【文章內容簡介】 片機控制DP9串口來實現與PC機之間的數據通信。[10] 電壓電流信號采集單元 本設計中電壓采集和電流采集采用間接測量法，其電路圖如圖5所示： 圖5 電壓電流測量電路 在圖5中，R0是負載電阻，Rstd是標準電阻，Vr是參考電壓源。負載電阻采用的是多圈電位器，單片機通過步進電機驅動器控制步進電機的轉動來帶動多圈電位器的轉動，從而改變負載電阻的阻值：圖中的開關KKK3采用繼電器，由單片機輸出的控制信號不斷使繼電器導通與切斷，以組成不同的回路來測量所需的電壓和電流。 通過如下方式得到太陽能電池在不同負載條件下的輸入電壓和電流。在光強一定的條件下，改變負載電阻到某個固定值，將K3閉合，K1連接到K11，K2連接到K21，此時，負載電阻兩端電壓為： （3）由上式3可以得出負載電阻R0的值為： （4）在保持光強和負載電阻不變的條件下，將K3閉合，K1連接到K12，K2連接到K22，將太陽能電池和負載電阻R。組成回路，從而得到所測電壓為Uc。由上面步驟l已經得到了負載電阻的值，則此時回路中的電流為： （5）通過單片機控制步進電機驅動器，進而控制步進電機的轉動，從而改變負載電阻R0的值，則可以得到不同負載電阻時的路端電壓和回路中的電流。將負載電阻的值調到最小，使負載電阻的值遠小于太陽能電池本身的內阻，可以得到太陽能電池的短路電流Isc。將開關K3斷開，K1連接到K12，K2連接到K22，此時太陽能電池和負載電阻組成的回路處于開路狀態(tài)，此時測得的電壓即為太陽能電池的開路電壓Voc。[6] [9] 固態(tài)繼電器單元 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式電子開關元件，分為直流固態(tài)繼電器和交流固態(tài)繼電器兩種，本文用的是直流+5v電壓的固態(tài)繼電器，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。三極管起開關作用，根據單片機I/O口為0或為l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生反向電動勢，可能會對三極管造成損傷。電路如圖6所示： 圖6 固態(tài)繼電器電路連接 溫度信號采集單元 本設計中太陽能電池溫度信號采集是才用單總線數字溫度傳感器DS18B20，由于被測溫度直接采用數字形式輸出，因此無需外加A/D轉換器。如圖7所示：圖7 溫度測量電路 在使用DS18B20時，經常采用單片機實現數據采集，在實際連接電路時往往將DS18B20的信號線與單片機的一位I/O口線相連。DS18B20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，本設計采用的是外部電源供電，，VDD接+5v電壓，GND接地。 光強信號采集單元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，可以認為太陽能電池的短路電流只與光照強度有關，并且它們之間成正比例關系，而不受其他環(huán)境因素的影響。本設計中根據這一原理，在測量太陽能電池的光照強度時，采用一塊小面積的太陽能電池作為光照強度傳感器，在太陽能電池正負極之間接入阻值很小的電阻。此時，可以認為太陽能電池處于短路狀態(tài)，測量太陽能電池兩端的電壓，從而計算出此時太陽能電池的短路電流，根據太陽能電池的短路電流與日照強度成正比例關系的原理，間接得到光照強度的數值，測量示意圖如圖8所示： 圖8 光照電路采集電路 步進電機單元步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。本設計選用的是兩相混合式步進電機和細分型高性能步進電機驅動器，步進電機系統由單片機、步進電機驅動器、步進電機和負載電阻組成，單片機通過步進電機驅動器控制步進電機來帶動負載電阻，使負載電阻按預定的要求變化，并在變化的過程中進行電壓和電流的采集。步進電機系統電路連接如圖9所示： 圖9步進電機系統電路連接在圖9中，步進電機驅動器的PUL，DIR，ENA三個端子與單片機的三個I/O引腳連接，這在前面已有介紹，這里不再重復。驅動器的A+，A，B+，B四個端子分別接步進電機的紅、綠、黃、藍四條引線。由于本設計采用的是兩相混合式步進電機，則步進電機轉一圈需要200個脈沖信號，作為負載電阻的多圈電位器一圈的阻值是10歐姆，如果希望使步進電機的步距腳更小，可以通過操作步進電機驅動器的撥碼開關DIPSW來實現。 電源電路單元在一個單片機實用系統設計中，電源設計是相當重要的，此單元設計是否合理，直接決定系統能否穩(wěn)定的運行。長期以來，單片機系統使用的集成電路器件大多數都在5V電源工作。在此次設計中，我們采用的電源通過市電電網的交流電經變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓后得到系統所需的+5V直流電源。因此，此系統的電源包括變壓電路，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路。 濾波電路是將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。 濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應該并聯在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L 應與負載串聯。經過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數，改善了直流電壓的質量。[8] [13]在使用三端穩(wěn)壓器時應注意防止產生自激振蕩。三端穩(wěn)壓器內部電路放大級數多，開環(huán)增益高，工作于閉環(huán)深度負反饋狀態(tài)，需要采用適當的補償移相措施，防止產生高頻寄生振蕩。電容C1,C2就是為了防止自激振蕩而加的防振電容。為改善紋波電壓和抑制輸入瞬時過電壓，,同時輸出端接C2用以改善負載瞬態(tài)響應，. 為了減小提高紋波電壓與提高輸出電壓的穩(wěn)定度，分別在輸入輸出端加大的電解電容。這樣一旦輸入端出現短路，集成穩(wěn)壓器內部電路中的功率調整管可以及時泄放。電源電路如圖10所示:圖10 +5V直流穩(wěn)壓電源電路圖 串口通信單元 本文設計的太陽能電池數據采集系統采用的是上位機一下位機的工作方式，由于PC機的分析能力很強、處理速度很快，而單片機使用起來靈活方便，因此本文采用PC機作為上位機，單片機作為下位機，兩者之間通過RS232串口進行采集數據的發(fā)送、接收和控制指令的傳輸。因此，本文中的串口通信指的是單片機和PC機之間的數據傳輸，這種數據傳輸是由單片機的串口和PC機的串口共同完成的，MAX232芯片用于實現電平轉換。4太陽能電池數據采集部分軟件設計 系統主程序軟件設計由于溫度信號和光強信號的采集比較簡單，用時也較少，因此，本文首先采集的是溫度和光強信號，進行被測太陽能電池路端電壓和電流的采集，在采集的過程中，由于短路電流和開路電壓的采集比較特殊，不同于其他電壓和電流信號的采集方法，因此短路電流和開路電壓的采集與其他電壓、電流信號的采集分開進行，采集完成后，數據也放到單片機的存儲器中。當每一次數據采集完成后，就對數據進行處理，將處理之后的數據直接送入PC機，然后利用軟件對數據進行處理。系統主程序設計如圖11所示。電壓、電流信號采集單元光強信號采集單元溫度信號采集單元A/D轉換單元單片機控制單元串口通信單元PC機數據處理及顯示 圖11 系統主程序設計圖 溫度信號采集子程序 本研究使用的數字溫度傳感器DS18B20采用單總線技術，在一根數據線上進行讀寫數據和命令的傳輸，因此，對DS18B20進行的讀寫操作有嚴格的時序要求，因此在編寫溫度采集程序時只需用到跳越ROM (CCH)命令即可，單片機在發(fā)出ROM命令訪問DS18B20之后，就可以發(fā)出功能命令來完成特定的任務了。本設計中采用到的DS18B20功能命令有轉換溫度命令(44H)，讀暫存器命令(BEH)等。在溫度轉換