【正文】 ...................... 9 太陽(yáng)能電池的工作原理 ...................................... 9 太陽(yáng)能電池的等效電路 ..................................... 10 太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線及性能參數(shù) .......................... 11 太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線及性能參數(shù) ...................... 11 日照強(qiáng)度和電池溫度對(duì)太陽(yáng)能電池伏安特性的影響 ........... 13 太陽(yáng)能電池的測(cè)試方法 ......................................... 14 本章小結(jié) ...................................................... 14 第三章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ................................................ 15 方案一 ........................................................ 15 方案二 ........................................................ 15 方案比較 ...................................................... 16 第 4 章 硬件部分設(shè)計(jì) ............................................... 17 PIC16F877 .................................................... 18 PICl6F877 微處理器的核心特點(diǎn) ............................ 18 PIC16F877 外圍特點(diǎn) ...................................... 18 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 4 輸入輸出端口簡(jiǎn)介 ......................................... 19 數(shù)據(jù)采集部分硬件電路設(shè)計(jì) ..................................... 21 鍵盤設(shè)計(jì) .................................................. 23 電壓、電流信號(hào)采集單元設(shè)計(jì) .............................. 24 固態(tài)繼電器電路設(shè)計(jì) ....................................... 25 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ......................................... 26 光強(qiáng)信號(hào)采集單元設(shè)計(jì) ..................................... 27 溫度信號(hào)采集單元設(shè)計(jì) ..................................... 27 顯示模塊設(shè)計(jì) .......................................... 30 串口通信單元介紹 ......................................... 31 第五章 軟件部分設(shè)計(jì) ................................................ 32 主程序設(shè)計(jì) .................................................... 32 中斷服務(wù)子程序 ............................................... 32 電壓采集程序 ................................................. 33 電流采集程序 .................................................. 34 光強(qiáng)采集程序 .................................................. 35 溫度采集程序 .................................................. 36 LCD 顯示子程序 ................................................ 37 步進(jìn)電機(jī)控制程序 ............................................. 38 第六章 總結(jié) ........................................................ 40 參考文獻(xiàn) ............................................................ 42 英文原文 ............................................................ 44 英文翻譯 ............................................................ 54 致 謝 ............................................................... 60 附 件 ............................................................... 61 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 5 第 一 章 緒 論 研究背景 能源與環(huán)境問(wèn)題 能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代文明的重要保證，可靠 .安 全的能源供給和清潔 .高效的能源利用是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基本保證。全球的能源消費(fèi)所產(chǎn)生的 C02 等溫室氣體對(duì)全球氣候構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，目前已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。世界各國(guó)都在積極采取措施，開(kāi)發(fā) 、 利用風(fēng)能 、 水能 、 太陽(yáng)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(yīng)對(duì) 常規(guī)礦物能源的枯竭做了相應(yīng)的準(zhǔn)備。 我國(guó)太陽(yáng)能的利用 煤是我國(guó) 的主要能源，我國(guó)的煤消費(fèi)量占能源總消費(fèi)量的 70％以上，這種以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)造成我國(guó)能源系統(tǒng)效率低下 、 環(huán)境污染嚴(yán)重。 世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家政府都把太陽(yáng)能發(fā)電視為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，希望把這一產(chǎn)業(yè)作為實(shí)現(xiàn)本國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，制定了一系列支持和促進(jìn)本國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，對(duì)世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了積極地推動(dòng)作用，全球光伏發(fā)電市場(chǎng)正在迅速擴(kuò)大，光伏發(fā)電正在成為全球的 一大熱點(diǎn)。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)和光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)將會(huì)大規(guī)模建設(shè)大型太陽(yáng)能熱電站和太陽(yáng)能光電站，屆時(shí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電將會(huì)成為我國(guó)的主要能源來(lái)源之一。 本文所做的主要工作 本文所做的主要工作簡(jiǎn)述如下： ，了解太陽(yáng)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(guān)知識(shí)，用適當(dāng)?shù)碾娮釉骷O(shè)計(jì)了一種新穎的用于太陽(yáng)能電池?cái)?shù)據(jù)采集的硬件電路。 根據(jù)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，可以將太陽(yáng)能電池分為晶體硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池 兩大類。 擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子空 穴會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)拉向 P 區(qū)，而擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子電子會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)拉向 n 區(qū)，結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)分別拉向 n 區(qū)和 P 區(qū)。為負(fù)載電 阻 )： 圖 22 太陽(yáng)能電池等效電路 由于器件的瞬時(shí)響應(yīng)特性與太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換無(wú)關(guān)，且瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間與絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時(shí)問(wèn)常數(shù)相比微不足道，因此在實(shí)際的分析過(guò)程中結(jié)電容 Cj 可以忽略不計(jì)。太陽(yáng)能電池的輸出電流在短路狀態(tài)下不是無(wú)窮大，而是一個(gè)有限值。表述為： (25) 太陽(yáng)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(yáng)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。如圖 24 所示，開(kāi)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。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。方框圖如圖 32 所示。 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(shuō)明書(shū) 17 第 4 章 硬件 部分設(shè)計(jì) 在太陽(yáng)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(yáng)能電池外接負(fù)載在從零變化到無(wú)窮大過(guò)程中太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出電流 .太陽(yáng)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。 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(guò)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)。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(shuō)明書(shū) 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)。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。在使用這些外圍的時(shí)候． TRISC 寄存器的內(nèi)容無(wú)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。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)。 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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。三極管起開(kāi)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(guò)來(lái)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。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(shuō)明書(shū) 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)。 2 測(cè)溫范圍 － 55℃ ～ +125℃ ，固有測(cè)溫分辨率 ℃ 。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 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(shuō)明書(shū) 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。 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。 本設(shè)計(jì)采用的是 LCD 顯示模塊來(lái)顯示測(cè)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(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如表411 所示。 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。本文采用 ACDC 開(kāi)關(guān)電源來(lái)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(wú)法對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器施加影響。步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)是沒(méi)有累計(jì)誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位。 圖 46 電壓 、 電流信號(hào)采集 通過(guò)如下方式得到太陽(yáng)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(shuō)明書(shū) 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)