单片机数据采集系统设计基于单片机的太阳能电池数据采集系统设计.docx

1、单片机数据采集系统设计基于单片机的太阳能电池数据采集系统设计单片机数据采集系统设计【基于单片机的太阳能电池数据采集系统设计】 本科生毕业设计(论文) 学 院: 专 业： 学 生： 指导教师： 完成日期 年 月 I 本科生毕业设计（论文） 基于单片机的太阳能电池数据采集 系统设计 Design of Data Acquisition System for Solar Cell Based on MCU 总 计： 22 页 公 式： 7 个 插 图 ： 14 幅 II 本 科 毕 业 设 计（论文） 基于单片机的太阳能电池数据采集系统设计 Design of Data Acquisition Sy

2、stem for Solar Cell Based on MCU 学 院（系）： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： III 基于应用软体的太阳能电池数据采集系统设计 电气工程及其自动化专业 摘 要本设计根据太阳能电池测试原理和电子电路的相关知识，选用合适的电子元器件设计了能够完成数据采集任务的硬件电路，主要信号包括浓度信号采集单元、重力场信号采集单元、电压及电流脉冲采集单元、模数转换单元和串口通信单元等部分。用单片机C 语言编写了与硬件电路相配合的软件程序，控制应用软件硬件电路完成数据采集任务，数据采集部分与PC 机之间通过串口

3、进行的数据传输。 关键词太阳能电池；单片机；数据采集；串口通信；可视化集成编程系统开发软件 Design of Data Acquisition System for Solar Cell Based on MCU Electrical Engineering and Automation Specialty Abstract : According to the test principle of the solar cell and the related knowledge about electronic circuit, we have chose suitable electron

4、ic components to design a hardware circuit, which can complete the task of data acquisition. This hardware circuit includes temperature data acquisition unit ，light intensity signal acquisition unit, voltage and current signal acquisition unit, analogue to digital conversion unit and serial ication

5、unit, and so on. We have used C programming language to compile software program coordinated with the data acquisition hardware circuit, and to control hardware circuit to complete the task of data acquisition. The serial ication can be work between data acquisition section and personal computer thr

6、ough serial port . Key words: Solar cell; microprogrammed control unit; data acquisition; serial ication; MATCOM IV 1 引言 . 1 1.1 设计背景 1 1.2 课题研究内容及含义 1 2 太阳能电池数据采集原理 . 2 2.1 太阳能电池的其他工作原理 . 2 2.2 太阳能电池的等效电路 . 3 2.2 太阳能电池的伏安特性曲线 4 2.3 太阳能电池的测试方法 . 5 3 太阳能电池数据采集部分硬件电路设计 . 5 3.1 数据采集部分硬件电路 . 5 3.2 电压电流信

7、号采集单元 . 7 3.3 固态继电器单元 8 3.4 温度信号采集单元 9 3.5 光强信号搜集单元 9 3.6 步进电机单元 10 3.7 电源电路单元 10 3.8 串口通信单元 11 4 太阳能电池数据采集部分软件设计 . 11 4.1 系统主程序软件设计 . 11 4.2 温度信号采集子程序 . 12 4.3 A/D转换部分子程序 . . 13 4.4 太阳能电池数据显示部分装配及结果 14 结束语 . . 16 参考文献 . . 17 附录 . 18 致谢 . 22 V 1 引言 1.1 设计背景 核能是人类赖以生存必要条件的物质基础，是现代文明的重要有效保证，可靠、安全的能源供给

8、和清洁、高效的容许能源利用是实现经济社会发展的基本保证。机械制造工业现代化所需要的主要能源，如石油、煤、天然气等又都是不可再生能源。因此，能源战略都被世界各国当做其经济发展的重要组成部分。阈值随着世界经济的高速发展以及工业化程度的不断提高，世界各国对能源的需求一直保持电力着强劲的发展势头，能源问题已经越来越成为制约全球各国经济和社会发展的重要因素之一。 化石能源的减少以及使用化石能源对和地理环境生态环境产生的负面影响越来越明显，研究开发清洁的可再生能源成为世界各国实现和社会可持续发展的重要战略。由于用之不竭储能所具有的取之不尽、用之不竭的特点，太阳能光伏发电成为最有发展前景的一种新能源技术，世

9、界各国纷纷投入人力物力研究太阳能光伏发电技术，将太阳能光伏发电产业做为解决能源和环境问题的战略产业加以重点支持，使全球太阳能光伏发电产业得以迅猛发展。 世界各国尤其是发达国家政府都把太阳能发电称之为朝阳产业，希望希望把这一产业作为实现本国可持续发展的极其重要措施，制定了一系列支持和增进促进本国光伏发电产业发展的政策，对光伏产业的发展起到了积极地推动作用，全球发电发电市场正在迅速扩大，光伏发电正在成为全球的一大热点。 我国对太阳能电池的研究始于1958年。我国于1971年发射的东方红二号卫星上首次上用成功地利用了太阳能电池，在80年代以前我国的光伏工业尚处于雏形。在“六五”，和“七五”期间，光伏

10、工业和光伏整个市场开始得到国家的支持，使太阳能电池工业得到了一定的发展，在许多专业领域得到应用。原国家计委于2002年启动的“西部省区无电乡通电计划”大大提振了工业我国光伏工业的发展，太阳能电池应用也取得了一些进展。我国实施了很多重大建设项目光伏项目投资，这些项目对我国光伏市场和光伏产业发展的发展了起到都积极地推动作用。这些项目包括：中国政府的“光明工程”先导项目，中国和新西兰合作的“CIDA太阳能乡镇企业通电项目”，国家计委的光明工程，西藏阿罩光电计划等。 在2010年系统内以前我国太阳能电池典型应用于独立光伏发电系统，2011年到2021年问我国光伏发电市场将由独立发电系统转向并网发电系统

11、，包括沙漠电站和建筑屋面发电系统。随着我国综合国力的增强和光伏的蓬勃发展，我国将会大规模建设项目大型太阳能热电站和太阳能光电站，届时太阳能光伏发电将会成为我国的主要能源来源之一。1 1.2 课题深入研究内容及意义 本课题的管理系统内容是设计太阳能电池测试系统的数据采集部分，所产业发展的工作如下： 1 (1) 有效的采集太阳能电池有效的阻抗、电压、波形和温度等参量，使数据的采集过程可以在很短的时间内完成，避免了温度和外界影响光强变化对测试数据的干扰。 (2) 对采集到的数据利用单片机的串口通信技术，顺利实现数据采集电路和PC 机的通信。 (3) 用PC 机对数据采集电路采集分析方法到的数据进行分

12、析处理，得出太阳能电池的伏安特性曲线和相关性能参数，从而对被测太阳能电池展开分析评判。 在太阳能发电技术中太阳能电池起着关键和核心的作用，太阳能电池的开路电压、短路电流、最大功率、转换效率等性能参数对其商业化应用有重要影响。因此，判断的测试及太阳能电池分选是太阳能电池生产过程中的重要环节。测试是在给定光强下让，测出太阳能电池控制器的伏安特性曲线，并由测得的电流、电压、温度、光强等数据计算出太阳能电池组件的开路电压、短路电流、最大输出功率、转换效率等参数，并据此进行分类评判。在中其测试过程中应当对太阳能电池组件在给定光强下的各种数据进行采集，要准确而高效地完成太阳能电池数据的采集，必须用到太阳能

13、电池测试系统。 2 太阳能电池数据采集原理 2.1 太阳能电池的工作原理 太阳能电池的制作材料多种多样，有硅、硒、砷化镓、硫化镉等，但目前在全球占据典型主导地位的主要是硅材料太阳能电池，因此本文中主要以硅材料太阳能电池论争为代表来争论太阳能电池的工作原理。结构中晶体硅太阳能电池的结构中如图1所示: 图1 晶体硅太阳能电池结构 晶体硅太阳能电池是用硅材料制成pn 结进行工作的，一般是以p 型硅半导体材料作为基质材料，在p 型硅表面扩散出一层很薄的经过重掺杂的n 型层，然后在n 型层上面制作金属栅线，作为上面接触电极，在创作整个背面制作作为背面接触电极的金属膜，太阳能电池的表面一般会做绒面处理或覆

14、盖减反射膜以减少光的反射损失。当太阳能电池表面的pn 结受到太阳光的照射时，如果入射光子的能量高于硅材料的禁带宽度，则在n 区、p 区和结区中会因光子电声被吸收而产生电子空穴对，在结附近的n 区中的少数载流子会因为存在浓度梯度而扩散。如果少数载流子离pn 结的距离小于它的外溢 2 3 4 2.3 太阳能电池的测试方法 太阳能电池的伏安特性受光照强度和电池温度的影响，因此规定太阳辐射光谱为AMl.5，日照强度为1000W/m2。太阳能电池温度为25时为地面测试太阳能电池性能的标准条件。 太阳能电池分析评判的依据是太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数，就是要测出太阳能电池在标准日照强度S 和标准温度

15、T 条件下，太阳能电池所带负载从零变化到无穷大时太阳能电池的输出和输出电流的值，根据输出电压和输出电流的作出太阳能电池的I-V 特性曲线，并根据测得的数据计算出太阳能电池的性能参数，根据得出的I-V 特性曲线和经济性性能参数来评判太阳能电池的性能。为了尽可能降低光强和温度变化对测试带来的影响，必须保证太阳能电池的测试是在极短时间内完成的。5 3 太阳能电池元件数据采集部分硬件电子元件 3.1数据采集个别硬件电路 在太阳能电池测试系统中会，数据采集部分主要是体来太阳能电池外接负载在从零变化到无穷大对中太阳能电池的输出电压和输出电流、太阳能电池温度和光照强度进行采集。 在测试系统的工作过程中所，调

16、节太阳能电池的负载电阻从零变化到无穷大，并在负载电阻每增加一个固定阻值时，采集此时负载电阻两端的电压和通过负载电阻的电流，负载电阻为零时采集到的电流即为短路电流；负载电阻为无穷大时采集到的电即为开路电压。根据保险丝太阳能电池的短路电流与光照强度成正比关系的原理来间接测得太阳能电池的光照强度。采集数字温度传感器DS18B20，可以直接把现场采集到的温度信号转换成二进制数据，无需外加A/D转换器。 本设计的数据采集系统模块化核心采集太阳能电池的电压、电流、测试光强、电池温度四种数据。其中电压、电流、测试光强需要经过A/D转换单元，实现由模拟信号到数字信号的转换，而温度信号的采集采用数字温度传感器，

17、可以直接输出二进制信息。转换成二进制的电位、电流、光强和温度数据通过串口与PC 机进行通信，在PC 机中进行数据作出的处理和处理后结果的显示。整个核心内容数据采集部分以单片机力控制核心，通过单片机实现数据采集单元、A/D转换单元和串口通信单元之间的协调工作。数据采集部分的电路原理图如图4所示: 5 图4 数据采集极少量电路图 6 7 图6 固态继电器放大器连接 8 3.4 气压信号采集单元 本设计中太阳能电池温度传感器信号采集是才用单总线数字温度DS18B20，由于被测温度直接采用数字形式输出，因此无需外加A/D转换器。如图7所示： 图7 温度测量电路 在使用DS18B20时，经常采用单片机实

18、现数据采集，在实际连接电路时往往将DS18B20的信号线与单片机的一位I/O口线相连，图7中将DS18B20的DQ 端连接到单片机的Pl.3口。DS18B20与单片机有2种连接方式，第三种是采用寄生电源供电，另某种是采用外部电源供电，本设计采用的是外部电源供电，DS18B20的DQ 后端直接接单片机的Pl.3口，并接4.7千欧的上拉电阻，VDD 接+5v电压，GND 接地。 3.5 光强信号采集单元 太阳能电池的短路电流受到温度、光照等环境因素的影响，稍低但是在太阳能电池英亩较小的情况下，可以认为太阳能电池的短路电流只与光照强度有关，并且它们之间成正比例关系，而不尽然其他环境因素的影响影响。

19、本设计中根据这一原理，在测量太阳能电池的光照强度时，采用一块几块小面积的太阳能电池作为光照强度传感器，在太阳能电池正负极之间接入阻值不大的很小电阻。此时，可以认为太阳能电池看来处于短路状态，精确测量测量太阳能电池两端的电压，从而计算出此时太阳能电池的短路电流，根据太阳能电池的短路电流与日照强度成正比例的原理，间接得到光照强度的数值，测量示意图如图8所示： 图8 日光电路采集电路 9 3.6 步进电机单元 步进电动机不能技术交流直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生压制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。 本设计选用的是两相混合式电机和细分型高性能步进电

20、机驱动器，步进电机系统由单片机、步进电机驱动器、步进电机和负载电阻组成，单片机通过步进电机驱动器控制步进电机来带动负载电阻，使负载电阻按预定变化的指示变化，并在变化的电路过程中进行电压和电流的采集。步进电机系统电路连接如图9所示： 图9步进电机系统电路连接 在图9中，步进电机驱动器的PUL ，DIR ，ENA 三个端子与单片机的三个I/O引脚连接，这在前面已有介绍，这里不再重复。驱动器的A+，A-，B+，B-四个端子分别接步进电机的红、绿、黄、蓝四条引线。由于本设计采用的是两相混合式步进电机，步进电机的步距角为1.8度，则步进电机转一圈需要200个脉冲信号，作为负载电阻的多圈电位器一圈的阻值是

21、10欧姆，如果希望使步进电机的步距小腿脚更调皮，可以通过操作步进电机驱动器的拨码开关DIP-SW 来实现。 3.7 电源电路单元 在一个单片机实用系统设计中，电池设计是相当重要的，此单元设计是否合理，数字化直接决定管理系统能否稳定的运行。长期以来，单片机系统使用的集成电路器件大多数都在5V 电源工作。在此次设计中，我们采用的电源通过市电电网的交流电经变压，整流，滤波，稳压后得到子系统所需的+5V直流电源。因此，此系统的电源包括变压电路，整流电路， 10 滤波电路，稳压电路。 滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波

22、。电容器C 对直流开路，对交流阻抗小，所以C 应该电阻器在负载两端。电感器L 对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。8 13 在使用三端稳压器时应注意稳压防止产生自激振荡。三端稳压器内部电路放大级数多，开环增益高，工作耗散于闭环深度负反馈状态，需要采用适当的补偿移相代偿配套措施，防止释放出高频寄生振荡。电容C1,C2就是为了防止自激振荡而加的防振电容。 为改善纹波电压和抑制输入瞬时过电压，输入端加入的C1一般取值0.33uF, 同时输出端接C2用以提升负载瞬

23、态响应，容量取0.1uF. 为了减小提高纹波电压与提高输出准确度电压的稳定度，分别在输入输出端加大的电解电容。这样一旦输入端出现明显短路，集成稳压器内部电路中的功率调整管可以及时泄放。电源电路如图10所示: 图10 +5V直流稳压电源电路图 3.8 串口通信单元 本文设计的太阳能电池数据采集系统采用的是上位机一下位机的工作方式， 由于PC 机的分析能力很强、处理速度很快，而单片机使用起来灵活方便，因此 本文采用PC 机作为上位机，单片机作为下位机内，两者之间通过RS-232串口进 行采集信息的发送、接收和控制指令的加密。因此，本文中的串口通信指的是 单片机和PC 本机之间的数据传输，这种数据传

24、输是由单片机的串口和PC 机的串 口共同完成的，MAX232芯片用于实现电平转换。 4程序设计太阳能电池数据采集这部分软件设计 4.1 系统主程序软件设计 由于温度信号和光强信号的采集，用时也较少，因此，刘凯首先采集的是 11 12 13 ADDI=1; 输入启动位 _nop_(); _nop_(); ADCLK=1; 第一个上升沿 _nop_(); _nop_(); ADCLK=0; ADDI=0; _nop_(); ADDI=1; 选择单通道输入 _nop_(); _nop_(); ADCLK=1; 第二个上升沿 _nop_(); ADCLK=0; _nop_(); ADDI=0； 选择C

25、H0，若ADDI=1则选择CH1 _nop_(); _nop_(); ADCLK=1; 第三个上升沿 _nop_(); _nop_(); ADCLK=0:L ADDI=1; _nop_(); _nop_(); 4.4 太阳能电池产品设计数据显示部分设计及结果 本文的太阳能电池数据采集系统由以单片机为控制核心的数据采集部分和以VC+6.0和MATLAB 为主要演算工具的PC 机数据处理及显示部分组成。 在前面完成了太阳能电池数据采集完成少部分软硬件的设计内容，数据采集部分通过单片机的串口与PC 机进行通信。本节我们在PC 机中采用VC+6.0作为开发工具，编制PC 机中的监控显示界面，采集到的数

26、据用MATLAB 程序进行处理，处理完后的结果再返 14 回监控界面中显示。PC 机中对采集到的太阳能电池数据需要进行分析处理，采用这种方式可以充分利用MATLAB 编程的优良特性和C+的高执行效率，可以开发出具备强大的统计分析处理能力，具有良好的用户界面，满足用户要求的高性能应用软件。 本文根据前面介绍的太阳能电池数据采集系统的设计原理，搭建了一个理论基于本文设计原理的试验电路，并用该试验机电路对3块串联串联的太阳能电池进行测试，得到的伏安特性曲线和性能参数如图13与图14所示： 图13 太阳能电池伏安特性双曲线 图14 开普勒测试性能结果 由图13可以看出，本课题设计的太阳能电池数据采集系

27、统件对太阳能电池项目组能够进行测试，测试的结果可以由监控界面来表达。从监控显示界面的运行情况可以应用程序看出，被测太阳能电池的I-V 特性曲线可以以图形方式直观地图像显示出来，而太阳能电池的相关性能参数也能够以数值形式清楚地展现给测试人员。 但同时从图14可以看出，本文搭建的试验线圈测得的I-V 特性曲线光滑度不够，有些点的波纹很大，这是由于电路中存在着一些噪声和干扰，而我们的试验电路的滤波处理有所欠缺，但是图中I-V 曲线的总体变化趋势符合太阳能电池的性质。图15给出的是本文试验中所测的电池小组件在武汉珈伟太阳能有限公司测得的I-V 特 15 性曲线和性能参数，与之比较可知，本文设计的测试系

28、统得到的大部分性能参数误差在 5.96以内，而部分参数（如串联电阻、工作电压等）误差偏大，误差科学实验的来源主要是由于本文试验电路的AD 转换器的分辨率较低，对v=0附近的值采样精度较差。 结束语 本设计根据目前太阳能电池研究和工程应用的实际需要，以半导体物理学和太阳能电池的相关理论为基础，根据电子电路和单片机电磁场的相关知识，设计的基于单片机的太阳能电池数据采集系统，系统主要分为数据采集和数据处理及结果显示两大部分。 在数据采集部分的硬件电路中，选用步进电机和多圈电位器来实现太阳能电池外接负载的自动变化，避免出现了电子负载的使用。采集到的电压、电流、光强和温度信号通过作为中介的单片机传输到P

29、C 机中，在PC 机中成功进行数据的后处理。在硬件电路设计完成后才，还用C 语言编写了与硬件电路相配合的软件程序。 在原理介绍完成后才，还搭建了有关的试验电路，并利用试验电路对三块串联的太阳能电池进行测试。测试方法得到的结果表明，被测太阳能电池的I-V 特性曲线可以以图形形式直观的显示出来，而也的九个性能参数电池能够以数值形式清楚的展现给测试人员，并且测试得到的I-V 特性曲线的变化趋势符合太阳能电池的固有性质。支离破碎界面直观明了，较为完整的表述了被测太阳能电池相关信息，测试人员能够据测试得到的结果测试表明对太阳能电进行一些分析评判，系统的整体而言性能基本满足了太阳能电池的测试要求。 16

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