【導(dǎo)讀】本文基于目前太陽(yáng)能電池研究和工程應(yīng)用的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一款。果顯示兩大部分。信號(hào)采集單元、電壓及電流信號(hào)采集單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和串口通信單元等部分。的方式來(lái)描述太陽(yáng)能電池特性的顯示界面。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集。統(tǒng)的整體性能基本達(dá)到了預(yù)期的要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　

【正文】 務(wù)；圖中的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 和 RS232 接口 DB9 接單片機(jī)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(jī)的控制下通過(guò) RC7 引腳傳輸給上位 PC 機(jī)，上位 PC 機(jī)的指令通過(guò) RC6 引腳傳送給單片機(jī)。 整個(gè)數(shù)據(jù)采集部分的電路是以單片機(jī)為控制核心的，在數(shù)據(jù)采集部分電路中，用步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn) 太陽(yáng)能電池所接負(fù)載電阻按一定的阻值間隔從零到無(wú)窮大的變化，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)按一定的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池所接負(fù)載電阻的變化：溫度采集所采用的數(shù)字溫度傳感器 DS l8B20 是單線總線結(jié)構(gòu)，需要按照嚴(yán)格的時(shí)序由單片機(jī)進(jìn)行控制，才能順利實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和輸出；電流 、 電壓和光強(qiáng)信號(hào)都需要由單片機(jī) 內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換 模塊 來(lái)實(shí)現(xiàn)由采集到的模擬量到單片機(jī)所需要的數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電壓 、 電流 、 光強(qiáng)和溫度信號(hào)都需要通過(guò)單片機(jī)控制 RS232 串口來(lái)實(shí)現(xiàn) 與 PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。 鍵盤(pán)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)需要測(cè)量的是電壓、電流、光強(qiáng)和溫度的數(shù)值，所以需要有按鍵的配合，當(dāng)按下某個(gè)按鍵時(shí)測(cè)量電路就會(huì)去測(cè)量這個(gè)按鍵相對(duì)應(yīng)的測(cè)量任務(wù)，然后經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換，最后再在單片機(jī)中處理完畢后送入 LCD 顯示部分來(lái)顯示出來(lái)。 現(xiàn)在常用的鍵盤(pán)有查詢方式式鍵盤(pán)和基于中斷方式的鍵盤(pán)，查詢方式是程序每執(zhí)行時(shí)順序檢查各按鍵是否有按下，這樣的按鍵的優(yōu)點(diǎn)是查詢方式的按鍵編程簡(jiǎn)單不容易出錯(cuò)，但查詢方式的按鍵最大的也是最致命的缺點(diǎn)是若程序的周期比較長(zhǎng)，而你按鍵的時(shí)候，程序正在別的子程序中執(zhí)行， 這樣就會(huì)使單片機(jī)無(wú)法響應(yīng)用戶的按鍵，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量，所以本設(shè)計(jì)不采用查詢方式的按鍵。 基于以上考慮，本設(shè)計(jì)采用基于中斷方式的按鍵， PIC 16F877 的 RB4~RB7是有電平中斷功能的引腳， 所以我們將執(zhí)行電壓、電流、光強(qiáng)和溫度檢測(cè)的按鍵直接接到 RB4~RB7 口 ， 所以采用如圖 45 的鍵盤(pán)接線方式。 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(pán)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。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。 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) 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。由上面步驟 1 已經(jīng)得到了負(fù)載電阻 R0 的值，則此時(shí)回路中的電流為： (33) ，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變負(fù)載電阻 R0 的值，并重復(fù)上述步驟 1 和步驟 2，則可以得到不同負(fù)載電阻時(shí)的路端電壓和回路中的電流。 ，使負(fù)載電阻的值遠(yuǎn)小于太陽(yáng)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(yáng)能電池的短路電流 Isc。 K3 斷開(kāi)， K1 連接到 K12， K2 連接到 K22，此時(shí)太陽(yáng)能電池和負(fù)載電阻組成的回路處于開(kāi)路狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得的電壓 V 即為太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓 Voc。 固態(tài)繼電器電路設(shè) 計(jì) 固態(tài)繼電器是一種利用電子元件的斷開(kāi)和閉合來(lái)控制固態(tài)繼電器所在電路的斷開(kāi)和接通的無(wú)觸點(diǎn)式電子開(kāi)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(jì)說(shuō)明書(shū) 26 圖 47 中所示為固態(tài)繼電器與單片機(jī)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(gè)三極管和一個(gè)二極管。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)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。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。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)為脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，它是將數(shù)字電脈沖直接轉(zhuǎn)換為位移角度的機(jī)電設(shè)備。一般情況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的總角度與輸入的脈沖個(gè)數(shù)成正比。和一般的電動(dòng)機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)具有以下特點(diǎn)： ，采用微處 理器作為控制器能很好兼容； ，步距誤差不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間積累； ，仍具有良好的定位精度； 、停止、正反轉(zhuǎn)變化和變速響應(yīng)好； ，可靠性高； ； ，需要專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)； 。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。 本文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(dòng) 器，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由單片機(jī) 、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 、 步進(jìn)電機(jī)和負(fù)載電阻組成，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)來(lái)帶動(dòng)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(guò)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)。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。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。由于本文采用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的步距角為 度，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要 200個(gè)脈沖信號(hào)，作為負(fù)載電阻的多圈電位器一圈的阻值是 10 歐姆，則每接收一個(gè)脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)可以帶動(dòng)多圈電位器改變的阻值為 歐姆，如果希望使步進(jìn)電機(jī)的步距腳更小，可以通過(guò)操作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的撥碼開(kāi)關(guān) DIPSW 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 光強(qiáng)信號(hào)采集單元設(shè)計(jì) 太陽(yáng)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(yáng)能電池面積較小的情況下，可以認(rèn)為太陽(yáng)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。本文根據(jù)這一原理，在測(cè)量太陽(yáng)能電池的光照強(qiáng)度時(shí)，采用一塊小面積的太陽(yáng)能電池作為光照強(qiáng)度傳感器，在太陽(yáng)能電池的正負(fù)極之間接入阻值很小的電阻，此時(shí)，可以認(rèn)為太陽(yáng)能電池處于短路狀態(tài)，測(cè)量太陽(yáng)能電池兩端的電壓，從而計(jì)算出此時(shí)太陽(yáng)能電池的短路電流，根據(jù)太陽(yáng)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。 小阻值的電阻可以通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制線圈電阻器，使其電阻變得很小可以忽略不計(jì)時(shí)就可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集電路中的采集方法來(lái)采集此時(shí)太陽(yáng)能電池兩端的電壓，從而得出電池的短路電流。 溫度信號(hào)采集單元設(shè)計(jì) 本文中太陽(yáng)能電池溫度信號(hào)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(jì)說(shuō)明書(shū) 28 1 獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 2 測(cè)溫范圍 － 55℃ ～ +125℃ ，固有測(cè)溫分辨率 ℃ 。 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。 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。 DS l8B20 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，本文采用的是外部電源供電，DSl8B20 的 DQ 端直接接單片機(jī)的 RB3 口， VDD 接 +5V 電壓 VCC， GND 接地。 DS18B20 的外形及管腳排列圖如下圖 410 所示。 （ 1） GND 地信號(hào) 蘭州 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 29 （ 2） DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。用在寄生電源下，可以向器件提供電源。 （ 3） VDD 可選擇的 VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 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。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。頭 2 個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第 3 和第 4 字節(jié) TH 和 TL 的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。 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(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。 第 5 字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。 DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù) 值 。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(cè)試模式，DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶可改動(dòng)， R1 和 R0 決定 溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來(lái)設(shè)置分辨率。 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。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。 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)。 LCD 采用的型號(hào)是 GDM1602K，此 LCD 是雙行顯示， 每 行顯示 16 個(gè)數(shù)。 GDM1602K 由 HD44780、HD4410 及幾個(gè)電容 電阻組成，它與 MCU 的接口很簡(jiǎn)單，只有 8 條數(shù)據(jù)線和 3條控制線。如圖所示。 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(dòng)集成電路，是由兩個(gè)獨(dú)立的 20 路液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路組成的。它可以用于 LCD 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)，也可以用于 LCD 的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，可以用在行驅(qū)動(dòng)，還可作為列驅(qū)動(dòng)器和行驅(qū)動(dòng)器共同使用， HD44100 由 20*2b 數(shù)據(jù)鎖存器和 20*2b 驅(qū)動(dòng)器組成， HD44780 也是用低功耗 CMOS 技術(shù)制造的大規(guī)模點(diǎn)陣 LCD 控制器，它集控制器和驅(qū)動(dòng)器為一體，是字符點(diǎn)陣液晶顯示控制器的代表電路，與 4/8 位微處理器接 口兼容，可以使用點(diǎn)陣 LCD 顯示大小英文字母、數(shù)字和符號(hào)等。 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。接口部分主要指令寄存器（ IR）、指令譯碼器