基于AD574的太陽能電池監(jiān)測系統(tǒng)

　　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(fā)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(chǎn)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Analog Devices） 生產(chǎn)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(nèi)部含三態(tài)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(nèi)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(xiàn)A/D轉換功能，應用非常方便。

　　基于 AD574 的太陽能電池監(jiān)測系統(tǒng)

　　1設計方案

　　監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)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(jīng)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(shù)據(jù)的收集、傳輸和數(shù)據(jù)處理工作，并在接收到 PC 機發(fā)送來的查詢指令后將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至 PC 機進行存儲、分析和顯示。

　　2 監(jiān)測系統(tǒng)構成

　　2. 1 信號采集 太陽能電池需要監(jiān)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(xiàn)。

　　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(huán)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(huán)霍爾磁補償原理［2］，如圖 2 所示，被測電流 Ip 流過導體產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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?；魻杺鞲衅骶哂芯雀?、線性度好、響應快、功耗低等優(yōu)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(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 測量環(huán)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 － 55°C 至 + 125℃，精度為 ± 0. 5°C［3］?？蛇x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. 25°C，即可達到設計要求，此時最大轉換時間小于 187. 5 ms，可快速實現(xiàn)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(jié)的數(shù)據(jù)的第 6 位和第 5 位配置為 01 來實現(xiàn)的。通過發(fā)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(fā)送 BEH 命令，可讀取轉換后的溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)不能直接使用，需要進行計算，讀取到的溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的低3 位和低8 位數(shù)據(jù)的高5 位合在一起組成所需的 10 位溫度數(shù)據(jù)，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(shù)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(jīng)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(jīng)滿足要求，電壓信號 U1經(jīng)過 RC 濾波和跟隨電路調理即可得到滿足要求的 Voltage1，將其經(jīng)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(jīng)過采樣電阻后，再經(jīng) RC 濾波和跟隨電路即可達到要求。

　　2. 2. 2 AD574 實現(xiàn) AD 轉換 太陽能電池輸出電壓、電流經(jīng)過信號調理電路后送到 AD574 轉換模塊，轉換結果經(jīng)過軟件濾波處理后保存。同時可通過串口將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給上位機。AD574 是美國模擬數(shù)字公司（ Analog） 推出的單片高速 12 位逐次比較型 A/D 轉換器，內(nèi)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(nèi)部不帶多路開關，為了采集多路信號，并考慮到系統(tǒng)未來擴展的需要，選用 16 通道的 AD7506 與 AD574 相連，可實現(xiàn) 16 路信號的采樣。

　　根據(jù)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(jù) 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(shù)據(jù)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(xiàn) 12 位的 AD 轉換; 當轉換完成后 STS 信號變?yōu)榈碗娖?，進入數(shù)據(jù)讀取階段，此時，CE = 1，CS = 0，R /C － = 1，12 /8 －接低電平，12 位數(shù)據(jù)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(nèi)部自帶溫度補償?shù)幕鶞试?，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的收集，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波算法處理后進行存儲，溫度數(shù)據(jù)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(shù)及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)源源不斷地發(fā)送給 PC 端的監(jiān)測軟件，從而完成整個監(jiān)測過程。

　　單片機與 AD574A 通過三態(tài)鎖存器 74LS373 和 74LS00 與非門電路進行接口。通過總線發(fā)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?yōu)榈碗娖?，從而在單片機的中斷輸入引腳 INT0 上產(chǎn)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(shù)據(jù)線，因此，AD 轉換器輸出的 12 位數(shù)據(jù)需分兩次讀入單片機，先通過讀取地址 7FFEH 實現(xiàn)高 8 位數(shù)據(jù)的讀取，然后再通過地址 7FFFH 實現(xiàn)低 4 位數(shù)據(jù)的讀取，在單片機將數(shù)據(jù)合成為 12 位的最終結果。

　　2. 4 單片機數(shù)據(jù)采集程序 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對太陽能電池現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)整合后通過單片機的串口將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至上位機，上位機的監(jiān)測管理軟件將收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。工作流程如圖 6 所示。

　　系統(tǒng)初始化完成對定時器、中斷、串口等的初始化，系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)場電壓和電流的采集，中斷服務程序用于對 AD 轉換后的數(shù)據(jù)進行讀取，發(fā)送數(shù)據(jù)子程序通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。

　　最后，運行于 PC 機端的監(jiān)測軟件通過串口與單片機進行通訊，向單片機發(fā)送查詢指令，從而可獲得太陽能電池的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，并將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)進行顯示，并通過歷史數(shù)據(jù)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(qū)太陽能電池缺乏有效監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)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(jiān)測 4 部分，系統(tǒng)能夠完成太陽能電池運行分析所需主要參數(shù)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(jiān)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(fā)電系統(tǒng)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。