題目：太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)研究〔軟件局部〕太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)研究〔軟件局部〕摘要隨著經(jīng)濟的開展和科學技術(shù)的不斷進步，世界正面臨著資源短缺與環(huán)境污染兩大問題。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是解決這兩個問題的有效方法。在實際的使用和研究的過程中，我們需要太陽能電池檢測系統(tǒng)對太陽能進行參數(shù)數(shù)據(jù)采集，從而分析測評太陽能電池的性能。基于目前太陽能電池研究的實際需求，根據(jù)太陽能電池檢測原理和電路的相關(guān)知識，設(shè)計了基于單片機的太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)。硬件電路主要包括溫度信號采集單元、光照強度采集單元、電流電壓采集單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和串口通信單元等結(jié)構(gòu)。本文利用單片機C語言編寫了與硬件電路匹配的軟件程序，控制硬件電路完成數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換的任務(wù)，同時再將數(shù)據(jù)采集步驟中所采集的數(shù)據(jù)通過串口與PC進行數(shù)據(jù)傳輸。關(guān)鍵詞：太陽能電池；單片機；數(shù)據(jù)采集；串口通信；C語言Theresearchofon-linedetectionsystemfortheparametersofsolarcell(partialofthesoftware)ABSTRACTWiththedevelopmentofeconomyandtheprogressofscienceandtechnology,ourworldisexposedenergyshortageandenvironmentpollutionproblems;solarphotovoltaictechnologyisaneffectivemethodtosolvethesetwoproblems.Intheprocessofpracticaluseandresearch,weneedtousesolarselltestsystemtotestsolarcell,soastoacquireneededdata,andtomakeanalysisandjudgmenttosolarcells.Basedonthepracticesofthesolarcellresearchneeds,andaccordingtothetestprincipleofthesolarcellandrelatedknowledgeaboutelectroniccircuit,AsolarcelltestsystembasedonMCUhasbeendesigned.Thishardwarecircuitincludestemperaturedataacquisitionunit,lightintensitysignalacquisition,currentandvoltagesignalacquisitionunit,analoguetodigitalconversionunitandserialcommunicationunit,andsoon.WeusedMCUCprogramminglanguagetocompilesoftwareprogramcoordinatedwiththedataacquisitionhardwarecircuit,controllinghardwarecircuittocompletethetaskofdataacquisition,andtheserialcommunicatingbetweendataacquisitionsectionandpersonalcomputer.Keywords:solarcell;MCU;dataacquisition;serialcommunication;Cprogramminglanguage目錄TOC\o"1-3"\h\u52591前言 1275731.1課題的來源及意義 1215751.2國內(nèi)外開展現(xiàn)狀 1269011.3課題研究的內(nèi)容 2135792太陽能電池數(shù)據(jù)采集原理 341492.1太陽能電池的工作原理 3263762.2太陽能電池的等效電路 4310542.3太陽能電池的伏安特性曲線 5202702.4太陽能電池的測試方法 6298633太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)硬件電路 7264593.1數(shù)據(jù)采集局部總體結(jié)構(gòu) 773163.2電流、電壓信號采集單元7288873.3光強信號采集單元811413.4溫度信號采集單元950753.5串口通信單元9216994太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計 1171134.1數(shù)據(jù)采集局部軟件程序總體框架 11257024.2A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計 12163654.3溫度信號采集子程序設(shè)計 1386894.4步進電機子程序設(shè)計 1582054.4.1步進電機工作原理 15295524.4.2步進電機子程序設(shè)計 1685974.5串口通信子程序 18107304.5.1單片機串口通信簡介 18300994.5.2串口通信子程序設(shè)計 18199185系統(tǒng)整體調(diào)試 2061235.1硬件調(diào)試 20296615.2軟件測試 20228125.3上位機軟件測試 201618總結(jié)2320294參考文獻 243156致謝 2512374附錄 261前言1.1課題的來源及意義二十一世紀，新能源和可再生能源的開發(fā)已經(jīng)成為影響世界經(jīng)濟開展的重要的技術(shù)領(lǐng)域。其中，太陽能能否在未來被充分的開發(fā)和利用已經(jīng)成為全世界必須面臨的挑戰(zhàn)，其中太陽能發(fā)電技術(shù)，更是受到人們的普遍關(guān)注。現(xiàn)在，太陽能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于各個行業(yè)中，這是因為太陽能發(fā)電具有許多其他能源無法具備的優(yōu)點，其中包括沒有噪聲，沒有污染，維護方便，故障率低，規(guī)模可大可小，不需要遠程傳輸，可方便地與各種器械設(shè)施或建筑相結(jié)合等。隨著全世界經(jīng)濟的飛速開展，能源危機很有可能到來，這樣，太陽能在將來必然憑借其無污染，可再生的特點取代其他不可再生能源，也必將成為主要研究目標之一。由于入射光的波長和能量的不同，以及太陽能電池所接的負載電阻不同，太陽能電池會產(chǎn)生不同的輸出特性。這樣通過對不同型號、材料的電池的電壓、電流、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率的檢測，對太陽能電池的性能進行評估，有助于生產(chǎn)出高效率的太陽能電池。本設(shè)計就是利用單片機控制完成太陽能電池的電壓、電流、光照強度、電池溫度測數(shù)據(jù)的采集。1.2國內(nèi)外開展現(xiàn)狀世界各國特別是興旺國家把太陽能發(fā)電稱為朝陽產(chǎn)業(yè)，把這一產(chǎn)業(yè)當作實現(xiàn)本國經(jīng)濟開展的重要舉措，制定了一系列促進和影響本國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)開展的政策，對世界太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的開展起到了積極的推動作用。全世界太陽能發(fā)電市場正在迅速擴張，光伏發(fā)電正在成為全球的一大熱點。我國對光伏電池的研究始于20世紀60年代年。我國于1971年發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上首次成功地利用了太陽能電池，在80年代以前我國的光伏工業(yè)尚處于雛形。80年代以后，光伏工業(yè)和光伏市場開始得到國家的支持，使其在我國得到了一定的開展，在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。尤其是政府2002年啟動的“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電方案〞大大刺激了我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的開展，太陽能電池應(yīng)用也取得了一些進展。此外，我國屢次實施了許多重大光伏工程，這些工程對我國光伏市場和光伏產(chǎn)業(yè)的開展都起到了積極地推動作用。在2023年以前我國太陽能電池主要應(yīng)用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，2023年到2023年間，我國光伏發(fā)電市場將由獨立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即多個光伏發(fā)電系統(tǒng)相連協(xié)調(diào)工作。隨著我國綜合國力的增強，和太陽能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的日漸成熟，我國將會大規(guī)模建設(shè)大型太陽能熱電站和太陽能光電站，屆時太陽能光伏發(fā)電將會成為我國的主要能源來源之一。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的不斷壯大，為了確保生產(chǎn)的太陽能電池符合要求，因此，太陽能電池檢測設(shè)備也在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中起到必不可少的作用。1.3課題研究的內(nèi)容本文設(shè)計了太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集局部，可以有效地完成對太陽能電池在外接負載從零變化到無窮大的過程中對輸出電流、輸出電壓、光照強度和溫度等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集能夠在很短的時間內(nèi)完成，從而有效地防止了溫度和光強對檢測結(jié)果的影響。能夠利用單片機控制實現(xiàn)和上位機的串口通信，上位機完成實時數(shù)據(jù)分析處理。系統(tǒng)包括硬件局部、軟件局部和上位機監(jiān)控程序。系統(tǒng)完成后，可通過計算機串口傳輸采集到的太陽能電池特性參數(shù)，從而在上位機的監(jiān)控界面中，直觀地觀察太陽能電池的伏安特性曲線和相應(yīng)的特性參數(shù)，繼而分析得出被測太陽能電池的性能。2太陽能電池數(shù)據(jù)采集原理2.1太陽能電池的工作原理太陽電池是一種對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。制作太陽能電池的原材料有很多種，其中包括單晶硅，多晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。但由于目前市場上最主流的太陽能電池就是以硅為材料的，因此本文主要介紹硅材料太陽能電池。下面主要介紹單晶硅太陽能電池的工作原理。單晶硅太陽能電池片的結(jié)構(gòu)主要包括：正面梳狀電極、減反射膜、P型層、PN結(jié)、N型層、反面電極等[1]。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1單晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)圖太陽能電池的工作原理是：當太陽光入射光子直接照射到太陽電池上并被吸收，且能量足夠大時，電子將被激發(fā)進入導(dǎo)帶，形成自由電子，同時在價帶中留下帶正電的自由空穴，即一個能量足夠的入射光子將產(chǎn)生兩個帶相反電荷的粒子〔電子一空穴對〕。被激發(fā)的電子，在結(jié)區(qū)內(nèi)建電廠的作用下，流向的N區(qū)；類似地，空穴在內(nèi)建電場的作用下，浮向P區(qū)。結(jié)果是，在P區(qū)邊界積累了多余的空穴，在N區(qū)的邊界積累了多余的電子，于是，產(chǎn)生了一個與平衡PN結(jié)內(nèi)建電場方向相反的光生電動勢。假設(shè)入射光子打在PN結(jié)過渡區(qū)之外的P側(cè)或Ｎ側(cè)，距離過渡區(qū)為一個擴散長度時，P側(cè)被激發(fā)的電子和N側(cè)被激發(fā)的空穴仍有1/2的概率進入結(jié)區(qū)，然后在結(jié)區(qū)內(nèi)建電場的作用下發(fā)生與上述同樣的運動。如果PN結(jié)處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累于PN結(jié)兩端，產(chǎn)生光電動勢。此時，在PN結(jié)兩端測得電位差即太陽能電池的開路電壓。如果把PN結(jié)從外部短路，那么N端積累的光生載流子-電子將經(jīng)過外電路流回P端，在P端與空穴復(fù)合，此時，流過外電路的電流就是太陽能電池的短路電流[2]。其工作原理如圖2-2所示。光電效應(yīng)產(chǎn)生電壓太陽能電池板陽光陽光光電效應(yīng)產(chǎn)生電壓太陽能電池板陽光陽光圖2-2太陽能電池工作原理圖2.2太陽能電池的等效電路在有光照且正負極之間有負載時，是太陽能電池正常工作情況。理想的太陽能電池正常工作時，可以用一個電流為IL的恒流電源與一個正向二極管〔PN結(jié)〕并聯(lián)的等效電路來表示，理想太陽能電池等效電路如圖2-3所示。在有光照時，同時存在著光照引起的短路電流IL和由PN結(jié)兩端的負載電壓引起的暗流ID，他們的流動方向恰恰相反。這個等效電路的物理意義是：太陽能電池光照后產(chǎn)生一定的光電流IL，其中一局部用來抵消結(jié)電流ID，另一局部即為供應(yīng)負載的電流IR。其端電壓V、結(jié)電流I以及工作電流I的大小都與負載電阻R有關(guān)，但負載電阻并不是唯一的決定因素。如上所述，I的大小為：〔2-1〕根據(jù)擴散理論，二極管結(jié)電流Ij可以表示為：〔2-2〕將式〔2-2〕代入〔2-1〕，得：〔2-3〕實際的太陽能電池，由于前面和反面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可防止的要引入附加串聯(lián)RS和旁路電阻RSH。電阻流經(jīng)負載時，經(jīng)過它們時，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻RS來表示。由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時，在電池外表的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一局部本應(yīng)通過負載的電流短路，這種作用的大小可用一并聯(lián)電阻RSH來等效[3]。那么實際的光電池的等效電路如圖2-4所示。PN結(jié)光生伏特效應(yīng)最主要的應(yīng)用是作為太陽能電池。串聯(lián)電阻增大導(dǎo)致太陽能電池的短路電流和填充因子減低，旁路電阻減小會使填充因子和開路電壓降低，但對電流電流沒有影響。考慮到串聯(lián)電阻RS和旁路電阻RSH的實際伏安特性公式為(其中IL為PN結(jié)電流，q=1.6×1019C是電子電荷，k=1.38×1023J/k定義為波爾茲曼常數(shù)，T是據(jù)對溫度)：〔2-4〕圖2-3理想太陽能電池的等效電路圖2-4實際太陽能電池的等效電路2.3太陽能電池的伏安特性曲線在一定的光強和溫度下，太陽能電池的伏安特性曲線如圖2-5所示。圖2-5太陽能電池的伏安特性曲線圖2-4中Voc是太陽能電池的開路電壓，ISH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。由圖可知，太陽能電池的伏安特性曲線是非線性的，該曲線受外界光照的強度和太陽能電池自身溫度，太陽能電池自身的工藝參數(shù)等因素的影響。2.4太陽能電池的測試方法太陽能電池的伏安特性受光強和氣溫的影響，因此選擇在太陽輻射光譜為AMl.5，日照強度為1000W/m2。太陽能電池溫度為25℃時為地面測試太陽能電池性能的標準測試條件下進行[4]。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)，就是要測出太陽能電池在標準條件下，太陽能電池所帶負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,得出太陽能電池的伏安特性曲線，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)得出的伏安特性曲線和性能參數(shù)來評判太陽能電池的性能。為了盡可能降低光強和溫度變化對測試帶來的影響，太陽能電池的測試關(guān)鍵是在極短時間內(nèi)完成測試。3太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)硬件電路3.1數(shù)據(jù)采集局部總體結(jié)構(gòu)根據(jù)太陽能電池的測試原理，本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖太陽能測試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集局部主要是對開路電壓、短路電流、光照強度和溫度的信號采集。太陽能電池外界負載從零變化到大無窮大的過程中，負載電阻為零時的電流就是短路電流，負載電流為無窮大時的電壓就是開路電壓，其中電壓電流的測試是根據(jù)負載電阻的從小到大的變化而得到的，負載電阻的變化是與多圈電位器連接的步進電機單元控制得到的；根據(jù)太陽能電池的短路電流與光照強度成正比例的原理，間接測得光照強度值；測量溫度信號可采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，直接采集二進制數(shù)據(jù)的溫度信號。其中開路電壓、短路電流、光照強度的數(shù)據(jù)要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊進行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，由于本文采用PIC系列的PIC16F877單片機作為控制核心，而PIC16F877內(nèi)部包含A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此，電路不需要外加A/D轉(zhuǎn)換電路。將采集到的信號通過串口發(fā)送給PC進行通信[5]。PC可以進行數(shù)據(jù)處理，并將處理的結(jié)果顯示出來。數(shù)據(jù)采集局部的核心硬件就是單片機，單片機控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換和串口通信的工作。本文設(shè)計的整個系統(tǒng)包括PIC16F877單片機，兩相混合式步進電機，數(shù)字溫度傳感器DS18B20,電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX232和RS232串口DB9等。3.2電流、電壓信號采集單元本文采用間接法測量電壓電流信號，其測量電路圖如圖3-2所示。圖3-3中，Ro為太陽能電池所接負載電阻，它采用的是多圈電位器，單片機控制步進電機的轉(zhuǎn)動從而控制負載電阻的改變。Rstd是標準電阻，Vr為參考電壓。開關(guān)K1、K2、K3采用繼電器，由單片機控制它們的導(dǎo)通和切斷，組成不同的電路測量所需的電壓和電流圖3-2電壓電流測量電路在光強一定的條件下，改變負載電阻R0至某一固定值，閉合K3，K1連接到K11，K2連接到K21，此時，負載電阻R0兩端電壓為：〔3-1〕由〔3-1〕可得出負載電阻Ro的值〔3-2〕保持光強和負載Ro不變，將K3閉合，K1連接到K12，K2連接到K22，將太陽能電池和負載Ro組成回路，從而得到所測電壓為Uc，由于已經(jīng)得到Ro，此時回路中的電流為：〔3-3〕通過單片機控制步進電機，從而控制負載電阻Ro的阻值，將負載Ro值調(diào)到最小，便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。此時組成的回路，便可得到太陽能電池的開路電壓Voc[6]。3.3光強信號采集單元本文根據(jù)太陽能電池的短路電流與日照強度成比例關(guān)系的原理，可以間接地計算出光照強度的數(shù)值，測試原理圖如3-3所示。在測量太陽光照強度時，直接采用一塊面積為10的太陽能電池板，在太陽能電池正負極之間接入阻值很小的電阻，設(shè)計中取0.01kΩ。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(jù)太陽能電池的短路電流與光照強度成正比例關(guān)系，間接得到光照強度的數(shù)值，因為本設(shè)計采用的單片機PIC16F877自帶A/D轉(zhuǎn)換端口，直接連接單片機即可。電路連接圖如圖3-3所示。圖3-3光照強度測試原理圖3.4溫度信號采集單元本設(shè)計中的太陽能電池溫度信號采集單元采用數(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)換器進行轉(zhuǎn)換。溫度信號采集單元電路如圖3-4所示。圖3-4溫度信號采集單元3.5串口通信單元本文設(shè)計的太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)采用的是上位機-下位機的工作方式，PC作為上位機，單片機作為下位機，通過RS-232串口在PC機與單片機之間進行采集到的數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收和指令的傳輸[7]。因此，本文中的串口通信指的是由單片機串口和PC機串口共同完成數(shù)據(jù)的傳輸，用MAX232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。其硬件電路圖如3-5所示。圖3-5串口通信單元

4太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1數(shù)據(jù)采集局部軟件程序總體框架本文用單片機C語言編寫了與數(shù)據(jù)采集局部硬件電路相配合的軟件程序，其流程圖如圖4-1所示。圖4-1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件流程圖根據(jù)圖數(shù)據(jù)采集局部軟件流程圖4-1可以看出，由于單片機是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心元件，啟動單片機是所有步驟的第一步；然后，單片機控制完成對溫度信號和光強信號的采集，采集完成之后，將已經(jīng)采集到的溫度信號和光強信號放到單片機的存儲器中；然后，對太陽能電池負載兩端的電壓和流過的電流信號進行采集，采集過程中，由于開路電壓與短路電流比擬特殊，與其他電流、電壓采集的方法不同，因此把開路電壓和短路電流與其他電壓、電流的采集分別進行。采集完成之后，也將采集到的電壓、電流存到單片機的存儲器中，數(shù)據(jù)采集完成之后，就將上面采集到的光強、電壓、電流的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，將所得到的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些工作都完成以后，可以進行下一步的串口信號通信。下面將對重點內(nèi)容進行詳細介紹。4.2A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計本文中用到PIC16F877單片機內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，來把采集到的電流、電壓信號，和以電流信號形式光強信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，從而方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，轉(zhuǎn)換子程序程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖在本設(shè)計中，單片機采集到的電壓、電流、光強信號都是由單片PIC16F877內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換局部完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。其中電壓信號可以直接轉(zhuǎn)成數(shù)字量，電流和光強信號必須被轉(zhuǎn)換成電壓信號進而進行A/D轉(zhuǎn)換。PIC16F877單片機A/D轉(zhuǎn)換局部的配置過程：〔1〕選擇模擬線號輸入端口，用A/D控制存放器ADCON1的D3：D0位來配置端口A。〔2〕配置參考基準，有內(nèi)部基準和外部基準兩種。內(nèi)部基準就是采用芯片的供電電壓為基準；外部基準要根據(jù)實際的使用情況而定，從端口A的RA3和RA2輸入。通過A/D控制存放器ADCON1的D3：D0配置。〔3〕配置轉(zhuǎn)換時鐘，有四中不同頻率的時鐘，由A/D控制存放器ADCON0的D7：D6口選擇，00：FOSC/2;01:FOSC/8;10:FOSC/32;11:RC振蕩器頻率。〔4〕配置A/D轉(zhuǎn)換允許，去除A/D啟動位。由ADCON的D0設(shè)置，0：關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換器；1：翻開A/D轉(zhuǎn)換器。并且ADCON0的D2為A/D轉(zhuǎn)換器的啟動位和轉(zhuǎn)換結(jié)束的標志位，翻開A/D轉(zhuǎn)換器時必須設(shè)置啟動位為0。〔5〕配置A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存放存放器：10bits轉(zhuǎn)換結(jié)果，ADRESH和ADRESL，通過軟件設(shè)置左/右對齊。〔6〕設(shè)置A/D中斷功能，如果不采用中斷功能，可以直接設(shè)置ADIE=0，進入下一個步驟。中斷功能的設(shè)置如下所示：首先去除A/D轉(zhuǎn)換完成中斷標志：ADIF=0；設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換中斷允許位：ADIE=1；設(shè)置外部中斷允許位：PIIE=1；設(shè)置全局中端允許位：GIE=1。〔7〕啟動A/D轉(zhuǎn)換：ADCON0<2>=1。〔8〕等待A/D轉(zhuǎn)換完成，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：當啟動A/D轉(zhuǎn)換后，ADCON0<2>會一直保持高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動變?yōu)榈碗娖健＿@能判斷出A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換結(jié)束后直接讀取結(jié)果[8]。配置完成之后，那么可對A/D轉(zhuǎn)換局部進行編程，A/D轉(zhuǎn)換的程序簡介如下所示：//A/D轉(zhuǎn)換初始化子程序voidadinitial(){ADCON1=0x84;//轉(zhuǎn)移結(jié)果右移，即ADRESH存放器的高6位為0，且把RA0，RA11，//RA3口設(shè)置為模擬量輸入方式，其他口為數(shù)字量輸入口，切參考電//壓為VddPIE=0x00;//去除A/D轉(zhuǎn)換標志PIE2=0x00;//A/D轉(zhuǎn)換中斷允許ADIE=1；//外圍中斷允許PEIE=1;//外設(shè)中斷允許}//A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)voidadc(){gq();dianya();}Voidmain(){While(1){csh();//初始化函數(shù)Wendu();//溫度采集函數(shù)adc();//A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)，包括電壓，電流，光強的采集bujin();//步進電機控制函數(shù)}}4.3溫度信號采集子程序設(shè)計前文已經(jīng)大概介紹所使用的數(shù)字溫度傳感DS18B20，它采用的單線總線技術(shù)，用一根線實現(xiàn)信號的雙向傳輸，因此，對DS18B20進行的讀寫操作有嚴格的時序要求，DS18B20規(guī)定了嚴格的通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。溫度信號采集單元在讀取溫度之前，要先通過復(fù)位脈沖來初始化DS18B20，然后DS18B20發(fā)出應(yīng)答脈沖，在單片機收到應(yīng)答脈沖后才開始后續(xù)工作。程序要按照嚴格的時序進行DS18B20的初始化、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作，從而保證數(shù)據(jù)的完整性。在溫度信號采集程序中，在溫度轉(zhuǎn)換期間與任何其他數(shù)據(jù)傳輸在總線上不能同時進行傳輸，另外，可以發(fā)出復(fù)位脈沖在任何時刻中斷數(shù)據(jù)的傳輸。采集到的溫度信號以16位符號擴展的二進制補碼形式存儲在DS18B20的2個8位RAM中[9]。本文中采用到的DS18B20功能命令有轉(zhuǎn)換溫度命令(44H)，讀暫存器命令(BEH)，讀ROM命令〔33H〕，跳過ROM命令〔CCH〕等。采集單元實現(xiàn)單次讀取溫度信號的流程圖如圖4-3所示。圖4-3溫度信號采集單元讀取溫度信號流程圖在圖4-3中，讀取的溫度信號的高位字節(jié)和低位字節(jié)都存放在DS18B20的高速暫存器中，經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換和兩次讀取，分別讀取溫度值的低位字節(jié)和高位字節(jié)的方法來完成溫度信號的采集。溫度采集子程序簡介如下：//DS18B20讀字節(jié)函數(shù)ucharread_byte(void){uchar1;ucharvalue=0;//讀出溫度for(i=8;i>0;i--)value>>=1;DQ_LOW();delayus(6);//6usDQ_HIGH();//拉至高電平delayus(4);//4usif〔DQ〕value|=0x80;delayus(63)//63us}return(value);}//啟動溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)voidwd(){unit1;re();PORTA=0X02//復(fù)位等待從機容許write_byte(0XCC);//忽略ROMwrite_byte(0X44);//發(fā)送溫度轉(zhuǎn)化命令re();//再次復(fù)位，等待從機容許write_byte(0XCC);//忽略ROM匹配write_byte(0XBE);//發(fā)送度溫度命令TLV=read_byte;//讀出溫度低8位THV=read_byte;//讀出溫度高8位PORTA=0X02;//釋放總線TZ=(TLV>>4)|(THV<<4)&0X3f;//溫度整數(shù)局部TX=TLV<<4;//溫度小數(shù)局部temp=TZ+TX//整體溫度〔整數(shù)+小數(shù)〕}4.4步進電機子程序設(shè)計4.4.1步進電機工作原理步進電機就是按照一定的角度轉(zhuǎn)動，本設(shè)計采用28BYJ48步進電機，每步轉(zhuǎn)1.8°，轉(zhuǎn)360°，需要200步才能完成。步進電機每走一步，就要加一個脈沖信號，也成為鼓勵信號。無脈沖信號輸入中，轉(zhuǎn)子保持一定的位置，維持靜止狀態(tài)。假設(shè)參加適當?shù)拿}沖信號時，轉(zhuǎn)子那么會以一定的步數(shù)轉(zhuǎn)動。如果參加連續(xù)的脈沖信號，步進電機就連續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角度與脈沖頻率成正比，正、反轉(zhuǎn)可由脈沖信號的順序來控制。步進電機有三類：2相步進電機，4相步進電機，5相步進電機。本文選用的步進電機是4相步進電機。步進電機的鼓勵方式有1相激磁，2相激磁和1-2相激磁。1相勵磁法：在每一個時間點都只有一個線圈導(dǎo)通，其他的線圈停止工作。2相勵磁法：在每一時間點會有兩個線圈同時導(dǎo)通，特點是轉(zhuǎn)矩大、震動小。每送一次勵磁信號可走1.8°。1-2相勵磁法：1相與2相交替導(dǎo)通，精確度高，運轉(zhuǎn)平滑。但是沒一次激磁信號只轉(zhuǎn)動109°，又稱為半步驅(qū)動。本次設(shè)計采用2相勵磁法，每送一次勵磁信號可以1.8°。調(diào)整單片機輸出的步進脈沖頻率的方法：〔1〕軟件延時方法改變延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法使CPU長時間等待，無法進行其它工作，因此沒有使用價值。在單獨進行步進電機的演示時可以采用。定時器中斷法在中端效勞子程序中進行脈沖操作，調(diào)整定時器的定時常熟就可以實現(xiàn)調(diào)速，這種方法占用CPU時間較少，是一種比擬實用的調(diào)速方法，因此，本設(shè)計采用這種方法調(diào)整單片機輸出的步進脈沖頻率[10]。步進電機不能直接被電源使能，必須使用步進電機驅(qū)動器控制工作。由單片機通過步進電機驅(qū)動器使步進電機按照一定的角度轉(zhuǎn)動，從而控制步進電機連接的負載電阻按照一定的阻值由小自大地變化，在變化過程中進行電壓和電流源的采集，就可以獲得所需的電壓、電流信號。本文采用ULN2003驅(qū)動器，其引腳圖結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示。圖4-4ULN2003引腳圖4.4.2步進電機子程序設(shè)計本文通過單片機控制步進電機，步進電機控制多圈電位器來實現(xiàn)負載電阻由小自大地變化，通過步進電機的步數(shù)可以確定采集的次數(shù)，當多圈電位器到達最大值時控制步進電機反轉(zhuǎn)。其程序流程如圖4-5所示。圖4-5步進電機程序流程圖步進電子程序簡介如下所示：//步進電機控制函數(shù)Constuchartable1[]="0xfe,0xfb,0xfd,0xf7";//正轉(zhuǎn)Constuchartable2[]="0xf7,0xfd,0xfb,0xfe";//反轉(zhuǎn)uinti=0;voidZheng(uintc)//正轉(zhuǎn){PORTC=table1[i%4];}voidFan(uintc)//反轉(zhuǎn){for(i=0;i<c;i++)PORTC=table2[i%4];{viodbujin(){uintn；if(i<n){PORTC=table1[i%4];i++;}Else{PORTC=table2[i%4];i++;}}}4.5串口通信子程序4.5.1單片機串口通信簡介本文利用PIC16F877單片機實現(xiàn)單片機點對點通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步由兩種但凡：異步通信，和同步通信。異步通信的發(fā)送端和接收端可以由各自的始終控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，兩個時鐘源彼此獨立互不同步。同步通信在一個數(shù)據(jù)塊的開頭使用同步字符，數(shù)據(jù)傳送時使用同一頻率的脈沖來實現(xiàn)發(fā)送端與接收端的嚴格時間同步[11]。4.5.2串口通信子程序設(shè)計串口通信主要包括兩局部：單片機發(fā)送數(shù)據(jù)和PC機接收數(shù)據(jù)，流程圖如圖4-6,4-7所示。圖4-6單片機發(fā)送數(shù)據(jù)子程序流程圖圖4-7PC機接收數(shù)據(jù)子程序流程圖

5系統(tǒng)整體調(diào)試在系統(tǒng)的調(diào)試中，要將軟硬件結(jié)合起來，到達系統(tǒng)中電壓、電流，溫度，光強等信號的數(shù)據(jù)進行采集、傳遞準確檢測的目的。5.1硬件調(diào)試在硬件調(diào)試的局部，根據(jù)系統(tǒng)原理圖的設(shè)計，仔細檢查設(shè)計圖上是否有因連接錯誤的情況，檢查無誤后，焊接電路板，在焊接電路板時，要注意防止出現(xiàn)芯片管腳的虛焊與短路連接。完成焊接后，檢查芯片是否正常。最后根據(jù)整個電路的工作是否正常，檢查硬件是否正常運行。5.2軟件測試軟件測試局部要完成對電壓、電流，溫度，光照強度的數(shù)據(jù)采集。各個器件對采集數(shù)據(jù)的傳輸以及在上位機上的顯示，在軟件調(diào)試的過程中，將各局部工作完成采集的數(shù)據(jù)傳送到PC上對其分析處理，，觀察上層界面是否能夠出現(xiàn)預(yù)期的各項數(shù)據(jù)的信息。5.3上位機軟件測試翻開軟件進行檢測，PC顯示器出現(xiàn)登陸界面，管理員輸入正確的用戶名和密碼后，即可順利登錄。其軟件登陸界面如圖5-1所示。圖5-1軟件登陸界面登陸后，出現(xiàn)界面后，選擇串口并點擊開始監(jiān)控按鈕，那么可以對太陽能電池特性參數(shù)進行檢測，如圖5-2所示。點擊停止接收按鈕，然后再點擊繪圖按鈕，那么得到本次檢測到的太陽能伏安特性曲線〔此時的溫度為25℃，光照強度800W/m2〕,其界面如圖5-4所示。圖5-2登陸后選擇串口界面圖5-3上位機監(jiān)控到太陽能電池伏安特性曲線界面分幾個時間點屢次進行測試，測試環(huán)境下的溫度或者光強已經(jīng)隨時間改變，所以此時的伏安特性曲線也會改變。下面是另外兩次時間點測試的伏安特性曲線。其中在溫度為25℃，光強為800W/m2的測試條件下的伏安特性曲線，如圖5-4所示。圖5-4在溫度25℃，光強為800W/m2環(huán)境下的伏安特性曲線在溫度為30℃，光強為1000W/m2的測試條件下的伏安特性曲線，如圖5-5所示。圖5-5在溫度30℃，光強為1000W/m2環(huán)境下的伏安特性曲線由圖5-3,5-4,5-5可以看出太陽能的開路電壓和短路電流是實時變化的。上位機監(jiān)控程序接收單片機傳輸?shù)膶崟r變化的數(shù)據(jù)并在監(jiān)控界面上顯示出來，最后通過實時變化的數(shù)值來描繪太陽能電池的伏安特性曲線。本文設(shè)計的太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)檢測到的伏安特性曲線可以直觀的從監(jiān)控界面顯示出來，太陽能的相關(guān)的參數(shù)也可以以數(shù)值的形式清楚的展現(xiàn)給測試人員。但是，由于本設(shè)計電路存在一些噪聲和干擾，因此測得伏安特性曲線光滑度不夠，波動較大。但總體變化趨勢符合太陽能電池的固有性質(zhì)。總結(jié)本設(shè)計根據(jù)目前太陽能電池的研究和生產(chǎn)生活實際的需求，根據(jù)太陽能電池的測試原理以及單片機原理的相關(guān)知識，設(shè)計了基于單片機的太陽能電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集的硬件和軟件兩局部。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路局部中，選擇單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動從而帶動多圈電位器來實現(xiàn)太陽能電池外接負載按照一定的規(guī)那么由小變大地變化，防止了電子負載的使用，盡量減小了誤差。按照間接法測量到的電壓、電流和光照強度，也一定程度上防止了電阻帶來的誤差。溫度信號采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20直接測量后與PC機直接傳送。在硬件電路設(shè)計完成后，還用C語言編寫了與硬件電路相對應(yīng)的軟件程序。介紹完系統(tǒng)的原理后，經(jīng)過軟件程序的處理，可以在上位機監(jiān)控界面中以圖形形式直觀地顯示出被測太陽能電池的伏安特性曲線，太陽能電池的性能參數(shù)也能夠以數(shù)值形式清楚地展現(xiàn)出來，而且根據(jù)測試得到的伏安特性曲線的變化趨勢可以判斷出太陽能電池的故有的性能。由于界面直觀地顯示出被測太陽能電池的伏安特性參數(shù)，從而較為完整地表述了被測太陽能電池的相關(guān)信息。測試人員能夠根據(jù)測試得到的結(jié)果對太陽能電進一步分析評判，判斷該太陽能電池性能能否滿足生產(chǎn)生活所需太陽能電池的要求。

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附錄附錄1：太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)總體電路圖：附錄2：太陽能電池特性參數(shù)在線檢測系統(tǒng)總體總體程序：//頭文件#include"pic.h"#include"math.h"#include"string.h"#include"stdlib.h"#include"stdio.h"http://定義變量#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharfloattemp;//函數(shù)聲明voidreset(void);//初始化函數(shù)voiddalayms(unitn);//延時nmsvoiddelayus(unitn);//延時nuscharwd(void);//溫度采集函數(shù)ucardy(void);//電壓采集函數(shù)uchargq(void);//光強采集函數(shù)ucharxs(void);//顯示函數(shù)char*gcvt(floatvalue,intndigit,char*buf)//將數(shù)value轉(zhuǎn)換成字符串并存于buf中，并返回buf//的指針，ndigit表示位數(shù)//定義I/O口#defineDQRA5#defineK1RD0#defineK2RD1#defineK3RD2//初始化函數(shù)voidreset(void){TRISA=0X3F;//設(shè)置A口為輸入TRISB=0X00;//設(shè)置B口為輸出TRISC=0X00;//設(shè)置C口為輸出TRISD=0X00;//設(shè)置D口為輸出FORTB=0X00;//給B口賦初值FORTB=0X00;FORTB=0X00;}//延時nms函數(shù)voiddelay〔uintn〕{uintj;chark;for(j=0;j<=n;j++)for(k=1000;k>0;k--)ASM("NOP");//插入?yún)R編指令}//延時nus函數(shù)voiddelayus〔charn〕{charj;j=n;while(j>0){j--;ASM("NOP");}}//顯示局部程序#defineLCD_ERD6//LCDE讀/寫時能控制#defineLCD_RWRD5//LCD讀〔1〕/寫〔0〕控制線#defineLCD_RSRD4//LCD存放器選擇數(shù)據(jù)〔1〕指令〔0〕#defineCOM0//LCD_WRITE()中的第2參數(shù)為0表示寫命令#defineDATA1//LCD_WRITE()中的第2參數(shù)為1表示寫數(shù)據(jù)bank1charDD[16];//一行LCD顯示數(shù)據(jù)暫存，定義在體1voidLCD_reset(void);//LCD初始化voidLCD_BUDY〔void);//讀LCD是否忙voidLCD_READ〔void)voidLCD_WRITE〔char,char);//LCD寫1字節(jié)命令或者數(shù)據(jù)charLCD_READ(void){ucharA1;LCD_RS=0;//存放器選擇LCD_RW=1;ASM("NOP");//讀為1LCD_E=1;ASM("NOP");//使能R1=P0RTB;//讀數(shù)據(jù)LCD_E=0;ASM("NOP");//讀數(shù)據(jù)結(jié)束LCD_RW=0;reurn(A1);}//寫R1的8位，F(xiàn)LAG為存放器選擇，1為命令，0為數(shù)據(jù)voidLCD_WRITE(charR1,charFLAG){LCD_RW=0;ASM("NOP");//寫模式LCD_RS=FLAG;ASM("NOP");//存放器選擇P0RTB=R1；LCD_E=0;ASM("NOP");//數(shù)據(jù)送入有效LCD_E=0;ASM("NOP");}//LCD初始化模塊voidLCD_rest(void){LCD_BUSY()；//LCD忙檢測LCD_WRITE(0X38,COM);//序號6命令，4位數(shù)據(jù)格式，4行，5乘7點陣LCD_WRITE(0X0C,COM);//序號4命令，D(d2)=1,翻開顯示；C(d1)=1,光標翻開;B(d0)=1,//光標閃爍LCD_WRITE(0X38,COM);//序號1命令，去除顯示delayms(2);//延時2msLCD_WRITE(0X06,COM);//序號3命令，輸入模式，I/D(d0)=1；地址加1；S(d0)=1,顯示//位移關(guān)閉}//檢測LCD是否忙voidLCD_BUSY〔void){unsignedcharA1;while(1){A1=LCD_READ();//讀存放器if(R1&0x80)==0x00//最高位為忙標志位Break;};}//光標定位voidposcursor〔ucharline,ucharcol〕;//光標的行和列，均從0開始{charpos;LCD_BUSY();switchcase(line){case0:pos=0x80+col;case1:pos=0xC0+col;case2:pos=0x90+col;case3:pos=0xD0+col;}LCD_WRITE(pos,0)}intstrlen(constchar*s){constchar*cp;cp=s;while(*cp++);continue();returncp.s.l;}voiddispstr(char*s);{intlen;inti;len=strlen(s)for(i=0;i<len;i++)LCD_WRITE(s[i],1)}//溫度采集局部#defineDQRA0//定義DS18B20熟讀端口#defineDQ_DIRTRISA0//定義DS18B20口方向存放器#defineDQ_HIGH()DQ_DIR=1//設(shè)置數(shù)據(jù)口為輸入#defineDQ_LOW()DQ=0;DQ_DIR=0//設(shè)置數(shù)據(jù)口為輸出ucharTLV=0;//采集到的溫度高8位ucharTHV=0;//采集到的溫度低8位ucharTZ=0;//轉(zhuǎn)換后的溫度值整數(shù)局部//復(fù)位DS18B20函數(shù)voidre(void){ucharpresence=1;while(presence){DQ_LOW();//拉低至低電平delayus(503);//延時503usDQ_HIGH();//釋放總線等電阻拉高總線，并保持15.6usdelayus(70);//延時70usif(DQ)persence=1;//沒有接受到容許信號，繼續(xù)復(fù)位elsepresence=0;//接收到容許信號delayus(403);//延時430us}}//寫DS18B20寫字節(jié)函數(shù)voidwrite_byte(ucharval){uchari;uchartemp;for(i=8;i>0;i--){temp=val&0x01;//最低位移出DQ_LOW();ASM("NOP");ASM("NOP");ASM("NOP");ASM("NOP");ASM("NOP");//從高拉到低電平，產(chǎn)生寫時間隙if(temp==1)DQ_HIGH();//如果寫1,拉高電平delayus(63)ASM("NOP");ASM("NOP");val=val>>1;//右移一位}}//DS18B20讀字節(jié)函數(shù)ucharread_byte(void){uchar1;ucharvalue=0;//讀出溫度for(i=8;i>0;i--)value>>=1;DQ_LOW();delayus(6);//6usDQ_HIGH();//拉至高電平delayus(4);//4usif〔DQ〕value|=0x80;delayus(63)//63us}return(63);return(value);}//啟動溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)voidwd(){unit1;re();PORTA=0X02//復(fù)位等待從機容許write_byte(0XCC);//忽略ROMwrite_byte(0X44);//發(fā)送溫度轉(zhuǎn)化命令re();//再次復(fù)位，等待從機容許write_byte(0XCC);//忽略ROM匹配write_byte(0XBE);//發(fā)送度溫度命令TLV=read_byte;//讀出溫度低8位THV=read_byte;//讀出溫度高8位PORTA=0X02;//釋放總線TZ=(TLV>>4)|(THV<<4)&0X3f;//溫度整數(shù)局部TX=TLV<<4;//溫度小數(shù)局部temp=TZ+TX//}//A/D轉(zhuǎn)換局部程序//定義一個共用體數(shù)組，用于存放A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果union{inty1;ucharadrc[2];//用于存放A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果}adres[3];//adres[0]存放開路電壓；adres[1]存放電壓//adres[2]存放光強對應(yīng)的電流bank3intres;//定義存放A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)組，在bank3中floatf1;//定義短路電流和光強系數(shù)floatgqdata;//定義光強的結(jié)果flotaopendata;//定義開路電壓的結(jié)果flotashortdata;//定義短路電流的結(jié)果flotadydata;//定義電壓的結(jié)果flotadldata;//定義電流的結(jié)果flotatempdata;//定義臨時保存結(jié)果uintRST,RP,R;//定義電阻//函數(shù)聲明voidadinitial();voidgq(void);uchardy(void);{ADCON1=0x84;//轉(zhuǎn)移結(jié)果右移，及ADRESH存放器的高6位為0，且把RA0，RA11，//RA3口設(shè)置為模擬量輸入方式，其他口為數(shù)字量輸入口，切參考電壓為//VddPIE=0x00;//去除A/D轉(zhuǎn)換標志PIE2=0x00;//A/D轉(zhuǎn)換中斷允許ADIE=1；//外圍中斷允許PEIE=1;//外設(shè)中斷允許}//光強采集子程序voidgq(void){ADCON0=0x49;//選擇A/D通