太阳能电池数据采集毕业设计（外文翻译）.doc

1、摘 要当今世界面临着能源短缺与环境污染两大问题，以太阳能电池为核心元件的太阳能光伏发电技术是解决这两大问题的有效途径，在研究和工程应用中，人们需要用太阳能电池测试仪对太阳能电池进行测试获取数据，进而对太阳能电池进行分析评判。本文基于目前太阳能电池研究和工程应用的实际需要，设计了一款基于单片机的太阳能电池数据采集系统，系统主要包括数据采集和数据处理及结果显示两大部分。 本设计主要从以下几个方面来完成太阳能电池数据采集系统的分析和设计： 1)、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，主要包括温度信号采集单元、光强信号采集单元、电压及电流

2、信号采集单元、模数转换单元和串口通信单元等部分。2)、用单片机与硬件电路相配合的MPLAB IDE软件程序，控制硬件电路完成数据采集任务。 在系统开发完成后，还进行了相关的测试试验，得到了以图形和数值相结合的方式来描述太阳能电池特性的显示界面。试验结果表明，本文设计的数据采集系统操作简单，能够对特定的太阳能电池进行测试，测试的结果也能够以直观简洁的方式呈现给测试人员，为测试人员研究分析太阳能电池提供必要的依据，系统的整体性能基本达到了预期的要求，具有一定的实用价值。 关键词：太阳能电池;单片机;数据采集 Abstract Our world is exposed to energy short

3、age and environmental pollution problems，solar photovoltaic technology makes solar cells as its core components，this technology is all effective method to solve these two problems，in research and engineer application，people need to use solar cell test system to test solar cells.SO as to acquire need

4、ed data，and to make analysis and judgement to solar cells. Based on the scientific research and productions actual needs，we designed a solar cell test system based on pic MCU，this system primarily includes two sections，that is，data acquisition，and data processing and results displaying. This text co

5、mpletes the analysis and design about solar cell test system primarily in light of the following aspects： 1).According to the test principle of the solar cell and the related knowledge about electronic circuit，we have choosed suitable electronic components to design a hardware circuit，which can comp

6、lete the task of data acquisition，this hardware circuit includes data temperature acquisition unit，light intensity signal acquisition unit，voltage and current signal acquisition unit，analogue to digital conversion unit and serial communication unit，and so on. 2). Using pic mcu and the hardware circu

7、it MPLAB IDE combined software program, control hardware circuit complete data acquisition task After completing the data acquisition system，we made relevant test，and acquired a display interface describing solar cells characteristics in the form of graphical and numerical integration.The test resul

8、ts indicate that，the solar cell test system this topic has designed works conveniently，and can test specific solar cells，the test results Call be presented to the testers in visual form，providing necessary analysis basis to the testers，the overall performance of the system basicly reached intended t

9、arget，and the system possesses practical value. Key words：solar cell;pic MCU;data acquisition 目 录摘 要1ABSTRACT2第一章 绪 论51.1研究背景5 1.1.1能源与环境问题5 1.1.2太阳能的利用5 1.1.3太阳能光伏发电产业61.2本文研究的目的意义及主要研究工作7 1.2.1本文研究的目的和意义71.2.2本文所做的主要工作8第二章 太阳能电池的特性及测试原理92.1太阳能电池的分类92.2太阳能电池的工作原理及等效电路92.2.1太阳能电池的工作原理92.2.2太阳能电池的等效电

10、路102.3太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数112.3.1太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数112.3.2日照强度和电池温度对太阳能电池伏安特性的影响132.4太阳能电池的测试方法142.5本章小结14第三章 系统方案设计153.1方案一153.2方案二153.3 方案比较16第4章 硬件部分设计174.1 PIC16F877184.1.1 PICl6F877微处理器的核心特点184.1.2 PIC16F877 外围特点184.1.3输入输出端口简介194.2数据采集部分硬件电路设计214.2.1键盘设计234.2.2电压、电流信号采集单元设计244.2.3固态继电器电路设计254.2.4步

11、进电机系统设计264.2.5光强信号采集单元设计274.2.6温度信号采集单元设计274.2.7LCD显示模块设计304.2.8串口通信单元介绍31第五章 软件部分设计325.1主程序设计325.2中断服务子程序325.3 电压采集程序335.4电流采集程序345.5光强采集程序355.6温度采集程序365.7 LCD显示子程序375.8步进电机控制程序38第六章 总结40参考文献42英文原文44 英文翻译54致 谢60附 件61第一章 绪 论1.1研究背景 1.1.1能源与环境问题 能源是人类赖以生存的物质基础，是现代文明的重要保证，可靠.安全的能源供给和清洁.高效的能源利用是实现经济社会发

12、展的基本保证。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战略的重要组成部分。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着强劲的增长势头，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。从我国的能源状况来看，我国的煤炭资源比较丰富，而石油.天然气资源相对贫乏，从长远的角度来看，我国的能源供给会面临总量上的短缺，我国不可能像美国那样通过政治、经济和军事的力量获取全球的能源资源来解决我国的能源问题。因此，能源问题将成为制约我国经济和社会发展的瓶颈。同时，能源消费也产生了相当严重的环境问

13、题。石油.煤和天然气都是含碳量很高的能源，在使用过程中产生了大量的C02等温室气体。全球的能源消费所产生的C02等温室气体对全球气候构成了严重的威胁，目前已经成为国际社会关注的焦点。这些温室气体导致地球温度升高.冰川后退.海平面上升，全球性的洪涝、干旱、酷暑、严寒、风暴等自然灾害增多，对工农业生产造成了极为有害的影响。三大含碳能源在燃烧过程中还产生了数量极为巨大的有害气体SO2，这是导致酸雨灾害的主要原因。气候科学研究表明，我们的地球已经接近了“临界点，如果不能使目前的温室气体排放在今后几十年内大幅减少，那么，当前正在发生的气候变化将会造成极其严重的自然灾害。尽管IPCC在第4次评估报告中提出

14、，建议世界各国在2050年时将温室气体排放减至1990年的一半至85，但科学界仍然认为这个数据比较保守，因为气候变化的速度已超过了人们的预期。我国目前的能源消费结构和能源消费规模已经使环境不堪重负，能源消费性污染是我国重要的环境污染类型，能源生产和能源消费所引起的环境污染问题已经严重制约了我国的可持续发展，我国潜在的能源需求对环境也造成了巨大的压力。我国未来经济的发展面临着能源短缺.环境保护等一系列严重问题。1.1.2太阳能的利用 由于石油.煤.天然气等常规矿物燃料目前己面临供应不足和日益枯竭的局面，并且在它们的使用过程中产生了大量的温室气体和有毒气体，对环境造成了严重的污染，成为全球关注的问

15、题。世界各国都在积极采取措施，开发、利用风能、水能、太阳能、生物质能等可再生能源，已经取得了可喜的成就，为应对常规矿物能源的枯竭做了相应的准备。世界能源消费结构正在向着清洁、低碳或无碳的核能、天然气、风能和太阳能方向发展。 表1-1为能源专家对今后40-50年可再生能源的预测数据，表1-1中数据表明，到本世纪中叶，全球石油所剩无几，天然气储量急剧减少，核电和水电在消费结构中的比列都不超过10，太阳能、风能和生物质能将占能源消费结构的50。 表1-1全球能源消费结构(2050年) 单位：水电煤炭石油天然气核电太阳能.风能.生物质能其他520013105021.1.2.1太阳能的利用方式 在各种可

16、再生能源中，太阳能是最重要的能源，太阳每天投射到地面上的辐射能理论上可以满足全球每天的能源需求，因此大力开发利用太阳能是解决能源问题的有效途径。太阳能利用的主要形式有光热发电和光伏发电等。光热发电是利用太阳光的热效应，通过热动力装置来发电；光伏发电是利用太阳能电池实现光能与电能的相互转化，从而实现太阳能的利用。 太阳能利用方式中最重要.最具应用前景的技术就是太阳能光伏发电。太阳能光伏发电可以直接将太阳能转换为电能，是一种无需化石燃料.没有污染获取电能的高新技术，是发达国家研究太阳能利用的重点。 1.1.2.2我国太阳能的利用 煤是我国的主要能源，我国的煤消费量占能源总消费量的70以上，这种以煤

17、为主的能源消费结构造成我国能源系统效率低下、环境污染严重。因此，大力发展风能、太阳能等可再生能源，是改善我国的能源结构，解决我国能源问题的有效方法。中国超过三分之二的国土的年同照时间大于2200小时，年辐射总量平均大于5900MJ/平方米，资源极为丰富，有大力发展的可能性和必要性。 我国太阳能的利用主要集中于两大方面：一方面是太阳能光热利用，即用太阳能热水器等装置把太阳能转化成热能，中国是世界上最大的太阳能光热利用国家，光热也可用于发电，建设上规模的光热电站；另一方面是太阳能光电转换，即用太阳能电池把太阳能转化为电能。 1.1.3太阳能光伏发电产业 1.1.3.1世界太阳能光伏发电产业 随着化

18、石能源的减少以及使用化石能源对气候和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经济和社会可持续发展的重要战略。由于太阳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，世界各国纷纷投入人力物力研究开发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。 据欧洲联合研究中心.世界能源组织.欧洲光伏工业协会的预测，2020年世界光伏发电将占到全球总电力的1，到2040年光伏发电将占到全球发电量20的份额。照此推算，未来几十年，全球光伏产业的年均增长率将达到253

19、0。 世界各国尤其是发达国家政府都把太阳能发电视为朝阳产业，希望把这一产业作为实现本国可持续发展的重要措施，制定了一系列支持和促进本国光伏发电产业发展的政策，对世界光伏产业的发展起到了积极地推动作用，全球光伏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。 1.1.3.2中国太阳能光伏发电产业 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，光伏工业和光伏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，在许多领域得到应用。原国家计委于2002年启动的“西部省

20、区无电乡通电计划”大大刺激了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光伏项目，这些项目对我国光伏市场和光伏产业的发展都起到了积极地推动作用。这些项目包括：中国政府的“光明工程”先导项目，中国和加拿大合作的“CIDA太阳能农村通电项目”，国家计委的光明工程，西藏阿罩光电计划等。 在2010年以前我国太阳能电池主要应用于独立光伏发电系统，2011年到2020年间我国光伏发电市场将由独立发电系统转向并网发电系统，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产业的蓬勃发展，我国将会大规模建设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

21、主要能源来源之一。 1.2本文研究的目的.意义及主要研究工作 1.2.1本文研究的目的和意义 太阳能光伏发电技术对改变我国的能源消费结构，解决由于能源消费而引起的环境问题，实现我国的可持续发展都可以起到积极的作用，对我国建设资源节约型、环境友好型社会，实现社会主义现代化都具有重大意义。 在太阳能光伏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产业化应用有重要影响。因此，太阳能电池的测试及判断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，测出太阳能电池组件的伏安特性曲线，并由测得的电流、电压、温度、光强等数据计算出太阳能电

22、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。在测试过程中必须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，必须用到太阳能电池测试系统。本文设计了太阳能电池测试系统的数据采集部分，可以有效的采集太阳能电池的电流、电压、光强和温度等参量，数据的采集过程可以在很短的时问内完成，避免了温度和光强变化对测试数据的影响。对采集到的数据利用单片机的串口通信技术，实现数据采集电路和PC机的通信，用PC机对数据采集电路采集到的数据进行分析处理，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进行分析评判。 1.2.2本文

23、所做的主要工作 本文所做的主要工作简述如下： 1.通过查阅半导体物理和太阳能电池等相关的文献资料，了解太阳能电池的工作原理及其输出伏安特性，根据此伏安特性，结合电子电路相关知识，用适当的电子元器件设计了一种新颖的用于太阳能电池数据采集的硬件电路。 2.根据单片机原理等电子学知识和本课题所设计的硬件电路的具体情况，用目前流行的单片机语言，编写了实现本课题做需的数据采集和数据通信等功能的软件程序。 第二章 太阳能电池的特性及测试原理 2.1太阳能电池的分类 太阳能电池是一种能进行能量转化的光电元件，也称光伏电池或光电池。美国的Bell实验室于1954年研制成功第一块太阳能电池，但是效率太低，造价又

24、过于昂贵，因此没有多少商业价值。后来由于航天科技的逐步发展，太阳能电池所起的作用变得越来越重要，在太空飞行器中太阳能电池成为必不可少的重要元件，这也促进了太阳能电池的开发研究。由于许多新技术的采用，太阳能电池的效率有了很大提高，新南威尔士大学的科研人员MartinA.Green领导的研究小组，已经使单晶硅太阳电池转换效率高达24.7。 太阳能电池依据不同的标准，可以有不同的分类方法： 根据太阳能电池技术的成熟程度来划分，可以分成以下几个阶段：第1代太阳能电池，主要是晶体硅太阳能电池；第2代太阳能电池，主要是各种薄膜太阳能电池；第3代太阳能电池，主要是各种新概念太阳能电池。 根据太阳能电池使用的

25、基本材料来划分，可以分为硅太阳能电池、化合物太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和燃料敏化太阳能电池等几种。 根据太阳能电池的结构来划分，可以将太阳能电池分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两大类。 2.2太阳能电池的工作原理及等效电路 2.2.1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为代表来讨论太阳能电池的工作原理。 晶体硅太阳能电池的结构如图2-1所示，晶体硅太阳能电池是用硅材料制成大面积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

26、过重掺杂的n型层，然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极，在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被吸收而产生电子空穴对，在结附近的n区中产生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结的距离小于它的扩散长度，就会有扩散到结界面处的几率。在结区即P区与n区交界面的两侧存在一个被称为耗尽层的空间电荷区。在耗尽层内的正负电荷间会形成一个方向由n区指向P区的内建电场。 扩散到结界面处的少数载流子空穴

27、会被内建电场拉向P区，而扩散到结界面处的少数载流子电子会被内建电场拉向n区，结区内产生的电子一空穴对会被内建电场分别拉向n区和P区。在外电路处于开路状态的情况下，这些光生电子和空穴会积累在pn结附近，结果使P区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，在pn结上就会产生光生电动势。这一现象称为光生伏打效应，也称光伏效应，太阳能电池就是根据光伏效应工作的。 图2-1晶体硅太阳能电池结构2.2.2太阳能电池的等效电路 太阳能电池的基本结构是一个大面积的pn结，根据电子学理论，理想pn结的伏安特性可以表示为： (2-1) 在式(2-1)中，ID定义为pn结电流，I0定义为反向饱和电流，UD为pn结外加电压

28、，q=1.610-19c是电子电荷，VT=Kt/q定义为温度的电压当量，k=1.3810-23J/K定义为玻尔兹曼常数，T是绝对温度。 在没有光照的情况下，pn结处于平衡状态，没有电流流过pn结。当有太阳光照射到太阳能电池表面时，pn结的平衡状态会被破坏，将产生一个从n区流向P区的光生电流Iph，同时，存在一个从p区流向rl区，与光生电流方向相反的暗电流ID，我们把光生电流的方向定义为参考正方向，因此，可以得到理想pn结太阳能电池的伏安特性可以表示为： (2-2) 考虑到太阳能电池的材料.制造工艺等因素，硅片的内部阻抗和电极接触会引起串联电阻Rs，pn结内部的不完整性会引起并联电阻Rsh，pn

29、结还具有结电容Cj。 在一定的光强照射下，太阳能电池的光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可以看做恒流源，光电流中的一部分流经负载，在负载两端建立端电压，端电压反过来又正偏于pn结两端，产生一股暗电流，暗电流方向与光电流方向相反。 因此，太阳能电池的等效电路可以表述为图2-2所示(其中R。为负载电阻)： 图2-2 太阳能电池等效电路由于器件的瞬时响应特性与太阳能的转换无关，且瞬时响应时间与绝大多数光伏系统的时问常数相比微不足道，因此在实际的分析过程中结电容Cj可以忽略不计。电压、电流方向如图中所示，可以得出太阳能电池的I-V方程为： (2-3)对实际使用的太阳能电池而言，它们的参数各不相同，

30、因此，在方程中的参数应处理为集中参数。式中U为负载两端电压，Iph为光生电流，A的取值范围为l5，称为二极管因子，用于考虑电路中二极管的非理想pn结。 2.3太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 2.3.1太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数 2.3.1.1太阳能电池的伏安特性曲线 根据经典光伏理论，在一定的光强和温度下，太阳能电池的伏安特性曲线如图2-3所示：图2-3 太阳能电池的伏安特性曲线图中Voc。是太阳能电池的开路电压，Isc是太阳能电池的短路电流，Pm是太阳能电池的最大输出功率，Vm是最大功率点电压，Im是最大功率点电流。由图中可知，太阳能电池的伏安特性曲线是非线性的，该曲线受太阳能电

31、池自身的工艺参数，外界光照的强度和太阳能电池自身温度等因素的影响。 从太阳能电池的伏安特性曲线中可以看出太阳能电池既不是恒流源，也不是恒压源，不可能为负载提供任意大的功率。太阳能电池是一个非线性直流电源，输出电流在一定电压范围内相当恒定，最终在到达某个电压值之后，电流迅速下降至零。太阳能电池的输出电流在短路状态下不是无穷大，而是一个有限值。太阳能电池有一个最大输出功率点，工作在最大功率点上时利用效率才最高。太阳能电池的伏安特性曲线受太阳能电池自身的工艺参数.外界光照的强度和太阳能电池自身温度等因素的影响，不同的伏安特性曲线可以反映太阳能电池在不同环境条件下工作时的发电能力和最佳效率点。 2.3

32、.1.2太阳能电池的性能参数 对太阳能电池进行分类评判需要依据特定的性能参数，这些性能参数通常包括： 1.开路电压Voc：太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池两端开路时的输出电压值。 2.短路电流Isc：太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池输出端短路时的输出电流值。 3.最大输出功率Pm：太阳能电池的输出电压和电流随负载变化而变化，如果选择的负载值使输出电压和电流的乘积最大，这个乘积即为太阳能电池的最大输出功率Pm，此时的输出电压和电流分别称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用Vm和Im表示。 4.填充因子FF：填充因子是太阳能电池的一个重要参数，定义为太阳能电池的最大输出功率与开路电

33、压和短路电流乘积之比，表述为： (2-4)填充因子是评判太阳能电池输出特性的重要指标，能够反映太阳能电池质量的优劣程度，其值永远小于1，填充因子越大，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形。 5.转换效率：太阳能电池的转换效率表示的是外电路连接最佳负载时的最大能量转换效率，定义为太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。表述为： (2-5) 太阳能电池的光电转换效率是评判电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构.结特性.工作温度.材料性质.放射性粒子辐射损伤和环境变化等因素有关，其中与制造太阳能电池半导体材料的禁带宽度的大小的关系最为直接。 6.串联电阻Rs：串联电阻主要由半导体材料

34、的体电阻.半导体材料与电极的接触电阻.金属导体电阻和电极导体电阻等组成。串联电阻对填充因子有重要影响，串联电阻越小，填充因子越大，太阳能电池的V-I特性曲线越接近矩形，太阳能电池的转换效率越高；串联电阻越大，短路电流越小，开路电压不变，填充因子越小，转换效率越低。 7.并联电阻Rsh：并联电阻主要是由电池表面不清洁和半导体体内缺陷引起的，包括pn结的漏电阻和电池边缘的漏电阻等，并联电阻对太阳能电池的开路电压有很大的影响。 2.3.2日照强度和电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 太阳能电池的伏安特性曲线是对太阳能电池进行分类评判的基础。太阳能电池的伏安特性曲线与日照强度和电池温度有关，通常，地面

35、上同照强度的变化范围是0到1000W/m2，电池温度的变化范围是10到70。 2.3.2.1日照强度对太阳能电池伏安特性的影响 太阳能电池的温度实际上是受日照强度影响的。为了探讨日照强度对太阳能电池伏安特性的影响，可以保持太阳能电池的温度和大气质量等条件不变而仅改变同照强度。如图2-4所示，开路电压随同照强度的变化很轻微，短路电流随日照强度的变化很明显。 图2-4 不同日照强度下太阳能电池的伏安特性曲线2.3.2.2电池温度对太阳能电池伏安特性的影响 保持日照强度等条件不变，短路电流随温度升高有轻微增加，开路电压随温度的升高而降低，与温度几乎成线性变化。 2.4太阳能电池的测试方法 太阳能电池

36、的伏安特性受日照强度和电池温度的影响，因此规定太阳辐射光谱为AM1.5，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测试条件。 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，对太阳能电池进行测试，就是要测出太阳能电池在标准日照强度S和标准温度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电压和输出电流的值，根据输出电压和输出电流的值作出太阳能电池的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

37、的测试是在极短时间内完成的。 2.5本章小结 本章主要介绍了太阳能电池依据不同标准而采用的几种不同分类方法：并以目前在市场中占主导地位的硅材料太阳能电池为例，讨论了太阳能电池的工作原理，结合相关的电子学理论知识和太阳能电池自身的特点，给出了太阳能电池的等效电路和伏安特性方程；最后简要阐述了太阳能电池的性能参数和测试方法。 第三章 系统方案设计3.1方案一系统的温度采集选用PTl000铂电阻温度传感器，PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100

38、欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。采集到的电压信号经集成运放LM324放大到2.O一5.0伏之间，转换结果由单片机处理。显示电路采用直接驱动四位七段数码管进行显示，通过查询方式键盘进行各项数据采集的控制，通过软件手段实现按键的消抖。方框图如图3-1所示。查询方式键盘电压、电流采集单元PT10016F877 PIC 单片机光强信号采集单元LED显示PT100温度采集器DS18B20串口通信图3-1 方案一方框图3.1方案二系统的温度采集选用采用温度传感器DS18B20，它是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20，它支持“一线总线”接口的温度传感器，全部

39、传感元件及转化电路集成在形如一只三极管的集成电路内。我们可以采用DS18B20采集温度，再进行温度数值转化，再在显示电路上显示。显示电路采用LCD进行显示，通过中断方式键盘进行各项数据采集的控制，当按下按键就可以跳入新的采集任务。通过软件手段实现按键的消抖。方框图如图3-2所示。中断方式键盘电压、电流采集单元PT10016F877 PIC 单片机光强信号采集单元LCD显示DS18B20温度采集8B20串口通信图3-2 方案二方框图3.3 方案比较从以上两种方案中，很容易看出采用方案二所设计的电路相对来说稍微复杂，但外围电路的复杂却大大简化了程序方面的编写。采用一种智能温度传感器DS18B20作

40、为检测元器件，测温范围-55125，分辨率最大可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值。采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。本设计要求显示每次采集任务的具体数值，从显示的内容，以及考虑到设计的可靠性，最后决定选择LCD显示最为合适。在键盘设计方面采用了中断方式，这样在任何时间的采样任务都可以得到响应，程序的逻辑性也更强。 综上所述，最终决定采用方案二作为设计方案。 第4章 硬件部分设计 在太阳能电池测试系统中，数据采集部分主要是对太阳能电池外接负载在从零变化到无穷大过程中太阳能电池的输出电压和输出电流.太阳能电池温度和只照强度进行采集，并和PC机

41、进行通信，将采集到的数据传到PC机，由PC机完成采集数据的分析处理。 根据太阳能电池测试原理及本文所选器件的特性，可以做出本文数据采集部分的总体结构如图4-1所示： 中断方式键盘电压、电流采集单元PT10016F877 PIC 单片机光强信号采集单元LCD显示DS18B20温度采集8B20串口通信图4-1数据采集部分总体结构本文设计的数据采集系统主要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，可以直接输出二进制数据；转换成二进制的电压、电流、光强和温度数据通过串口与P

42、C机进行通信，在PC机中进行数据的处理和处理后结果的显示；整个数据采集部分以单片机为控制核心，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。 在测试系统的工作过程中，调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压即为开路电压；根据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；温度数据的采集采用数字温度传感器DSl8B20，可以直接把现场采集到的温度信号转换成二进制数据，无需使用A/D转换器。4

43、.1 PIC16F877PICl6F877的工作频率范围为DC20MHz，内置POR(Power-on Reset)和BOR(Bmwn-out Reset)两种复位功能、上电延时定时器(Power-up Timer，PWRT)、振荡器起振定时器(Oscillator Start-upTimer，OST)，除了1个看门狗定时器之外，另外还有3个定时器及2个CCP模块，串行通信模式方面则支持MSSP和USART。这些都是P1C16F877的特点。4.1.1 PICl6F877微处理器的核心特点使用高性能的RISC CPU核心；只需要学习35个单字的指令即可；除了部分程序分支(Branch)的指令需

44、要2个指令周期外，所有的指令执行时间都只需要1个指令周期而已；操作时钟速度范围：DC到20MHZ的时钟输入，相当于DC到最短200ns的指令周期；程序存储器(Flash)最多可到8K的字(14位宽)，368的字节(8位)以及256字节的EEPROM数据存储器：引脚和PICl6C73/74/76/77完全兼容；支持中断处理(14个中断源)；8层的硬件堆栈(Hardware Stack)结构；有直接、间接及相对寻址三种模式；具有上电复位功能POR(Power-on Reset)；内置上电延时定时器PWT(Power-up Timer)与振荡器起振定OST(OscillatorStart-up Ti

45、mer)；内部的看门狗定时器WDT(Watchdog Timer )有自己的RC振荡器，提高动作的可靠度；提供可编程代码保护(Code Protection)功能；具有省电功能的休眠(SLEEP)模式；多种振荡时钟形式的选择；采用低功率、高速的CMOS Flash/EEPROM技术；完全静态设计(Full Static Design)；使用两个引脚来完成串行烧写的工作亦即支持ICSP（In-Circuit Serial Programming）功能：烧写时仅需5v的电源即可；两个引脚的ICD(In-Circuit Debug)接口功能；可对程序存储器进行读取或写入的动作；操作电源范围弹性大，由

46、2.0V到5.5V；引脚可吸入或提供电流高达25mA；商业用、工业用或范围更大的操作温度范围；低功率消耗，在5V/4MHz下，低于2mA；在3V/32kHz下，约为20uA；在一般待命状况下，电流小于luA。4.1.2 PIC16F877 外围特点T1mero：为8位的定时器/计数器(Timer/Counter)，其中包含了8位的预定标器(Prescaler)，实际上就是一个预分频器；Timerl：为16位的定时器/计数器，也包含了预分频器，在休眠模式下也可使用外部的时钟来递增计数；Timer2：为8位的定时器/计数器，包括了8位的周期寄存器、预分频器(Prescaler)与后分频器(Postscaler)；2个集捕捉、比较、脉宽调制3项功能于一身的CCP模块(Capture/Compare/PWM Module)；捕捉功能为16位，最大分辨率为12.5ns，比较功能也是16位，最大分辨率为200ns，PWM的最大分辨率为10位；10位多通道的模拟/数字转换器(A/D Converter)提供了同步串行口(Synchronous Serial Port，SSP)，包括了SPI主控模式，与I2C功能的主控和从动模式；通用同步异步接收发送系统Univensal Synchlonous Asynchronous ReceiverTransmitter，USART/SCI)，包含9位