太陽能電池是額定電壓 380V，而單片機的 I/O 口所能承受的電壓是 5V 以下，所以要測量 380V 的太陽能電池，要將電壓先用電阻分壓到 5V 內(nèi)才行。所以在這個測量中只要蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書34計算出短路電流就可以了，計算短路電流時首先要先將負載電阻調(diào)到零，然后測得太陽能電池的電壓然后再進行 A/D 轉(zhuǎn)換，最后通過計算就可以得出短路電流的值。每次完成一次采集任務后，步進電機便調(diào)節(jié)電阻，然后進行下次測量。 本設計的主要測量任務有以下二點： 首先通過電壓、電流采集電路來測得 380V 太陽能電池的電壓、電流，然后通過分壓處理，將高電壓分壓到單片機 I/O 口可以接受的 5V 以內(nèi)的電壓，然后接入到RA3 具有 A/D 轉(zhuǎn)換功能的 I/O 口。 溫度的采集是通過 DS18B20 來進行采集，因為 DS18B20 滿足設計要求中提出的溫度采集精度為 攝氏度的要求，另一方面 DS18B20 也是數(shù)字式的溫度傳感器，接線更簡單。步進電機會調(diào)節(jié)電阻使負載電阻為 0，步進電機的控制主要是判斷方向信號和使能信號。 調(diào) 電 機 使 R=0RB0、 RB RB2置 1讀 RA3端 口 數(shù) 據(jù)A/D轉(zhuǎn) 換計 算 I=76U/R調(diào) 顯 示 程 序 返 回 光 強 采 集 程 序調(diào) 步 進 電 機 控 制 程 序 溫度采集程序溫度采集和前面三項采集任務不同，不需要通過采集電路來實現(xiàn)，而是通過溫度傳感器 DS18B20 來進行采集溫度。最后將計算結(jié)果通過 LCD 顯示電路顯示出來。顯示存儲部分包含顯示存儲器和字符發(fā)生器等。本設計采用的是 LCD 顯示模塊來顯示測量出的各種數(shù)據(jù)。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 9 字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如表 411 所示。 49 DS18B20 電路連接在使用 DSl8B20 時，經(jīng)常采用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在實際連接電路時，往往將DSl8B20 的信號線與單片機的一位 I/O 口線相連，圖 39 中將 DSl8B20 的 DQ 端連接到單片機的 RB3 口。本文采用 ACDC 開關電源來為+V 和 OPTO 端子提供+24V 和+5V 的電壓，驅(qū)動器的 GND 端需要與單片機的 GND 端接在一起，否則單片機 I/0 口的輸出電平無法對步進電機驅(qū)動器施加影響。步進電機的顯著特點是沒有累計誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位。 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書23 圖 46 電壓、電流信號采集通過如下方式得到太陽能電池在不同負載條件下的路端電壓和電流：，改變負載電阻 R0 到某個固定值，將 K3 閉合，K 1 連接到K11,K2連接到 K21，此時，負載電阻 R0 兩端電壓為： (31)??= ??0??0+????????????????由上式(31)可以得出負載電阻 R0 的值為： (32)??0= ????????????????????? R0 不變的條件下，將 K3 閉合，K 1 連接到 K12，K 2 連接到K22，將太陽能電池和負載電阻 R0 組成回路，從而得到路端電壓為 Vc。由于步進電機系統(tǒng)屬于獨立的外部元件，通過步進電機驅(qū)動器的三根引線與單片機連接，因此圖中沒有畫出步進電機部分的電路圖，會在后面進行介紹。在使用 I2C 的通信方式時，PORTC＜3：4＞的引腳可以通過 SSPSTAT 寄存器中的 CKE 位來設置是要使用一般 I2C 的電位還是 SMBUS的電位。PORTB 具有一項由內(nèi)部提供的弱上拉(Weak Pullup)功能，并在 OPTION REG 寄存器中有一個 RBPU 位可以使能或禁止這個特性。當引腳作為輸出時，表示單片機必須提供一個電壓電位來控制外部組件，在引腳輸出 l 的時候，引腳必須提供足夠的電流才能維持引腳的狀態(tài)，因此在設計外部電路的時候，必須注意引腳的電氣規(guī)格能提供多大的電流，這樣的設計才不會發(fā)生推不動外圍電路的情形。在單片機引腳內(nèi)部提供不同的兩條阻抗特性的