基于AD574的太陽(yáng)能電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　太陽(yáng)能電池

　　太陽(yáng)能電池又稱為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)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(xué)上稱為太陽(yáng)能光伏（Photovoltaic，縮寫(xiě)為PV），簡(jiǎn)稱光伏。

　　太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的晶硅太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的薄膜電池實(shí)施太陽(yáng)能電池則還處于萌芽階段。

　　AD574

　　AD574是美國(guó)核擬器件公司Analog Devices） 生產(chǎn)的12 位逐次逼近型快速A/D 轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換35us，轉(zhuǎn)換誤差為土0.05%，是前我國(guó)應(yīng)用廣泛，價(jià)格適中的A/D轉(zhuǎn)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(wú)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(shí)鐘電路，使它不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。

　　基于 AD574 的太陽(yáng)能電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　1設(shè)計(jì)方案

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、信號(hào)處理和單片機(jī)處理 3 部分組成（ 如圖 1） 。太陽(yáng)能電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集部分的電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器進(jìn)行采集，得到的各類(lèi)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和 AD 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，在單片機(jī)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(jī)發(fā)送來(lái)的查詢指令后將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至 PC 機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和顯示。

　　2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

　　2. 1 信號(hào)采集 太陽(yáng)能電池需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)主要有各電池陣列的電壓值、電流值和溫度值，信號(hào)的采集主要由各種傳感器實(shí)現(xiàn)。

　　2. 1. 1 電流檢測(cè) 電流檢測(cè)主要用于檢測(cè)太陽(yáng)能電池陣列的輸出電流。設(shè)計(jì)時(shí)選用北京 SENSOR 公司的閉環(huán)霍爾電流變送器，線性度可達(dá) 0. 1% ，原邊電流與副邊輸出信號(hào)高度隔離，基于閉環(huán)霍爾磁補(bǔ)償原理［2］，如圖 2 所示，被測(cè)電流 Ip 流過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，由霍爾元件輸出信號(hào)控制的補(bǔ)償電流 Is 流過(guò)次級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償，當(dāng)原邊與副邊的磁場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí)，其補(bǔ)償電流 Is 即可精確反映原邊電流值。 Is 通過(guò)采樣電阻 R 后即可將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送至后級(jí)信號(hào)調(diào)理電路，從而完成電流的采集。

　　2. 1. 2 電壓檢測(cè) 電壓檢測(cè)主要用于檢測(cè)太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓。選用北京 SENSOR 公司的磁補(bǔ)償式霍爾電壓變送器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的采集。變送器采用大功率的采樣電阻將大電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，再利用磁補(bǔ)償原理將信號(hào)轉(zhuǎn)化為成比例標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出?；魻杺鞲衅骶哂芯雀?、線性度好、響應(yīng)快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能很好的滿足檢測(cè)要求。

　　2. 1. 3 溫度檢測(cè) 選用 MAXIM 公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 測(cè)量環(huán)境溫度，DS18B20 采用獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信就可完成多點(diǎn)通信，可以簡(jiǎn)化分布式溫度檢測(cè)的需要，測(cè)量溫度范圍為 － 55°C 至 + 125℃，精度為 ± 0. 5°C［3］。可選用 9 ～ 12 的分辨率，程序中選用 10 位分辨率，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度為 0. 25°C，即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，此時(shí)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 187. 5 ms，可快速實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。其中溫度分辨率的設(shè)置是通過(guò)寫(xiě)入 4EH 命令，隨后寫(xiě)入的第 3 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)的第 6 位和第 5 位配置為 01 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)發(fā)送 44H 命令可啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，從而讓 DS18B20 進(jìn)行溫度的檢測(cè)，轉(zhuǎn)換完成后的溫度會(huì)存放在寄存器中，發(fā)送 BEH 命令，可讀取轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)不能直接使用，需要進(jìn)行計(jì)算，讀取到的溫度數(shù)據(jù)的格式如下：

　　S 為符號(hào)位，0 時(shí)表示正，1 時(shí)表示負(fù)，符號(hào)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(guò)計(jì)算得到所需的溫度值。

　　2. 2 信號(hào)處理 信號(hào)處理主要由信號(hào)調(diào)理電路和 AD 轉(zhuǎn)換器組成，信號(hào)調(diào)理電路用于將霍爾電壓/電流變送器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于 AD 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)，AD 轉(zhuǎn)換器用于將電壓信號(hào)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以供單片機(jī)使用。

　　2. 2. 1 信號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理電路的主要功能是把經(jīng)變送器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成 0 － 5V 的電壓信號(hào)輸出，供 AD 轉(zhuǎn)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(hào) U1經(jīng)過(guò) RC 濾波和跟隨電路調(diào)理即可得到滿足要求的 Voltage1，將其經(jīng)多路開(kāi)關(guān)后送 AD 轉(zhuǎn)換，如圖 3 所示。電流信號(hào)的調(diào)理電路與電壓信號(hào)的調(diào)理電路相似，只是電流變送器的輸出電流經(jīng)過(guò)采樣電阻后，再經(jīng) RC 濾波和跟隨電路即可達(dá)到要求。

　　2. 2. 2 AD574 實(shí)現(xiàn) AD 轉(zhuǎn)換 太陽(yáng)能電池輸出電壓、電流經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后送到 AD574 轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過(guò)軟件濾波處理后保存。同時(shí)可通過(guò)串口將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給上位機(jī)。AD574 是美國(guó)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(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的 A/D 轉(zhuǎn)換器［4］。由于 AD574 本身是單路工作，只允許一個(gè)模擬信號(hào)輸入端接入信號(hào)，內(nèi)部不帶多路開(kāi)關(guān)，為了采集多路信號(hào)，并考慮到系統(tǒng)未來(lái)擴(kuò)展的需要，選用 16 通道的 AD7506 與 AD574 相連，可實(shí)現(xiàn) 16 路信號(hào)的采樣。

　　根據(jù)太陽(yáng)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(shí)序圖，如圖 4 所示。當(dāng) CE = 1，CS = 0，R /C － = 0 時(shí)可以啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段，STS 信號(hào)保持為高電平，轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度由 A0 控制，選擇 A0 = 0 即可實(shí)現(xiàn) 12 位的 AD 轉(zhuǎn)換; 當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后 STS 信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑M(jìn)入數(shù)據(jù)讀取階段，此時(shí)，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(dāng) A0 = 0 時(shí)從 DB11 － DB4 上輸出高 8 位，當(dāng) A0 = 1 時(shí)從 DB3 － DB0 上輸出低 4 位。AD574 內(nèi)部自帶溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)源，因此在使用中無(wú)需額外接基準(zhǔn)源。

　　2. 3 單片機(jī)處理

　　單片機(jī)完成對(duì)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(guò)對(duì) 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(guò)濾波算法處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，溫度數(shù)據(jù)則可以直接從溫度檢測(cè)電路中讀取，當(dāng)收到來(lái)自串口的查詢命令時(shí)，單片機(jī)將太陽(yáng)能電池的運(yùn)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(cè)軟件，從而完成整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程。

　　單片機(jī)與 AD574A 通過(guò)三態(tài)鎖存器 74LS373 和 74LS00 與非門(mén)電路進(jìn)行接口。通過(guò)總線發(fā)送的地址信號(hào)可以啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換，AD574 的啟動(dòng)地址為 7FFCH; 當(dāng) AD 轉(zhuǎn)換完成后，STS 端會(huì)從高電平變?yōu)榈碗娖?，從而在單片機(jī)的中斷輸入引腳 INT0 上產(chǎn)生中斷申請(qǐng)信號(hào)，單片機(jī)收到該信號(hào)后，讀取 AD 轉(zhuǎn)換的輸出值，由于單片機(jī)是 8 位的數(shù)據(jù)線，因此，AD 轉(zhuǎn)換器輸出的 12 位數(shù)據(jù)需分兩次讀入單片機(jī)，先通過(guò)讀取地址 7FFEH 實(shí)現(xiàn)高 8 位數(shù)據(jù)的讀取，然后再通過(guò)地址 7FFFH 實(shí)現(xiàn)低 4 位數(shù)據(jù)的讀取，在單片機(jī)將數(shù)據(jù)合成為 12 位的最終結(jié)果。

　　2. 4 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集程序 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對(duì)太陽(yáng)能電池現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整合后通過(guò)單片機(jī)的串口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)的監(jiān)測(cè)管理軟件將收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。工作流程如圖 6 所示。

　　系統(tǒng)初始化完成對(duì)定時(shí)器、中斷、串口等的初始化，系統(tǒng)自檢完成對(duì)溫度傳感器、串口、等外圍設(shè)備的檢測(cè)，溫度采集子程序完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度的采集，電壓采集、電流采集通過(guò)控制 AD574 和 AD7506 完成對(duì)太陽(yáng)能電池現(xiàn)場(chǎng)電壓和電流的采集，中斷服務(wù)程序用于對(duì) AD 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，發(fā)送數(shù)據(jù)子程序通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

　　最后，運(yùn)行于 PC 機(jī)端的監(jiān)測(cè)軟件通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，向單片機(jī)發(fā)送查詢指令，從而可獲得太陽(yáng)能電池的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析得出太陽(yáng)能電池陣列的運(yùn)行情況，當(dāng)有異常時(shí)給出報(bào)警信息，從而保證整個(gè)太陽(yáng)能電池陣列的正常運(yùn)行。

　　3 結(jié)論針對(duì)西部偏遠(yuǎn)地區(qū)太陽(yáng)能電池缺乏有效監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種基于 AD574 和單片機(jī)的太陽(yáng)能電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括信號(hào)采集、信號(hào)處理、單片機(jī)處理和 PC 監(jiān)測(cè) 4 部分，系統(tǒng)能夠完成太陽(yáng)能電池運(yùn)行分析所需主要參數(shù)的采集、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)工作，能滿足對(duì)太陽(yáng)能電池實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的要求，實(shí)時(shí)掌握太陽(yáng)能電池運(yùn)行情況，使太陽(yáng)能電池得到及時(shí)的維護(hù)，從而可以提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的整體性能。該方案對(duì)提高太陽(yáng)能電池運(yùn)行性能有一定的參考價(jià)值。