【正文】 一。 表 11 全球能源消費結(jié)構(gòu) (2050 年 ) 單位：％ 水 電 煤炭 石油 天然氣 核電 太陽能 .風(fēng)能 .生物質(zhì)能 其他 5 20 0 13 10 50 2 太陽能的利用方式 在各種可再生能源中，太陽能是最重要的能源， 太陽每天投射到地面上的輻射能理論上可以滿足全球每天的能源需求，因此大力開發(fā)利用太陽能是解決能源問題的有效途徑。在“六五”和“七五”期間，光伏工業(yè)和光伏市場開始得到國家的支持，使太陽能電池工業(yè)得到了一定的發(fā)展，在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。美國的 Bell 實驗室于 1954 年研制成功第一塊太陽能電池，但是效率太低 ，造 價又過于昂貴，因此沒有多少商業(yè)價值。 圖 21 晶體硅太陽能電池結(jié)構(gòu) 太陽能電池的等效電路 太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個大面積的 pn結(jié)，根據(jù)電子學(xué)理論，理想 pn 結(jié)的伏安特性可以表示為 ： (21) 在式 (21)中， ID 定義為 pn結(jié)電流， I0 定義為反向飽和電流， UD 為 pn結(jié)外加電壓， q=?1019c 是電子電荷， VT =Kt/q 定義為溫度的電壓當(dāng)量， k=?1023J/K定義為玻爾茲曼常數(shù) ， T 是絕對溫度。 太陽能電池的性能參數(shù) 對太陽能電池進(jìn)行分類評判需要依據(jù)特定的性能參數(shù)，這些性能參數(shù)通常 包括 ： Voc：太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，太陽能電池兩端開路時的輸出電壓值。 太陽能電池分析評判的依據(jù)是太陽能電池的伏安特性曲線及性能參數(shù)，對太陽能電池進(jìn)行測試，就是要測出太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)日照強度 S 和標(biāo)準(zhǔn)溫度 T 條件下，太陽能電池所帶負(fù)載從零變化到無窮大時太陽能電池的輸出電壓和輸出電流的值，根據(jù)輸出電壓和輸出電流的值作出太陽能電池的 IV 特性曲線，并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)計算出太陽能電池的性能參數(shù)，根據(jù)得出的 IV 特性曲線和性能參數(shù)來評判太陽能電池的性能。 DS18B20 可以直接讀出被測溫度值。 PIC 是 8 位的單片機，因此 I/O 端口也以 8 個引腳為一組單位，恰好對應(yīng)到內(nèi)部的端口寄存器和端口方向寄存器。但是在端口引腳設(shè)定作為輸出引腳時，這項特性就會自動被屏蔽；在 POR 的時候 Weak Pullup 也是被屏蔽的。 根據(jù)圖 43 所示的原理圖制作好的電路板有七根外引線，如圖 44 所示： PUL 引線 DIR 引線 ENA 引線 電池正極 電池負(fù)極 負(fù)載電阻 太陽能電池 圖 44 數(shù)據(jù)采集部分電路板引線圖 在圖 42 中，步進(jìn)電機驅(qū)動器的脈沖信號引腳 PUL，方向信號引腳 DIR，使能信號引腳 ENA 分別接單片機的 RA0， RA1， RA2 引腳，由單片機的 RA2 引腳輸出的低電平來選中步進(jìn)電機驅(qū)動器，由單片機的 RA1 引腳輸出的電平信號來控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的方向，由單片機的 RA0 引腳輸出的脈沖信號的頻率來控制步進(jìn)數(shù)據(jù)采 集部分電路板 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 23 電機轉(zhuǎn)動的速度；數(shù)字溫度傳感器 DSl8B20 的數(shù)據(jù)端 DQ 接單片機的 RB3 引腳，單片機通過 RB3 引腳控制 DSl8B20 的工作， DSl8B20 也通過 RB3 引腳將轉(zhuǎn)換完的溫度數(shù)據(jù)傳送給單片機； 圖中的三個繼電器在電路中起著開關(guān)的作用，由單片機的 RB0、 RB RB2 引腳輸出的電平信號來控制三個繼電器的斷開與閉合，從而與其他元件組成不同的回路來完成所需的測量任務(wù)；圖中的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 和 RS232 接口 DB9 接單片機的 RC7 和 RC6 引腳，數(shù)據(jù)采集電路采集到的數(shù)據(jù)在單片機的控制下通過 RC7 引腳傳輸給上位 PC 機，上位 PC 機的指令通過 RC6 引腳傳送給單片機。 步進(jìn)電動機又稱為脈沖電動機或階躍電動機，它是將數(shù)字電脈沖直接轉(zhuǎn)換為位移角度的機電設(shè)備。 DS l8B20 與單片機有 2 種連接方式，一種是采用寄生電源供電，另一種是采用外部電源供電，本文采用的是外部電源供電，DSl8B20 的 DQ 端直接接單片機的 RB3 口， VDD 接 +5V 電壓 VCC， GND 接地。 LCD 采用的型號是 GDM1602K，此 LCD 是雙行顯示， 每 行顯示 16 個數(shù)。低5 位都為 1， TM 是工作模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式，DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0，用戶可改動， R1 和 R0 決定 溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。 溫度信號采集單元設(shè)計 本文中太陽能電池溫度信號的采集采用的是單總線數(shù)字溫度傳感器 DSl8B20 技術(shù)性能描述 ： 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 28 1 獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。本文采用的是直流 +5V 電壓的固態(tài)繼電器，其電路連接如圖 47 所示： 圖 47 固態(tài)繼電器電路連接 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 26 圖 47 中所示為固態(tài)繼電器與單片機的連接示意圖，本文中采用的繼電器工作電壓為直流 +5V 電壓，繼電器的外圍連接了一個三極管和一個二極管。 PORTE 僅有 3 個引腳，可作為雙向的 I/O 口，它有自己的 RE 和 TRISE 寄存器，不過只有位 0 到 位 2 有用。在當(dāng)作一般的 I/O 口時， TRISA 用來設(shè)置該引腳是要作為輸入還是輸出，每一個引腳都可以個別地做不同設(shè)置，設(shè)為 1 表示作為輸入引腳，為 0 則表示為輸出引腳。 PIC16F877 外圍特點 T1mero：為 8 位的定時器 /計數(shù)器 (Timer/Counter)，其中包含了 8 位的預(yù)定標(biāo)器 (Prescaler)，實際上就是一個預(yù)分頻器； Timerl：為 16 位的定時器 /計數(shù)器，也包含了預(yù)分頻器，在休眠模式下也可使用外部的時鐘來遞增計數(shù)； Timer2：為 8 位的定時器 /計數(shù)器，包括了 8 位的周期寄存器、預(yù)分頻器(Prescaler)與后分頻器 (Postscaler)； 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 19 2 個 集 捕 捉 、 比 較 、 脈 寬 調(diào) 制 3 項 功 能 于 一 身 的 CCP 模塊(Capture/Compare/PWM Module)； 捕捉功能為 16 位，最大分辨率為 ，比較功能也是 16 位，最大分辨率為 200ns， PWM 的最大分辨率為 10 位； 10 位多通道的模擬 / 數(shù) 字轉(zhuǎn)換器 (A/D Converter) 提 供了 同 步 串 行 口(Synchronous Serial Port， SSP)，包括了 SPI 主控模式，與 I2C 功能的主控和從動模式； 通 用 同 步 異 步 接 收 發(fā) 送 系 統(tǒng) 〔 Univensal Synchlonous Asynchronous ReceiverTransmitter， USART/SCI)，包含 9 位地址的偵測； 提供 8 位的并行從動端口 (Parallel Slave Port， PSP)，并有 RD、 WR、 CS3個外接控制引腳； 電源電壓低偵測 (Brownout Detection)、電路掉電復(fù)位 (Brownout Peset，BOR)的功能。 通過軟件手段實現(xiàn)按鍵的消抖。為了探討日照強度對太陽能電池伏安特性的影響，可以保持太陽能電池的溫度和大氣質(zhì)量等條件不變而僅改變同 照強度。太陽能電池是一個非線性直流電源，輸出電流在一定電壓范圍內(nèi)相當(dāng)恒定，最終在到達(dá)某個電壓值之后，電流迅速下降至零。在耗盡層內(nèi)的正負(fù)電荷間會形成一個方向由 n 區(qū)指向 P 區(qū)的內(nèi)建電場。對采集到的數(shù)據(jù)利用單片機的串口通信技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集電路和 PC 機的通信，用 PC 機對數(shù)據(jù)采集電路采 集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出太陽能電池的伏安特性曲線和相關(guān)性能參數(shù)，從而對被測太陽能電池進(jìn)行分析評判。照此推算，未來幾十年，全球光伏產(chǎn)業(yè)的年均增長率將達(dá)到 25％ ~30％。 太陽能的利用 由于石油 .煤 .天然氣等常規(guī)礦物燃料目前己面臨供應(yīng)不足和日益枯竭的局面，并且在它們的使用過程中產(chǎn)生了大量的溫室氣體和有毒氣體，對環(huán)境造成了蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 6 嚴(yán)重的污染，成為全球關(guān)注的問題。pic MCU。 關(guān)鍵詞 ：太陽能電池 。盡管 IPCC 在第 4 次評估報告中提出，建議世界各國在 2050 年時將溫室氣體排放減至 1990 年的一半至 85％，但科學(xué)界仍然認(rèn)為這個數(shù)據(jù)比較保守，因為氣候變化的速度已超過了人們的預(yù)期。 太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè) 世界太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè) 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 7 隨著化石能源的減少以及使用化石能源對氣候和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響越來越明顯，研究開發(fā)清潔的可再生能源成為世界各國實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。測試是在給定光強下，測出太陽能電池組件的伏安特性曲線，并由測得的電流 、電壓 、 溫 度 、 光強等數(shù)據(jù)計算出太陽能電池組件的開路電壓 、 短路電流 、 最大輸出功率 、 轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行分類評判。當(dāng)太陽能電池表面的 pn 結(jié)受到太陽光的照射時，如果入射光子的能量高于硅材料的禁帶寬度，則在n 區(qū) 、 P 區(qū)和結(jié)區(qū)中會因光子被吸收而產(chǎn)生電子空穴對，在結(jié)附近的 n 區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子會因為存在濃度梯度而擴散。是太陽能電池的開路電壓， 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 是最大功率點電壓， Im 是最大功率點電流。 日照強度和電池溫度對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太陽能電池進(jìn)行分類評判的基礎(chǔ)。 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)。 光強信號采集單元 DS18B20 溫度采集8B20 電壓、電流采集單元PT100 16F877 PIC 單片機 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、上電延時定時器 (Powerup Timer， PWRT)、振蕩器起振定時器 (Oscillator StartupTimer， OST)，除了 1 個看門狗定時器之外，另外還有 3 個定時器及 2 個 CCP 模塊，串行通信模式方面則支持 MSSP 和 USART。至于輸入引腳作為輸入功能時為高阻抗的輸入特性，還會有一個微小的漏電流存在，這些電氣特性都可以在單片機 Date Book 的電氣特性 (Electrical Chara teristic)部分查到。PORTD 也可以作為并行從 動端口 (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。 ，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。 光強信號采集單元設(shè)計 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。 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，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。 HD44100 是用低功耗 CMOS 技術(shù)制造的一種通用大規(guī)模 LCD 驅(qū)動集成電路，是由兩個獨立的 20 路液晶顯示驅(qū)動電路組成的。用在寄生電源下，可以向器件提供電源。 步進(jìn)電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)中。 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)行時順序檢查各按鍵是否有按下，這樣的按鍵的優(yōu)點是查詢方式的按鍵編程簡單不容易出錯，但查詢方式的按鍵最大的也是最致命的缺點是若程序的周期比較長，而你按鍵的時候，程序正在別的子程序中執(zhí)行， 這樣就會使單片機無法響應(yīng)用戶的按鍵，也就無法實現(xiàn)測量，所以本設(shè)計不采用查詢方式的按鍵。 PORTC 的輸入為斯密特觸發(fā)緩沖器 (Scbmitt Trigger Input Buffer)。 TRISx 用來決定輸入輸出口的方向，每一個 I/O 口個別的引腳都可以獨立地設(shè)定作為輸入或是輸出引腳，當(dāng)該引腳 設(shè)置為輸入引