1、宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與控制工程系 太陽能板發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)的設(shè)計宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計)太陽能板發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)的設(shè)計系 部 電子信息與控制工程系 專 業(yè) 名 稱 電子信息工程技術(shù)專業(yè) 班 級 電子11302 姓 名 陳 列 學(xué) 號 201316323 指 導(dǎo) 教 師 羅德雄 2015 年 09 月 20 日IV太陽能板發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)的設(shè)計摘 要本設(shè)計使用一塊小尺寸太陽能板，通過實時記錄其電壓、電流、電量以及環(huán)境溫度和下雨狀況并存儲在FLASH芯片中，再通過“數(shù)據(jù)讀出”功能將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，用戶可參考這些數(shù)據(jù)來決定太陽能板的安裝與否。系統(tǒng)主要由單片機(jī)小系統(tǒng)電路、USB轉(zhuǎn)串口及BSL

2、下載電路、溫光雨檢測電路、電壓電流采集電路、FLASH存儲電路等部分組成，通過對電量統(tǒng)計、數(shù)據(jù)存儲等實現(xiàn)太陽能板發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。設(shè)計中結(jié)合軟件修正使電流采集達(dá)到了較好的精度，同時具有備用電源功能，可應(yīng)用于太陽光照度記錄、天氣溫度記錄場合。關(guān)鍵詞：MSP430F149；康銅絲；誤差修正；FLASH存儲；數(shù)據(jù)讀出Design of solar panel data statistics systemAbstractThis design uses a small size of solar panels, through real-time recording of its voltage, c

3、urrent, power and environmental temperature and rain conditions and stored in the FLASH chip, and then through the data read function to import data into the computer, users can refer to these data to determine whether the installation of solar panels. System mainly by the single-chip microcomputer

4、circuit, USB to serial port and BSL download circuit, temperature rain and light detection circuit, voltage current acquisition circuit, FLASH memory circuit and other parts, implementation of solar panels based on data statistics, data storage and other statistical power.In the design, the current

5、sampling is achieved with good accuracy, and it has a backup power supply function, which can be applied to the sun light illumination record and weather temperature record.Keywords：MSP430F149; constantan copper; error correction; FLASH storage; data upload 目 錄1 引 言12 設(shè)計要求22.1 系統(tǒng)功能及特點22.2 結(jié)構(gòu)功能框圖33 方

6、案論證與分析43.1 單片機(jī)芯片的選擇方案和論證43.2 電流采集的選擇方案和論證43.3 時鐘芯片的選擇方案和論證43.4 電路設(shè)計的最終方案54 硬件電路設(shè)計64.1 電源電路64.2 單片機(jī)小系統(tǒng)74.2.1 MSP430F149單片機(jī)介紹74.2.2 MSP430F149小系統(tǒng)電路設(shè)計94.3 USB轉(zhuǎn)串口及BSL下載電路114.3.1 USB轉(zhuǎn)串口電路114.3.2 BSL下載電路124.4 電壓電流采集電路124.4.1 參考電壓電路124.4.2 電壓采集電路134.4.3 電流采集電路144.5 溫光雨檢測電路164.5.1 溫度檢測電路164.5.2 光線及雨水檢測電路164

7、.6 液晶顯示電路184.7 鍵盤電路194.8 實時時鐘電路194.9 FLASH存儲電路204.10 報警電路205 PCB板的設(shè)計215.1 PCB板設(shè)計流程215.2 PCB板設(shè)計注意事項215.3 PCB板實物圖226 系統(tǒng)程序的設(shè)計246.1 系統(tǒng)主程序246.2 菜單顯示256.3 電量統(tǒng)計266.4 數(shù)據(jù)存儲及讀取266.4.1 數(shù)據(jù)存儲266.4.2 數(shù)據(jù)讀取277 系統(tǒng)安裝及調(diào)試297.1 硬件檢測297.2 硬件調(diào)試297.2.1 運放輸出死區(qū)補償電壓調(diào)試297.2.2 光線、雨水檢測電路調(diào)試307.3 軟件調(diào)試及下載307.3.1 獨立模塊調(diào)試307.3.2 電流測試數(shù)

8、據(jù)分析與修正307.4 最終運行效果327.4.1 顯示界面327.4.2 串口上傳數(shù)據(jù)33結(jié)束語34致 謝35參考文獻(xiàn)36附 錄附錄1 修正前電流參數(shù)附錄2 修正前電流參數(shù)附錄3 串口上傳數(shù)據(jù)附錄4 電路原理圖1附錄5 電路原理圖2附錄6 電路原理圖3太陽能板發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)的設(shè)計1 引 言太陽能板發(fā)電是一種新興的可再生能源開發(fā)，使用簡單方便沒有地域的限制，可直接開發(fā)和利用，且無須開采和運輸。利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點是極其寶貴的。這些優(yōu)勢使太陽板發(fā)電在民用上逐漸廣泛,如家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等。但太陽能發(fā)電能力受天氣及日照長短等

9、因素影響較大，如果在這些因素上考慮不當(dāng)，那么太陽能板的發(fā)電量與資金的投入可能將會失衡，得不償失。本設(shè)計利用智能電腦技術(shù)，對太陽能板發(fā)電數(shù)據(jù)、天氣情況、溫度等的變化實時記錄，通過對記錄數(shù)據(jù)的分析，了解天氣對發(fā)電量的影響，避免了人工采集數(shù)據(jù)的繁雜減小了工作量，在太陽能板安裝上起到一定參考意義。2 設(shè)計要求2.1 系統(tǒng)功能及特點（1） 采集電流電壓值并顯示在液晶屏上，其中電流分辨率為1mA，電壓分辨率0.1V；（2） 能測量2A以上的電流及最高65V的電壓；（3） 對采集的電流、電壓做電量計算統(tǒng)計并顯示在液晶屏上；（4） 采集環(huán)境溫度，并顯示在液晶屏上；（5） 對下雨狀態(tài)進(jìn)行檢測，并顯示在液晶屏上；

10、（6） 有實時時鐘功能，能在液晶屏上顯示時間；（7） 對上述數(shù)據(jù)以周期一分鐘存儲在FLASH設(shè)備中；（8） 數(shù)據(jù)可通過電腦讀取；（9） 對光線狀態(tài)進(jìn)行檢測，使其能控制液晶屏的背光自動開、關(guān)；（10） 有備用電源功能；（11） 菜單功能：可設(shè)置背光模式、波特率；時間設(shè)置；數(shù)據(jù)上傳操作；FLASH芯片擦除操作。本設(shè)計采用德州儀器公司生產(chǎn)的MSP430F149超低功耗單片機(jī)作為主控芯片，電流信號通過康銅絲取樣，再經(jīng)精密放大電路放大后由12位AD數(shù)字量化后送至單片機(jī)處理；電壓信號直接經(jīng)電阻分壓后送至單片機(jī)AD處理，單片機(jī)對電流、電壓計算積分獲得發(fā)電量大小。同時具備檢測光線、溫度、雨水功能，液晶實時數(shù)據(jù)

11、顯示及方便操作的菜單界面，專用RTC提供精確時間信息。板載的大容量FLASH存儲芯片可存儲達(dá)數(shù)月的數(shù)據(jù)信息，用戶也可以通過USB電纜將本設(shè)備連接至PC讀取存儲的信息，方便通過電腦軟件分析數(shù)據(jù)。設(shè)計的備用電源接口保證數(shù)據(jù)采集連續(xù)完整，不會因為主電源故障而停止工作。2.2 結(jié)構(gòu)功能框圖 根據(jù)功能要求，本設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)功能如圖2.1所示。圖2.1 結(jié)構(gòu)功能框圖3 方案論證與分析3.1 單片機(jī)芯片的選擇方案和論證方案一：采用STC90C516RD+，價格便宜；與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，參考資源豐富，該芯片內(nèi)部存擁有61KB FLASH 程序存儲空間，自帶1280字節(jié)超大RAM，具有EEPROM

12、等功能，支持ISP、IAP技術(shù)，方便電路調(diào)試。但內(nèi)部資源較少，加大了硬件設(shè)計的復(fù)雜度，功耗較大，且只有8位數(shù)據(jù)處理寬度，運算性能較弱。方案二：采用MSP430F149，具有低電壓、超低功耗。工作電壓3.6V1.8V，正常工作模式280A1MHz，2.2V，待機(jī)模式1.6A，RAM數(shù)據(jù)保存的掉電模式下0.1A。16位精簡指令集MCU，命令周期125ns，處理速度更快。片內(nèi)資源豐富，60KB的FLASH程序存儲空間，2KB數(shù)據(jù)RAM，自帶12位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，簡化了硬件電路設(shè)計，內(nèi)部中斷資源豐富可簡化程序設(shè)計，所以選擇此方案。3.2 電流采集的選擇方案和論證 方案一：采用霍爾電流傳感器如ACS

13、712，采樣電流范圍寬，可測量直流、交流電流信號，電路簡單使用方便，與采集端可以完全隔離，價格適中等優(yōu)點。但容易受外部磁場環(huán)境干擾，對小電流不敏感，精度較差。方案二：采用運放與采樣電阻組合方式，對溫度較敏感，需要選擇低溫漂、低失調(diào)的運放，增益設(shè)置電阻也需要精度較高的電阻，且價格偏高，無隔離效果。但采樣精度高，工作穩(wěn)定，所以選擇此方案。3.3 時鐘芯片的選擇方案和論證 方案一：直接采用單片機(jī)定時計數(shù)器提供秒計時，使用程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、星期、時、分、秒計數(shù)。采用此種方案雖然減少芯片的使用，節(jié)約成本，但是，實現(xiàn)的時間誤差較大，程序編制難度提高。方案二：采用PCF8563T時鐘芯片實現(xiàn)時鐘，PCF8

14、563T芯片是一種高性能的時鐘芯片，可自動對秒、分、時、日、周、月、年以及閏年補償?shù)哪赀M(jìn)行計數(shù)，而且精度高，可編程時鐘輸出、定時器、報警器，在沒有外部電源的情況下可工作于外部電池模式保證時間正確。所以選擇此方案。3.4 電路設(shè)計的最終方案 綜上所述, 此次設(shè)計的方案選定為：主控芯片采用MSP430F149；電流采集通過采樣電阻加運放方式，使用MSP430F149內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換電路；時鐘芯片采用PCF8563T；FLASH存儲芯片采用W25Q16芯片；USB轉(zhuǎn)串口芯片采用CH340T；雨水、光線檢測使用傳感器與LM393組合，溫度傳感器選用DS18B20。4 硬件電路設(shè)計根據(jù)功能要求，本設(shè)計的硬件

15、電路主要有：電源電路、單片機(jī)小系統(tǒng)、USB轉(zhuǎn)串口及BSL下載電路、液晶顯示電路、鍵盤電路、電壓電流采集電路、溫光雨檢測電路、實時時鐘電路、FLASH存儲電路、報警電路。4.1 電源電路主電源接口，使用外部電源供電電壓應(yīng)大于8V。整流二極管D1可防止電源極性錯誤而導(dǎo)致的元件損壞，D6用于電源指示。外部電源接口電路見圖4.1。 圖4.1 外部電源接口電路備用電源采用電池供電，電感L1可在主電源失效備用電源切換瞬間扼制電流，防止電源波動導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位。利用二極管單向?qū)щ姷奶匦裕珼3可在主電源失效后將備用電池切換至電路替代主電源供電。備用電源接口及切換電路見圖4.2。圖4.2 備用電源接口及切換電路穩(wěn)

16、壓電路使用簡便的三端穩(wěn)壓電源，LM7805輸出5V電壓供運放、液晶及雨水清除電路，AMS1117輸出3.3V電壓為單片機(jī)、光線檢測及雨水檢測電路供電。穩(wěn)壓電路見圖4.3(a)、圖4.3(b)。 圖4.3(a) 穩(wěn)壓電路圖4.3(b) 穩(wěn)壓電路4.2 單片機(jī)小系統(tǒng)4.2.1 MSP430F149單片機(jī)介紹MSP430F149是德州儀器公司開發(fā)的一款具有16位總線帶FLASH的超低功耗單片機(jī)，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64KB。采用統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有硬件乘法器、兩個16位定時器、一個12路的1

17、2位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6組8路的IO口，P1、P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8MHZ 的外部時鐘。由于為FLASH型，可支持在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載，而且可以在超低功耗模式下工作，在活動模式時耗電 280A/MIPS。另外，MSP430系列單片機(jī)均為工業(yè)級器件，運行環(huán)境溫度-40+85為工業(yè)級器件，運行穩(wěn)定可靠性高，所設(shè)計的產(chǎn)品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。MSP430F149內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4.4所示。圖4.4 MSP430F149內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖主要特點：（1）工作電壓范圍：1.83.6V；（2

18、）超低功耗：活動模式：280A1MHz，2.2V，待機(jī)模式1.6A，關(guān)閉模式(RAM 保持)0.1A；（3）5種省電模式；（4）從等待方式喚醒時間6s；（5）16位RISC結(jié)構(gòu)，125ns指令周期；（6）12位A/D帶采樣保持內(nèi)部參考源；（7）16位定時器Timer A，16 位定時器Timer B；（8）片內(nèi)比較器A；（9）串行通信USART0、 USART1接口，支持SPI接口； （10）支持Bootstrap Loader功能，串行在線編程，無需外部編程電壓，可編程的保密熔絲代碼保護(hù)。圖4.5 MSP430F149引腳功能4.2.2 MSP430F149小系統(tǒng)電路設(shè)計單片機(jī)要正常工作必須

19、包含時鐘電路和復(fù)位電路。（1)時鐘電路設(shè)計時鐘電路是用來產(chǎn)生單片機(jī)工作時所必須的時鐘信號，單片機(jī)在唯一的時鐘信號的控制下嚴(yán)格的按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。MSP430F149單片機(jī)分低速和高速時鐘信號，高速時鐘可通過內(nèi)部自帶的DCO時鐘發(fā)生器產(chǎn)生，但頻率受溫度等影響較大。所以本設(shè)計高速時鐘采用外部8MHz石英晶振，低速時鐘使用32.768KHz手表晶振。圖4.6 8MHz高速時鐘電路圖4.7 32.768KHz低速時鐘電路MSP430F149內(nèi)部有用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，對于高速晶振只需在晶振上再加一對負(fù)載電容即可，C24、C25的選擇在20pF左右

20、；而對于低速晶振單片機(jī)已經(jīng)在內(nèi)部做好負(fù)載電容，只需外置晶振即可。（2）復(fù)位電路的設(shè)計復(fù)位電路是影響單片機(jī)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的主要內(nèi)部因素之一。單片機(jī)的復(fù)位操作有手動復(fù)位和加電復(fù)位兩中方式。加電復(fù)位是任何單片機(jī)都具有的功能。它通過專用的復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號，是系統(tǒng)的原始復(fù)位方式，發(fā)生在開機(jī)加電時，是系統(tǒng)自動完成的。單片機(jī)系統(tǒng)在調(diào)試程序時，有可能出現(xiàn)死機(jī)、死循環(huán)、程序“跑飛”等情況，手動復(fù)位是解決這一情形的最好方式 。為了調(diào)試及使用上的方便本設(shè)計采用上電復(fù)位和手動復(fù)位結(jié)合。復(fù)位電路如圖4.8。圖4.8 復(fù)位電路MSP430F149為低電平復(fù)位有效，R39、C23構(gòu)成RC微分電路，在上電瞬間產(chǎn)生一個微分

21、脈沖，其脈沖寬度大于2s即可，D17可以可靠的實現(xiàn)系統(tǒng)斷電后立即上電復(fù)位。按鍵可在需要復(fù)位時直接給RESET引腳置低電平復(fù)位。4.3 USB轉(zhuǎn)串口及BSL下載電路4.3.1 USB轉(zhuǎn)串口電路CH340T是一個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外或者USB轉(zhuǎn)打印口。全速USB設(shè)備接口，兼容USB V2.0，可工作在5V、3.3V模式，外圍元器件只需要一個晶振和少量電容即可。由于MSP430F149單片機(jī)工作電壓是3.3V，所以使用CH340T的3.3V模式。 圖4.9(a) USB轉(zhuǎn)串口電路圖4.9(b) USB轉(zhuǎn)串口電路圖4.9(c) USB轉(zhuǎn)串口電路圖4.9(a)為C

22、H340T 3.3V應(yīng)用電路，C30、C31為濾波退耦電容。其中3.3V由USB 5V電源或外部電源通過3.3V穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換而來。圖4.9(b)電阻R46、R47為USB阻抗匹配電阻，二極管D20用于在多電源供電時保證外部電源不會通過USB電纜流入到PC機(jī)導(dǎo)致電腦燒毀，保證電腦安全。圖4.9(c)所示，通過短接JP1、JP2兩根跳線將CH340T的TXD1、RXD1連接至單片機(jī)TXD、RXD串口端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳功能。4.3.2 BSL下載電路MSP430啟動加載程序(Bootstrap Loader，以下簡稱BSL)允許用戶通過標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行口訪問CPU內(nèi)存，包括Flash和RAM，這

23、項功能為嵌入式應(yīng)用提供了方便。要使MSP430單片機(jī)進(jìn)入BSL，需要給特定引腳上一個特定時序后，CPU程序指針(PC)指向內(nèi)存中的0C00H地址處，這是一段1K大小的ROM區(qū)(0C00H-1000H)，BSL就在這里。通過BSL對CPU的操作包括：讀內(nèi)存區(qū)、寫內(nèi)存區(qū)、Flash全部擦除，F(xiàn)lash分段擦除。BSL下載方式用到的串行接口的DTR、RTS、RXD、TXD四根信號線。DTR連接單片機(jī)RST/NMI端口，RTS連接到單片機(jī)TCK端口，兩者結(jié)合用于實現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位及進(jìn)入BSL模式時序的產(chǎn)生。RXD連接單片機(jī)P11，TXD連接單片機(jī)P22用于數(shù)據(jù)傳輸。下載數(shù)據(jù)時需短接相應(yīng)跳線，如圖4.10所

24、示。圖4.10 BSL下載跳線4.4 電壓電流采集電路4.4.1 參考電壓電路參考電壓芯片采用德州儀器公司的REF3330AIDBZ專用基準(zhǔn)參考芯片，該芯片采用SOT23-3封裝，輸出電壓為3.0V，精度高，最大溫漂為30ppm/；輸入輸出壓差電壓大于180mV即可正常工作，最大輸出電流可達(dá)35mA，工作溫度范圍為-40到+125。電路如圖4.11所示，圖中C26、C27為濾波電容，R45為信號采樣地與主控地的隔離電阻，用于降低PCB導(dǎo)線電阻導(dǎo)致的誤差。TP16為參考輸出測試端，用于調(diào)試檢測。 圖4.11 基準(zhǔn)電壓電路4.4.2 電壓采集電路電壓采集采用分壓原理。因為被采集電壓往往遠(yuǎn)高于ADC

25、芯片所能承受的最高電壓，而通過分壓原理可以大大提高量程，但分辨率也會隨之降低。分壓電阻計算方法：圖4.12分壓原理示意圖最小分壓比K：（式4-1）Vin為最大輸入電壓、Vref為AD參考電壓、K為電阻最小應(yīng)設(shè)置的分壓比例。電阻值計算：假定R2的阻值求R1，則（式4-2）對分辨率的影響： （式4-3）Vres為分壓后的分辨率、Vref為AD參考電壓、N為AD位數(shù)。因本設(shè)計最高外部檢測電壓設(shè)定在65V以內(nèi)：由（式4-1）：由（式4-2）：設(shè)R41為10 k，則，根據(jù)電阻規(guī)格表這里選擇220 k。對分辨率的影響：由（式4-3）：，Vres等于11.62mV小于功能要求中的0.1V要求，精度達(dá)到要求。

26、綜上所述，電壓采集電路如圖4.13所示。圖4.13電壓采集電路4.4.3 電流采集電路電流取樣使用低端電流檢測方式，采樣電阻不應(yīng)過小或過大，一般取數(shù)十毫歐級，這里采用2W/10m康銅絲作為采樣電阻。電流采集電路如圖4.14所示。圖4.14電流采集電路電流采樣輸出的信號在V到mV級之間，需要放大才能作為ADC輸入信號。采樣電阻輸出電壓： （式4-4）Usap為采樣電阻輸出電壓、Rsap為采樣電阻、I為采樣電阻電流。要實現(xiàn)1mA分辨率：由（式4-4）：由以上可知，1mA電流輸出電壓為10V，而ADC能分辨的最小電壓為0.73mV，所以要實現(xiàn)1mA分辨率需要后級運放電路至少放大73倍才行。因?qū)嶋H電阻

27、阻值情況和程序處理方便考慮，本設(shè)計放大倍數(shù)取約100倍。運放使用OPA2376，其內(nèi)部擁有兩路運放，可Rail-to-Rail輸出，具有功耗低、精度高的特點。供電電壓2.2V5.5V，輸入失調(diào)電壓5V、溫漂0.26 V/°C、輸入偏置電流0.2pA，具有較好的性能。運放電路使用同向放大增大輸入阻抗，由于Rail-to-Rail輸出并不是絕對的，通過查閱OPA2376數(shù)據(jù)手冊，輸出電壓仍有數(shù)十毫伏的死區(qū)部分。所以，電路中增加了調(diào)節(jié)電路，避開運放輸出死區(qū)，并使用5V供電使運放工作在較好線性度狀態(tài)。電路如圖4.15，運放A為跟隨電路，運放B為約100倍同向放大電路和加法電路的組合。分壓電阻

28、R34將基準(zhǔn)電壓分壓后通過跟隨送到加法電路一端，調(diào)節(jié)R34到合適值即可避開運放的輸出死區(qū)。另一端為電流采樣電阻輸出，運放B將采樣電壓放大約100倍再加上跟隨器的輸出電壓后作為最終輸出。運放輸出計算公式： （式4-5）其中，R28=R33 、R32=R35，UOB為運放B輸出、Usap為電流采樣電阻電壓、3.0V為基準(zhǔn)電壓。圖4.15電流信號放大電路4.5 溫光雨檢測電路4.5.1 溫度檢測電路溫度檢測電路使用常見的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點。溫度檢測電路如圖4.16所示。圖4.16溫度檢測電路4.5.2 光線及雨水檢測電路雨水及光線檢測使用

29、LM393比較器做為核心器件。光線檢測利用的是光敏電阻電壓變化情況和閾值電壓的比較，從而輸出高低電平。光線檢測電路如圖4.17所示。圖4.17光線檢測電路雨水檢測利用雨水感測板在有雨水情況下將輸出變化電壓和閾值電壓做比較，使比較器輸出高低電平。雨水檢測電路如圖4.18所示。 圖4.18雨水檢測電路雨水清除電路使用震動馬達(dá)緊貼在雨水檢測板背部，當(dāng)檢測到有雨水時通過開啟震動馬達(dá)，利用震動使雨水從檢測板上滑落，避免雨水在檢測板上集聚后造成的誤判。雨水清除電路如圖4.19所示。圖4.19雨水清除電路4.6 液晶顯示電路液晶顯示采用ST7920為主控的12864作為顯示器件，此款12864帶中文字庫具有

30、4 位/8 位并行、3 線串行接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192 個16*16 點漢字和128 個16*8 點ASCII 字符集。工作電壓5V，支持背光，自帶對比度調(diào)節(jié)電路。圖4.20 12864液晶顯示電路如圖4.20所示，第1腳、第2腳分別為電源地和電源正極，第4腳至第15腳為數(shù)據(jù)I/O口，第19腳、第20腳分別為背光的正極和地。三極管Q4為背光控制三極管，R23為限流分壓電阻R25為下拉電阻，單片機(jī)通過控制I/O輸出高電平使三極管導(dǎo)通點亮背光，反之熄滅。4.7 鍵盤電路鍵盤包含六個按鍵，分別為上移動鍵、

31、下移動鍵、左移動鍵、右移動鍵、確定鍵、返回/取消鍵。R36為上拉電阻，默認(rèn)狀態(tài)下為高電平，但有鍵被按下時相應(yīng)I/O被拉低，P4為鍵盤I/O引出排針，方便外接鍵盤使用。鍵盤電路如圖4.21所示。 圖4.21 鍵盤電路4.8 實時時鐘電路PCF8563T是低功耗的 CMOS 實時時鐘/日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過 I2C 總線接口串行傳遞。最大總線速度為400Kbits/s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。實時時鐘電路如圖4.22所示。 圖4.22實時時鐘電路4.9 FLASH存儲電路存儲芯片采用華邦公司的W25Q16系列FL

32、ASH存儲芯片，支持SPI接口，相比24C系列存儲芯片，具有體積小，容量大，存取速度快，功耗低，價格便宜等優(yōu)點。滿足發(fā)電數(shù)據(jù)存儲要求。FLASH存儲電路如圖4.23所示。圖4.23 FLASH存儲電路4.10 報警電路通過單片機(jī)電平信號驅(qū)動三極管，使蜂鳴器發(fā)聲，在檢測到設(shè)備電流、電壓值異常情況下提供報警提醒功能。報警電路如圖4.24所示。圖4.24 報警電路5 PCB板的設(shè)計5.1 PCB板設(shè)計流程由于本設(shè)計采用大量表貼元件，元件引腳密度較高，使用覆銅板手工制作難度大，且影響電路性能。所以，電路板采用工廠加工方式。PCB板設(shè)計流程圖如圖5.1所示。圖5.1 PCB板設(shè)計流程圖5.2 PCB板設(shè)

33、計注意事項為滿足工廠加工要求及電氣性能，線寬應(yīng)大于6mil，線間距不小于6mil。最小孔徑大于0.3mm(12mil)，最小過孔不低于8mil。字符字寬不能小于6mil,字高不小于32mil, 寬度比高度比例最好為5的關(guān)系也為就是說，字寬0.2mm 字高為1mm，以此推類。非金屬化槽孔的最小間距不小于1.6mm。為保證電路穩(wěn)定工作，電源線寬按照一般布線原則加寬。對于晶振電路布線導(dǎo)線應(yīng)盡量短、直，避免晶振管腳下有其它信號線。電流采樣電路與單片機(jī)的地獨立鋪銅并添加適當(dāng)過孔，降低導(dǎo)線導(dǎo)致的電位差，提高采樣電路穩(wěn)定度及精度。取樣電阻處的導(dǎo)線因電流很大，故采用5mm線寬雙面走線，并添加大量過孔，去除了綠

34、油層可通過在導(dǎo)線上堆錫提高其負(fù)載能力。5.3 PCB板實物圖圖5.2 PCB板頂層圖圖5.3 PCB板底層圖6 系統(tǒng)程序的設(shè)計軟件設(shè)計主要包括：菜單顯示、電量統(tǒng)計、數(shù)據(jù)存儲及讀取。6.1 系統(tǒng)主程序圖6.1 主程序流程圖系統(tǒng)上電后若不使用單片機(jī)看門狗則需立即關(guān)閉，否則單片機(jī)將無限重啟。啟動外部高速晶振過程中會伴隨蜂鳴器發(fā)出的“嗶”聲，只有當(dāng)高速晶振正常啟動后蜂鳴器才會停止發(fā)聲。然后需要對液晶、實時時鐘、FLASH存儲、ADC12、鍵盤進(jìn)行初始化，最后打開總中斷系統(tǒng)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，此時液晶屏上將會有兩幅畫面來回切換顯示數(shù)據(jù)信息，若要進(jìn)入菜單可通過鍵盤上的“OK”按鍵進(jìn)入主菜單。6.2 菜單顯示

35、圖6.2 菜單顯示結(jié)構(gòu)圖圖6.2為菜單顯示的結(jié)構(gòu)圖，可在數(shù)據(jù)顯示界面時按下 “OK”按鈕進(jìn)入主菜單，使用按鍵“UP”/ “DOWN”上下切換條目“OK”鍵確認(rèn)選擇。在菜單“1”中可對液晶屏的背光模式和與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的波特率進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)背光模式為“自動開啟”，默認(rèn)波特率使用“115200bps”當(dāng)傳輸不穩(wěn)定時可切換至“19200bps”。菜單“2”對時間進(jìn)行設(shè)置，使用“UP” /“DOWN”改變數(shù)值，“LEFT”/“RIGHT”鍵切換設(shè)置項，設(shè)置完成后按“OK”鍵確認(rèn)設(shè)置。菜單“3”用于上傳統(tǒng)計數(shù)據(jù)到PC機(jī)。使用本設(shè)計的USB電纜連接到PC機(jī)，使用串口工具并配置好端口及波特率后，進(jìn)入菜單“

36、3”電腦端即可接收到數(shù)據(jù)。菜單“4”為FLASH存儲芯片擦除功能。初次使用或異常掉電時都應(yīng)執(zhí)行本操作，否則存儲的數(shù)據(jù)將異常。6.3 電量統(tǒng)計電量統(tǒng)計根據(jù)電量公式(其中U為太陽能板電壓，I為負(fù)載電流，T為負(fù)載工作時間單位小時)。因太陽能板發(fā)電電壓及電流在一小時內(nèi)非恒定值，所以本設(shè)計中使用一秒作為時間片，通過程序?qū)γ棵氲陌l(fā)電量積分計算得到發(fā)電量。電量計算流程圖如圖6.3所示。圖6.3 電量計算流程圖6.4 數(shù)據(jù)存儲及讀取6.4.1 數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲為每分鐘一次。本設(shè)計中使用W25Q16存儲芯片，其包含8192個可編程頁，每頁容量為256bytes即2Mbytes存儲容量。每分鐘存儲一次，一次需要2

37、0bytes的空間，一天所需的空間為28800bytes，則此存儲芯片可存儲天數(shù)約為72.8天。圖6.4 數(shù)據(jù)存儲流程圖6.4.2 數(shù)據(jù)讀取進(jìn)入主菜單進(jìn)入“數(shù)據(jù)讀出”功能即可執(zhí)行輸出讀出操作。使用時程序會根據(jù)設(shè)置自動配置串口波特率，相應(yīng)的在電腦端配置的波特率應(yīng)與此相同。執(zhí)行輸出讀出操作后，屏幕會有提示信息并在數(shù)秒鐘后開始上傳數(shù)據(jù)至PC。PC端接收數(shù)據(jù)后可通過工具軟件導(dǎo)入Excel方便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖6.5 數(shù)據(jù)讀取流程圖7 系統(tǒng)安裝及調(diào)試7.1 硬件檢測PCB板元件安裝完成后，仔細(xì)檢查元件焊接有無錯誤，如電容極性、二極管極性、元件參數(shù)等。對于集成塊需要特別注意引腳順序，否則可能在通電瞬間導(dǎo)致元

38、件被損壞，而主控芯片和USB轉(zhuǎn)串口芯片由于引腳密度高價格也較貴，需要仔細(xì)檢查引腳焊接情況以免造成元件損壞。基本電路通電檢測：（1）使用9V電源連接到PCB板的“POW_IN”接線端口，此時發(fā)光二極管D6正常點亮；（2）使用萬用表測量LM7805輸出TP1對地電壓為5V，測量AMS117-3.3V輸出TP7對地電壓為3.3V；（3）測量REF3330輸出TP16對地電壓為3.000V；（4）連接USB數(shù)據(jù)線到PC機(jī)，電腦應(yīng)能正確識別出串口。斷開“POW_IN”供電，電源自動切換至USB供電。連接備用電池，系統(tǒng)供電能在各電源模式間自動切換；（5）使用焊錫短路JP3、JP4、JP5、JP6，連接US

39、B數(shù)據(jù)線，使用MSPFET工具應(yīng)能正常下載程序。7.2 硬件調(diào)試 7.2.1 運放輸出死區(qū)補償電壓調(diào)試查閱運放OPA2376數(shù)據(jù)手冊，輸出軌道誤差的因素除自身制造工藝外還受負(fù)載電阻大小、溫度高低影響。運放輸出死區(qū)關(guān)系如表7.1。表7.1 運放輸出死區(qū)關(guān)系OUTPUTCONDITIONSTYP MAXUNITVoltage Output Swing from RailRL = 10k1020mVOver TemperatureRL = 10k40mVVoltage Output Swing from RailRL = 2k4050mVOver TemperatureRL = 2k80mV在負(fù)載電

40、阻RL=10K時，典型值為10mV，受溫度影響最大將增至40mV，在負(fù)載電阻RL=2k時，典型值為40mV，受溫度影響將增至80mV。根據(jù)電流采樣電路，OPA2376其中一路運放被設(shè)計為約100倍同向放大電路用于放大通過10m采樣電阻的電壓信號，輸出則直接送至MSP430的ADC輸入引腳；另一路對基準(zhǔn)電壓分壓由運放跟隨輸出，提供一個避開輸出死區(qū)用的電壓。考慮ADC轉(zhuǎn)換誤差、運放輸入失調(diào)電壓、運放補償電壓設(shè)置、軟件處理方便三者因素，將補償電壓設(shè)置到100mV。這里使用FLUKE 17B萬用表電壓檔位測量，其黑筆放在SGND端、紅表筆測量電流采樣輸出測試端TP14調(diào)節(jié)電位器R34使萬用表輸出電壓顯

41、示為0.100V 。7.2.2 光線、雨水檢測電路調(diào)試光線檢測：連接好光敏電阻，將設(shè)備放在一能夠看清楚屏幕顯示內(nèi)容的環(huán)境下，調(diào)節(jié)電位器R10使發(fā)光二極管D10處于點亮狀態(tài)，若用物體遮住光敏探頭D10應(yīng)能熄滅。雨水檢測：連接好雨水感測板，在雨水感測上灑上適量的水來模擬下雨，調(diào)節(jié)電位器R1使發(fā)光二極管D5點亮，抹去雨水感測板上的水，D5應(yīng)能熄滅。7.3 軟件調(diào)試及下載由于本設(shè)計使用功能塊較多代碼量較大，直接運行完整程序調(diào)試勢必會加大調(diào)試難度，所以程序調(diào)試中使用獨立模塊調(diào)試和整合調(diào)試方式。7.3.1 獨立模塊調(diào)試使用MSPFET將各模塊程序分別下載到單片機(jī)，通過外部模擬數(shù)據(jù)（如溫度模塊測試，下載溫度

42、模塊程序后DS18B20可以正常測得環(huán)境溫度，使用手指對加溫，溫度可以到達(dá)30左右）與單片機(jī)運行數(shù)據(jù)比較以此判斷單片機(jī)程序及模塊是否正常工作。7.3.2 電流測試數(shù)據(jù)分析與修正因電路元件參數(shù)、單片機(jī)精度等原因，實際測得的電流會有一定誤差。本設(shè)計通過對原始數(shù)據(jù)分析，通過軟件修正后使平均誤差控制在了1.69%以內(nèi)，達(dá)到了較好的精度。本系統(tǒng)的電流檢測端口使用了高精度萬用表FLUKE 17B的電流檔串入電路中用于電流檢測，串入的滑動變阻器作為負(fù)載，可調(diào)電源用于模擬太陽能板電壓輸出。測試時調(diào)節(jié)電壓及滑動變阻器使萬用表電流達(dá)到設(shè)定值后記錄液晶和萬用表所顯示值。電流測試方法如圖7.1所示。圖7.1 電流測試

43、方法通過對測試數(shù)據(jù)分析，修正前平均相對誤差為-6.259%，修正后平均相對誤差在1.69%以內(nèi)。電流修正前誤差情況見圖7.2，電流修正后誤差情況見圖7.3。圖7.2 電流修正前誤差情況圖7.3 電流修正后誤差情況測試數(shù)據(jù)見附錄1、附錄2。7.4 最終運行效果7.4.1 顯示界面圖7.4 數(shù)據(jù)顯示界面圖7.5 菜單顯示界面7.4.2 串口上傳數(shù)據(jù)圖7.6為使用學(xué)生電源輸出約12V、1.525A進(jìn)行一小時的測試數(shù)據(jù)（完整數(shù)據(jù)見附錄3 ）。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：電壓、電流、當(dāng)日發(fā)電量、累計發(fā)電量、溫度、日期、時間。圖7.6 串口數(shù)據(jù)上傳效果結(jié)束語經(jīng)過數(shù)月的努力，終于完成了產(chǎn)品的設(shè)計。通過實驗驗證，本設(shè)計達(dá)到

44、了題目要求，并且根據(jù)本系統(tǒng)的情況在設(shè)計中加入了保護(hù)電路，保證電路安全。同時，針對雨水感測板設(shè)計了雨水清除電路，可降低雨水檢測誤判斷幾率。此次設(shè)計中硬件電路和軟件設(shè)計都存在較大難度。硬件設(shè)計中的電流采樣電路由于對電流精度有較高的要求使設(shè)計難度大大增加，一開始使用了專用的電流測量芯片，但通過實驗發(fā)現(xiàn)精度并不理想。通過查找資料以及求教老師，最后采用了康銅絲與運放結(jié)合的方式再配合軟件修正終于達(dá)到了精度要求，但這也使得電路復(fù)雜度大大增加。而軟件設(shè)計中，由于需要設(shè)計的功能模塊較多，程序處理時需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，以及單片機(jī)自身內(nèi)部資源的配置等等，導(dǎo)致在程序設(shè)計及調(diào)試上也花費了較多的時間。本次畢業(yè)設(shè)計

45、把很多的專業(yè)知識都融合在了一起，再次加深了我對電路知識的理解，認(rèn)識到理論與實踐結(jié)合的重要性，這對我以后工作和學(xué)習(xí)具有啟發(fā)性作用。致 謝轉(zhuǎn)瞬之間大學(xué)的生活已經(jīng)接近尾聲，經(jīng)過努力終于完成了對太陽能板發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)的設(shè)計。從最初的實物制作到程序的編寫，以及后邊的論文修改，我得到了羅德雄老師的悉心指點和幫助。羅老師作為我的指導(dǎo)老師，無論是系統(tǒng)設(shè)計，還是其他一些細(xì)小方面，都給予了我無微不至的關(guān)懷。羅老師的嚴(yán)格和孜孜不倦的教導(dǎo)是我能順利完成這次畢業(yè)設(shè)計的主要原因，在這里我對羅老師表示衷心的感謝。同時，也對在畢業(yè)設(shè)計中給予我莫大幫助的彭永杰老師、王伯黎老師以及唐軍老師表示感謝。感謝電子信息與控制工程系的所

46、有老師，感謝你們對我學(xué)業(yè)的真誠指導(dǎo)和包容！感謝與我朝夕相處的同學(xué)們，你們總是在我困難時陪伴我，鼓舞我，給了我生活上的幫助和精神上的鼓勵。參考文獻(xiàn)1謝楷，趙建.MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計與實踐M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.72周堅.單片機(jī)C語言輕松入門M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.73郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略M.北京：電子工業(yè)出版社，2009.14（日）岡村廸夫著，王玲等譯，徐雅珍校.OP放大電路設(shè)計M.北京：科學(xué)出版社，20045王加祥等著.電子系統(tǒng)設(shè)計M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.96陳祝明.電子系統(tǒng)專題設(shè)計與制作

47、M.成都：電子科技大學(xué)出版社，2011.47黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽技能訓(xùn)練M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.28陳學(xué)平.Altium Designer 10.0電路設(shè)計實用教程M.北京：清華大學(xué)出版社，2013.49高銳.印制電路板的設(shè)計與制作M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.237附錄1修正前電流參數(shù)實際電流（mA）顯示電流(mA)絕對誤差(mA)相對誤差101000.00%20191-5.00%30291-3.33%40391-2.50%50473-6.00%60573-5.00%70664-5.71%80755-6.25%90864-4.44%100946-6.00%

48、1101046-5.46%1201128-6.67%1301219-6.92%1401328-5.71%15014010-6.67%16015010-6.25%17015812-7.06%18016812-6.67%19017812-6.32%20018713-6.50%21019713-6.19%22020515-6.82%23021416-6.96%24022515-6.25%25023218-7.20%26024218-6.92%27025119-7.04%28026218-6.43%29027218-6.21%30027921-7.00%40037030-7.50%50046238-7

49、.60%60056634-5.67%續(xù)表70064951-7.29%80074060-7.50%90083367-7.44%100092872-7.20%1100102278-7.09%1200111090-7.50%1300120595-7.31%1400130397-6.937.27%16001491109-6.816.596.50%附錄2修正后電流參數(shù)實際電流（mA）顯示電流(mA)誤差電流（mA）相對誤差1016660.00%2024420.00%303113.33%404225.00%505112.00%6

50、06111.67%707000.00%808333.75%909111.11%10010000.00%11011110.91%12012110.83%13013110.77%14014110.71%15015110.67%16016110.63%17017110.59%18018110.56%19019110.53%20020000.00%21021110.48%22022220.91%23023220.87%24024441.67%25025220.80%26026220.77%27027110.37%28028551.79%29029000.00%30030220.67%35035330.

51、86%40040000.00%45045330.67%50050110.20%續(xù)表55055110.18%600599-1-0.17%65065000.00%700698-2-0.29%750748-2-0.27%800796-4-0.50%850847-3-0.35%900895-5-0.56%950948-2-0.21%1000995-5-0.50%10501046-4-0.38%11001094-6-0.55%11501146-4-0.35%12001192-8-0.67%12501245-5-0.40%13001292-8-0.62%13501343-7-0.52%14001390-10-0.7131%15001488-12-0.80%15501539-11-0.71%16001586-14-0.88%16501637-13-0.79%17001684-16-0.94%17501734-16-0.91%18001783-17-0.94%附錄3串口上傳數(shù)據(jù)電壓(V)電流(A)當(dāng)日發(fā)電量(Wh)累計發(fā)電量(W