【正文】 R0 不變的條件下，將 K3 閉合， K1 連接到 K12， K2連接到 K22，將太陽(yáng)能電池和負(fù)載電阻 R0 組成回路，從而得到路端電壓為 Vc。由于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)屬于獨(dú)立的外部元件，通過(guò)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(méi)有畫(huà)出步進(jìn)電機(jī)部分的電路圖，會(huì)在后面進(jìn)行介紹。在使用I2C 的通信方式時(shí)， PORTC＜ 3： 4＞的引腳可以通過(guò) SSPSTAT 寄存器中的 CKE 位來(lái)設(shè)置是要使用一般 I2C 的電位還是 SMBUS 的電位。 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。 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(lái)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。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(guò)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(chēng)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(lái)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(lái)設(shè)置引腳狀態(tài)用的，這就是一般常見(jiàn)的單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)。其中電壓 .電流 .測(cè)試光強(qiáng)需要經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換單元，實(shí)現(xiàn)由模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，而溫度信號(hào)的采集采用數(shù)字溫度傳感器，可以直接輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的電壓 、 電流 、 光強(qiáng)和溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口與 PC 機(jī)進(jìn)行通信，在 PC 機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和處理后結(jié)果的顯示；整個(gè)數(shù)據(jù)采集部分以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元 、 A/D 轉(zhuǎn)換單元和串口通信單元之間的協(xié)調(diào)工作。 采用一種智能溫度傳感器 DS18B20 作為檢測(cè)元器件，測(cè)溫范圍 55℃ ~125℃ ，分辨率最大可達(dá) ℃ 。 顯示電路 采用直接驅(qū)動(dòng)四位七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，通過(guò) 查詢(xún)方式 鍵盤(pán)進(jìn)行 各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集的控制，通過(guò)軟件手段實(shí)現(xiàn)按鍵的消抖 。 太陽(yáng)能電池的測(cè)試方法 太陽(yáng)能電池的伏安特性受日照強(qiáng)度和電池溫度的影響，因此規(guī)定太陽(yáng)輻射光譜為 ，日照強(qiáng)度為 1000W/m2，太陽(yáng)能電池溫度為 25℃時(shí)為地面測(cè)試太陽(yáng)能電池性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件 。串聯(lián)電阻對(duì)填充因子有重要影響，串聯(lián)電阻越小，填充因子越大，太陽(yáng)能電池的 VI 特性曲線越接近矩形，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率越高；串聯(lián)電阻越大，短路電流越小，開(kāi)路電壓不變，填充因子越小，轉(zhuǎn)換效率越低。太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線受太陽(yáng)能電池自身的工藝參數(shù) .外界光照的強(qiáng)度和太陽(yáng)能電池自身溫度等因素的影響，不同的伏安特性曲線可以反映太陽(yáng)能電池在不同環(huán)境條件下工作時(shí)的發(fā)電能力和最佳效率點(diǎn)。式中 U 為負(fù)載兩端電壓， Iph 為光生電流， A 的取值范圍為l～ 5，稱(chēng)為二極管因子，用于考慮電路中二極管的非理想 pn結(jié)。這一現(xiàn)象稱(chēng) 為光生伏打效應(yīng)，也稱(chēng)光伏效應(yīng)， 太陽(yáng)能電池就是根據(jù)光伏效應(yīng)工作的。 晶體硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，晶體硅太陽(yáng)能電池是用硅材料制成大面積 pn 結(jié)進(jìn)行工作的，一般是以 P 型硅半導(dǎo)體材料作為基質(zhì)材料，在 P 型硅表面擴(kuò)散出一層很薄的經(jīng)過(guò)重?fù)诫s的 n 型層，然后在 n 型層上面制作金屬柵線，作為 正 面接觸電極，在整個(gè)背面制作作為背面 接觸電極的金屬膜。 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 第 二 章 太陽(yáng)能電池的特性及測(cè)試原理 太陽(yáng)能電池的分類(lèi) 太陽(yáng)能電池是一種能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的光電元件，也稱(chēng)光伏電池或光電池。 在太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)中太陽(yáng)能電池起著關(guān)鍵和核心的作用，太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓 、 短路電流 、 最大功率 、 轉(zhuǎn)換效率等性能參數(shù)對(duì)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有重要影響。我國(guó)于 1971 年發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星上首次成功地利用了太陽(yáng)能電池，在 80 年代以前我國(guó)的光伏工業(yè)尚處于雛形。中國(guó)超過(guò)三分之二的國(guó)土的年同照時(shí)間大于 2200 小時(shí)，年輻射總量平均大于 5900MJ/平方米，資源極為豐富，有大力發(fā)展的可能性和必要性 。 表 11 為能源專(zhuān)家對(duì)今后 4050 年可再生能源的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù) ， 表 11 中數(shù)據(jù)表明，到本世紀(jì)中葉，全球石油所剩無(wú)幾，天然氣儲(chǔ)量急劇減少，核電和水電在消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比列都不超過(guò) 10％，太陽(yáng)能 、 風(fēng)能和生物質(zhì)能將占能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的50％。三大含碳能源在燃燒過(guò)程中還產(chǎn)生了數(shù)量極為巨大的有害 氣體 SO2，這是導(dǎo)致酸雨災(zāi)害的主要原因。因此，能源戰(zhàn)略都被世界各國(guó)當(dāng)做其經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。 在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，還進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試試驗(yàn)，得到了以圖形和數(shù)值相結(jié)合的方式來(lái)描述太陽(yáng)能電池特性的顯示界面。 2)、 用單片機(jī)與硬件電路相配合的 MPLAB IDE 軟件程序，控制硬件電路完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。工業(yè)現(xiàn)代化所需要的主要能源，如石油 、 煤 、 天然氣等又都是不可再生能源。這些溫室氣體導(dǎo)致地球溫度升高 .冰川后退 .海平面上升，全球性的洪澇 、干旱 、 酷暑 、 嚴(yán)寒 、 風(fēng)暴等自然災(zāi)害增多，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極為有害的影響。世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在向著清潔 、 低碳或無(wú)碳的核能 、 天然氣 、 風(fēng)能和太陽(yáng)能方向發(fā)展。因此，大力發(fā)展風(fēng)能 、 太陽(yáng)能等可再生能源，是改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，解決我國(guó)能源問(wèn)題的有效方法。 中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè) 我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究始于 1958 年。 本文研究的目的 .意義及主要研究工作 本文研究的目的和意義 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)對(duì)改變我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，解決由于能源消費(fèi)而引起的環(huán)境問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展都可以起到積極的作用，對(duì)我國(guó)建設(shè)資源節(jié)蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 約型 、 環(huán)境友好型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化都具有重大意義。 ，用目前流行的單片機(jī)語(yǔ)言，編寫(xiě)了實(shí)現(xiàn)本課題做需的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信等功能的軟件程序。 太陽(yáng)能電池的工作原理及等效電路 太陽(yáng)能電池的工作原理 太陽(yáng)能電池的制作材料多種多樣，有硅 .硒 .砷化鎵 .硫化鎘等，但目前在全球占據(jù)主導(dǎo)地位的主要是硅材料太陽(yáng)能電池 ，因此本文中主要以硅材料太陽(yáng)能電池為代表來(lái)討論太陽(yáng)能電池的工作原理。在外電路處于開(kāi)路狀態(tài)的情況下，這些光生電子和空穴會(huì)積累在 pn結(jié)附近，結(jié)果使 P 區(qū)獲得附加正電荷， n 區(qū)獲得附加負(fù)電荷，在pn結(jié)上就會(huì)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。電壓 、 電流方向如圖中所示，可以得出太陽(yáng)能電池的 IV 方程為： (23) 對(duì)實(shí)際使用的太 陽(yáng)能電池而言，它們的參數(shù)各不相同，因此，在方程中的參數(shù)應(yīng)處理為集中參數(shù)。太陽(yáng)能電池有一個(gè)最大輸出功率 點(diǎn)，工作在最大功率點(diǎn)上時(shí)利用效率才最高。 Rs：串聯(lián)電阻主要由半導(dǎo)體材料的體電阻 .半導(dǎo)體材料與電極的接觸電阻 .金屬導(dǎo)體電阻和電極導(dǎo)體電阻等組成。 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 圖 24 不同日照強(qiáng)度下太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線 電池溫度對(duì)太陽(yáng)能電池伏安特性的影響 保持日照強(qiáng)度等條件不變，短路電流隨溫度升高有輕微增加，開(kāi)路電壓隨溫度的升高而降低，與溫度幾乎成線性變化。采集到的電壓信號(hào)經(jīng)集成運(yùn)放 LM324 放大到 一 伏之間，轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機(jī)處理。 光強(qiáng)信號(hào)采集單元 PT100 溫度采集器DS18B20 電壓、電流采集單元PT100 16F877 PIC 單片機(jī) 查詢(xún)方式鍵盤(pán) LED 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) 16 圖 32 方案 二 方框圖 方 案比較 從以上兩種方案中，很容易看出采用方案二所設(shè)計(jì)的電路相對(duì)來(lái)說(shuō)稍微復(fù)雜，但外圍電路的復(fù)雜卻大大簡(jiǎn)化了程序方面的編寫(xiě)。 根據(jù)太陽(yáng)能電池測(cè)試原理及本文所選器件的特性，可以做出本文數(shù)據(jù)采集部分的總體結(jié)構(gòu)如圖 41 所示： 圖 41 數(shù)據(jù) 采集部分總體結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集太陽(yáng)能電池的電壓 .電流 .測(cè)試光強(qiáng) .電池溫度四種數(shù)據(jù)。大部分的單片機(jī)引腳都可以同時(shí)具備雙向輸入輸出的功能，基本上是作為一個(gè)輸入引腳或輸出引腳使用，只是引腳的陰抗特性有個(gè)同罷了?；旧?I/O 口的使用并不困難。 PORTB 是一個(gè) 8 位寬的雙向 I/O 端口，同樣也使用 TRISB 寄存器來(lái)設(shè)置端口引腳作為輸入 /輸出引腳，用 RB 寄存器作為端口引腳數(shù)據(jù)的緩沖器。因此在使用 PORTC 的外圍模塊時(shí)，盡量避免寫(xiě)入或讀取 TRISC 這個(gè)寄存器。 數(shù)據(jù)采集部分硬件電路設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集部分的電路原理圖如圖 42 所示： PIC16F877V DD4MHZ30PFCDEFFGHR A 3 / A N 3R A 2R A 1R A 0R B 2R B 1R B 0R B 3V S SGNDVCCDS18B20GDM1602KMAX232+5VC 1 C 2 C 2 C 1 T 2 O U TR 2 I NVV+ G N DDB9R D 0R D 1R D 2R D 3R D 4R D 5R D 6R D 7R C 1R C 2R C 3R B 4R B 6R B 5R B 7R C 7 / R XR C 6 / T XDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7ER/WRSV0VDDLEDALEDKUISTT 2 I NR 2 O U T1K ?1K ?C12C10C3C13V SSM C L RDQ+5V+24V+VO P T OP U LD I RE N AA+AB+B紅黃綠藍(lán)負(fù)載電阻Q2HB44MGBS57HB56+5V +5V+5V1K175KM3DELAY DELAY DELAYKM1 KM2太陽(yáng)能電池1K?K3K11 K12 K22 K21+5V+5V10uFC1C L K I NC L K O U T30PFC21K1K+5V+5V+5V10K?10K?10K?10K?+5V 圖 42 數(shù)據(jù)采集電路原理圖 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 22 太陽(yáng)能電池1K? 圖 43 數(shù)據(jù)采集部分電路圖 圖 42 和圖 43 所示是數(shù)據(jù)采集電路原理圖的兩個(gè)部分，圖 42 所示的內(nèi)容包括單片機(jī) 、 溫度采集器件 DS l8B步進(jìn)電機(jī) 、 電壓轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 和 RS232接口 DB9，圖 33 中所示為起開(kāi)關(guān)作用的三個(gè)固態(tài)繼電器，它們都通過(guò)引腳與單片機(jī)芯片連接。負(fù)載電阻采用的是多 圈電位器，單片機(jī)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)多圈電位器的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變負(fù)載電阻的阻值；圖中的開(kāi)關(guān) K K K3 采用固態(tài)繼電器，由單片機(jī)輸出的控制信號(hào)不斷使固態(tài)繼電器導(dǎo)通與切斷，以組成不同的回路來(lái)測(cè)量所需的電壓和電流。 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)是一種可以將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)化成角位移的執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)有一些基本參數(shù)，如固有步距角 、 相數(shù) 、 保持轉(zhuǎn)矩等。驅(qū)動(dòng)器的 A+， A， B+，B四個(gè)端子分別接步進(jìn)電機(jī)的紅 .綠 .黃 .藍(lán)四條引線， +V 端子接 +24V 的電源，OPTO 端子接 +5V 光電隔離電源。 3 支持多點(diǎn) 組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8 個(gè)，如果數(shù)量過(guò)多，會(huì)使供電電源電壓過(guò)低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫 4 工作電源 : 3~5V/DC 5 在使用中不需要任何外圍元件 6 測(cè)量結(jié)果以 9~12 位數(shù)字量方式串行傳送 7 不銹鋼保護(hù)管直徑 Φ6 8 適用于 DN15~25, DN40~DN250 各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測(cè)溫 9 標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋 M10X1, , G1/2”任選 10 PVC 電纜直接出線或德式球型接線盒出線 ,便于與其它電器設(shè)備連接 由于被測(cè)溫 度直接采用數(shù)字形式輸出，因此無(wú)需外加 A/D 轉(zhuǎn)換器，其電路連接如圖 39 所示。 圖 410 DS18B20 外形及引腳排列 DS18B20 的方框圖如圖 411 所示 圖 411 DS18B20 方框圖 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存 RAM 和一個(gè)非易失性的可電擦除的 EERAM。點(diǎn)陣字符型的 LCD 將 LCD 板、 PCB 板和控制驅(qū)動(dòng)電路組成在一起，形成了點(diǎn)陣 LCD 模塊。接口部分主要指令寄存器（ IR）、指令譯碼