【文章內(nèi)容簡介】 片機(jī)控制DP9串口來實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。[10] 電壓電流信號采集單元 本設(shè)計(jì)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(fù)載電阻，Rstd是標(biāo)準(zhǔn)電阻，Vr是參考電壓源。負(fù)載電阻采用的是多圈電位器，單片機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動來帶動多圈電位器的轉(zhuǎn)動，從而改變負(fù)載電阻的阻值：圖中的開關(guān)KKK3采用繼電器，由單片機(jī)輸出的控制信號不斷使繼電器導(dǎo)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(fù)載條件下的輸入電壓和電流。在光強(qiáng)一定的條件下，改變負(fù)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(fù)載電阻兩端電壓為： （3）由上式3可以得出負(fù)載電阻R0的值為： （4）在保持光強(qiáng)和負(fù)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(fù)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(jīng)得到了負(fù)載電阻的值，則此時回路中的電流為： （5）通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而改變負(fù)載電阻R0的值，則可以得到不同負(fù)載電阻時的路端電壓和回路中的電流。將負(fù)載電阻的值調(diào)到最小，使負(fù)載電阻的值遠(yuǎn)小于太陽能電池本身的內(nèi)阻，可以得到太陽能電池的短路電流Isc。將開關(guān)K3斷開，K1連接到K12，K2連接到K22，此時太陽能電池和負(fù)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(diǎn)式電子開關(guān)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(guān)作用，根據(jù)單片機(jī)I/O口為0或?yàn)閘決定三極管是否導(dǎo)通；二極管要反過來接，主要作用是保護(hù)三極管，因?yàn)樵诰€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。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(shè)計(jì)中太陽能電池溫度信號采集是才用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，由于被測溫度直接采用數(shù)字形式輸出，因此無需外加A/D轉(zhuǎn)換器。如圖7所示：圖7 溫度測量電路 在使用DS18B20時，經(jīng)常采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在實(shí)際連接電路時往往將DS18B20的信號線與單片機(jī)的一位I/O口線相連。DS18B20與單片機(jī)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(shè)計(jì)采用的是外部電源供電，，VDD接+5v電壓，GND接地。 光強(qiáng)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(rèn)為太陽能電池的短路電流只與光照強(qiáng)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。本設(shè)計(jì)中根據(jù)這一原理，在測量太陽能電池的光照強(qiáng)度時，采用一塊小面積的太陽能電池作為光照強(qiáng)度傳感器，在太陽能電池正負(fù)極之間接入阻值很小的電阻。此時，可以認(rèn)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(jì)算出此時太陽能電池的短路電流，根據(jù)太陽能電池的短路電流與日照強(qiáng)度成正比例關(guān)系的原理，間接得到光照強(qiáng)度的數(shù)值，測量示意圖如圖8所示： 圖8 光照電路采集電路 步進(jìn)電機(jī)單元步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元等組成。本設(shè)計(jì)選用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)和細(xì)分型高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電阻組成，單片機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)來帶動負(fù)載電阻，使負(fù)載電阻按預(yù)定的要求變化，并在變化的過程中進(jìn)行電壓和電流的采集。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)電路連接如圖9所示： 圖9步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)電路連接在圖9中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的PUL，DIR，ENA三個端子與單片機(jī)的三個I/O引腳連接，這在前面已有介紹，這里不再重復(fù)。驅(qū)動器的A+，A，B+，B四個端子分別接步進(jìn)電機(jī)的紅、綠、黃、藍(lán)四條引線。由于本設(shè)計(jì)采用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要200個脈沖信號，作為負(fù)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(jìn)電機(jī)的步距腳更小，可以通過操作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的撥碼開關(guān)DIPSW來實(shí)現(xiàn)。 電源電路單元在一個單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源設(shè)計(jì)是相當(dāng)重要的，此單元設(shè)計(jì)是否合理，直接決定系統(tǒng)能否穩(wěn)定的運(yùn)行。長期以來，單片機(jī)系統(tǒng)使用的集成電路器件大多數(shù)都在5V電源工作。在此次設(shè)計(jì)中，我們采用的電源通過市電電網(wǎng)的交流電經(jīng)變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓后得到系統(tǒng)所需的+5V直流電源。因此，此系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L 應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)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(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。[8] [13]在使用三端穩(wěn)壓器時應(yīng)注意防止產(chǎn)生自激振蕩。三端穩(wěn)壓器內(nèi)部電路放大級數(shù)多，開環(huán)增益高，工作于閉環(huán)深度負(fù)反饋狀態(tài)，需要采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償移相措施，防止產(chǎn)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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，. 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(xiàn)短路，集成穩(wěn)壓器內(nèi)部電路中的功率調(diào)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(shè)計(jì)的太陽能電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是上位機(jī)一下位機(jī)的工作方式，由于PC機(jī)的分析能力很強(qiáng)、處理速度很快，而單片機(jī)使用起來靈活方便，因此本文采用PC機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)，兩者之間通過RS232串口進(jìn)行采集數(shù)據(jù)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(jī)和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸是由單片機(jī)的串口和PC機(jī)的串口共同完成的，MAX232芯片用于實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。4太陽能電池?cái)?shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主程序軟件設(shè)計(jì)由于溫度信號和光強(qiáng)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(qiáng)信號，進(jìn)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(jìn)行，采集完成后，數(shù)據(jù)也放到單片機(jī)的存儲器中。當(dāng)每一次數(shù)據(jù)采集完成后，就對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理之后的數(shù)據(jù)直接送入PC機(jī)，然后利用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)如圖11所示。電壓、電流信號采集單元光強(qiáng)信號采集單元溫度信號采集單元A/D轉(zhuǎn)換單元單片機(jī)控制單元串口通信單元PC機(jī)數(shù)據(jù)處理及顯示 圖11 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)圖 溫度信號采集子程序 本研究使用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20采用單總線技術(shù)，在一根數(shù)據(jù)線上進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)和命令的傳輸，因此，對DS18B20進(jìn)行的讀寫操作有嚴(yán)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(jī)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(wù)了。本設(shè)計(jì)中采用到的DS18B20功能命令有轉(zhuǎn)換溫度命令(44H)，讀暫存器命令(BEH)等。在溫度轉(zhuǎn)換