太陽能電池

太陽能電池又稱為太陽能芯片或光電池，是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產生電流。在物理學上稱為太陽能光伏（photovoltaic，縮寫為pV），簡稱光伏。

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的晶硅太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的薄膜電池實施太陽能電池則還處于萌芽階段。

AD574

AD574是美國核擬器件公司AnalogDevices）生產的12位逐次逼近型快速A/D轉換器。其轉換35us，轉換誤差為土0.05%，是前我國應用廣泛，價格適中的A/D轉換器。其內部含三態電路，可直接與各種微處理器連接，且無須附加邏輯接口電路，便能與CMOS及TTL電平兼容。內部配置的高精度參考電壓源和時鐘電路，使它不需要任何外部電路和時鐘信號，就能實現A/D轉換功能，應用非常方便。

基于AD574的太陽能電池監測系統

1設計方案

監測系統主要由信號采集、信號處理和單片機處理3部分組成（如圖1）。太陽能電池監測系統需要監測的信號通過信號采集部分的電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器進行采集，得到的各類信號經過信號調理和AD轉換后送入單片機進行處理，在單片機中完成數據的收集、傳輸和數據處理工作，并在接收到pC機發送來的查詢指令后將監測數據發送至pC機進行存儲、分析和顯示。

2監測系統構成

2.1信號采集太陽能電池需要監測的信號主要有各電池陣列的電壓值、電流值和溫度值，信號的采集主要由各種傳感器實現。

2.1.1電流檢測電流檢測主要用于檢測太陽能電池陣列的輸出電流。設計時選用北京SENSOR公司的閉環霍爾電流變送器，線性度可達0.1%，原邊電流與副邊輸出信號高度隔離，基于閉環霍爾磁補償原理［2］，如圖2所示，被測電流Ip流過導體產生的磁場，由霍爾元件輸出信號控制的補償電流Is流過次級線圈產生的磁場補償，當原邊與副邊的磁場達到平衡時，其補償電流Is即可精確反映原邊電流值。Is通過采樣電阻R后即可將電流轉換成電壓信號，送至后級信號調理電路，從而完成電流的采集。

2.1.2電壓檢測電壓檢測主要用于檢測太陽能電池陣列的輸出電壓。選用北京SENSOR公司的磁補償式霍爾電壓變送器實現對電壓的采集。變送器采用大功率的采樣電阻將大電壓信號轉化為電流信號，再利用磁補償原理將信號轉化為成比例標準電流信號輸出。霍爾傳感器具有精度高、線性度好、響應快、功耗低等優點，能很好的滿足檢測要求。

2.1.3溫度檢測選用MAXIM公司生產的數字式溫度傳感器DS18B20測量環境溫度，DS18B20采用獨特的一線接口，只需要一條口線通信就可完成多點通信，可以簡化分布式溫度檢測的需要，測量溫度范圍為－55C至+125℃，精度為±0.5C［3］。可選用9～12的分辨率，程序中選用10位分辨率，對應的可分辨溫度為0.25C，即可達到設計要求，此時最大轉換時間小于187.5ms，可快速實現溫度的測量。其中溫度分辨率的設置是通過寫入4EH命令，隨后寫入的第3個字節的數據的第6位和第5位配置為01來實現的。通過發送44H命令可啟動溫度轉換，從而讓DS18B20進行溫度的檢測，轉換完成后的溫度會存放在寄存器中，發送BEH命令，可讀取轉換后的溫度數據，溫度數據不能直接使用，需要進行計算，讀取到的溫度數據的格式如下：

S為符號位，0時表示正，1時表示負，符號位、高8位數據的低3位和低8位數據的高5位合在一起組成所需的10位溫度數據，在程序中通過計算得到所需的溫度值。

2.2信號處理信號處理主要由信號調理電路和AD轉換器組成，信號調理電路用于將霍爾電壓/電流變送器的信號轉換成適合于AD轉換器的輸入信號，AD轉換器用于將電壓信號和電流信號轉換成數字量以供單片機使用。

2.2.1信號調理信號調理電路的主要功能是把經變送器輸出的信號轉換成0－5V的電壓信號輸出，供AD轉換模塊使用。由于電壓變送器輸出的電壓已經滿足要求，電壓信號U1經過RC濾波和跟隨電路調理即可得到滿足要求的Voltage1，將其經多路開關后送AD轉換，如圖3所示。電流信號的調理電路與電壓信號的調理電路相似，只是電流變送器的輸出電流經過采樣電阻后，再經RC濾波和跟隨電路即可達到要求。

2.2.2AD574實現AD轉換太陽能電池輸出電壓、電流經過信號調理電路后送到AD574轉換模塊，轉換結果經過軟件濾波處理后保存。同時可通過串口將數據打包后發送給上位機。AD574是美國模擬數字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容元件即可構成一個完整的A/D轉換器［4］。由于AD574本身是單路工作，只允許一個模擬信號輸入端接入信號，內部不帶多路開關，為了采集多路信號，并考慮到系統未來擴展的需要，選用16通道的AD7506與AD574相連，可實現16路信號的采樣。

根據太陽能電池輸出電壓和電流的特性，AD574連接成單極性輸出方式。根據AD574的時序圖，如圖4所示。當CE=1，CS=0，R/C－=0時可以啟動AD轉換，在數據轉換階段，STS信號保持為高電平，轉換長度由A0控制，選擇A0=0即可實現12位的AD轉換;當轉換完成后STS信號變為低電平，進入數據讀取階段，此時，CE=1，CS=0，R/C－=1，12/8－接低電平，12位數據分兩次輸出，當A0=0時從DB11－DB4上輸出高8位，當A0=1時從DB3－DB0上輸出低4位。AD574內部自帶溫度補償的基準源，因此在使用中無需額外接基準源。

2.3單片機處理

單片機完成對所有部件的控制，從而完成數據的收集、傳輸和處理，核心電路如圖5所示。通過對AD574的控制完成電壓和電流數據的收集，得到的數據經過濾波算法處理后進行存儲，溫度數據則可以直接從溫度檢測電路中讀取，當收到來自串口的查詢命令時，單片機將太陽能電池的運行參數及環境溫度數據源源不斷地發送給pC端的監測軟件，從而完成整個監測過程。

單片機與AD574A通過三態鎖存器74LS373和74LS00與非門電路進行接口。通過總線發送的地址信號可以啟動AD轉換，AD574的啟動地址為7FFCH;當AD轉換完成后，STS端會從高電平變為低電平，從而在單片機的中斷輸入引腳INT0上產生中斷申請信號，單片機收到該信號后，讀取AD轉換的輸出值，由于單片機是8位的數據線，因此，AD轉換器輸出的12位數據需分兩次讀入單片機，先通過讀取地址7FFEH實現高8位數據的讀取，然后再通過地址7FFFH實現低4位數據的讀取，在單片機將數據合成為12位的最終結果。

2.4單片機數據采集程序基于單片機的數據采集系統完成對太陽能電池現場運行數據的采集，采集到的數據經過數據整合后通過單片機的串口將數據實時發送至上位機，上位機的監測管理軟件將收到的數據存入數據庫。工作流程如圖6所示。

系統初始化完成對定時器、中斷、串口等的初始化，系統自檢完成對溫度傳感器、串口、等外圍設備的檢測，溫度采集子程序完成對現場溫度的采集，電壓采集、電流采集通過控制AD574和AD7506完成對太陽能電池現場電壓和電流的采集，中斷服務程序用于對AD轉換后的數據進行讀取，發送數據子程序通過串口將數據發送至上位機。

最后，運行于pC機端的監測軟件通過串口與單片機進行通訊，向單片機發送查詢指令，從而可獲得太陽能電池的現場運行數據，并將其存儲在數據庫中，對數據進行顯示，并通過歷史數據分析得出太陽能電池陣列的運行情況，當有異常時給出報警信息，從而保證整個太陽能電池陣列的正常運行。

3結論針對西部偏遠地區太陽能電池缺乏有效監測設備的實際情況，設計了一種基于AD574和單片機的太陽能電池監測系統。系統采用模塊化設計，主要包括信號采集、信號處理、單片機處理和pC監測4部分，系統能夠完成太陽能電池運行分析所需主要參數的采集、計算、顯示和存儲工作，能滿足對太陽能電池實時運行情況進行監測的要求，實時掌握太陽能電池運行情況，使太陽能電池得到及時的維護，從而可以提高太陽能發電系統的整體性能。該方案對提高太陽能電池運行性能有一定的參考價值。

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