基于AD574的太阳能电池监测系统

半导体

　　太阳能电池

　　太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，缩写为PV），简称光伏。
　　太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的薄膜电池实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。
　　AD574

　　AD574是美国核拟器件公司Analog Devices）生产的12 位逐次逼近型快速A/D 转换器。其转换35us，转换误差为土0.05%，是前我国应用广泛，价格适中的A/D转换器。其内部含三态电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，便能与CMOS 及TTL 电平兼容。内部配置的高精度参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能实现A/D转换功能，应用非常方便。
　　基于 AD574 的太阳能电池监测系统

　　1设计方案
　　监测系统主要由信号采集、信号处理和单片机处理 3 部分组成（如图 1）。太阳能电池监测系统需要监测的信号通过信号采集部分的电压传感器、电流传感器和温度传感器进行采集，得到的各类信号经过信号调理和 AD 转换后送入单片机进行处理，在单片机中完成数据的收集、传输和数据处理工作，并在接收到 PC 机发送来的查询指令后将监测数据发送至 PC 机进行存储、分析和显示。
　　2 监测系统构成
　　2. 1 信号采集太阳能电池需要监测的信号主要有各电池阵列的电压值、电流值和温度值，信号的采集主要由各种传感器实现。

　　2. 1. 1 电流检测电流检测主要用于检测太阳能电池阵列的输出电流。设计时选用北京 SENSOR 公司的闭环霍尔电流变送器，线性度可达 0. 1% ，原边电流与副边输出信号高度隔离，基于闭环霍尔磁补偿原理［2］，如图 2 所示，被测电流 Ip 流过导体产生的磁场，由霍尔元件输出信号控制的补偿电流 Is 流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流 Is 即可精确反映原边电流值。 Is 通过采样电阻 R 后即可将电流转换成电压信号，送至后级信号调理电路，从而完成电流的采集。

　　2. 1. 2 电压检测电压检测主要用于检测太阳能电池阵列的输出电压。选用北京 SENSOR 公司的磁补偿式霍尔电压变送器实现对电压的采集。变送器采用大功率的采样电阻将大电压信号转化为电流信号，再利用磁补偿原理将信号转化为成比例标准电流信号输出。霍尔传感器具有精度高、线性度好、响应快、功耗低等优点，能很好的满足检测要求。
　　2. 1. 3 温度检测选用 MAXIM 公司生产的数字式温度传感器 DS18B20 测量环境温度，DS18B20 采用独特的一线接口，只需要一条口线通信就可完成多点通信，可以简化分布式温度检测的需要，测量温度范围为－ 55°C 至 + 125℃，精度为 ± 0. 5°C［3］。可选用 9 ～ 12 的分辨率，程序中选用 10 位分辨率，对应的可分辨温度为 0. 25°C，即可达到设计要求，此时最大转换时间小于 187. 5 ms，可快速实现温度的测量。其中温度分辨率的设置是通过写入 4EH 命令，随后写入的第 3 个字节的数据的第 6 位和第 5 位配置为 01 来实现的。通过发送 44H 命令可启动温度转换，从而让 DS18B20 进行温度的检测，转换完成后的温度会存放在寄存器中，发送 BEH 命令，可读取转换后的温度数据，温度数据不能直接使用，需要进行计算，读取到的温度数据的格式如下：

　　S 为符号位，0 时表示正，1 时表示负，符号位、高8 位数据的低3 位和低8 位数据的高5 位合在一起组成所需的 10 位温度数据，在程序中通过计算得到所需的温度值。
　　2. 2 信号处理信号处理主要由信号调理电路和 AD 转换器组成，信号调理电路用于将霍尔电压/电流变送器的信号转换成适合于 AD 转换器的输入信号，AD 转换器用于将电压信号和电流信号转换成数字量以供单片机使用。
　　2. 2. 1 信号调理信号调理电路的主要功能是把经变送器输出的信号转换成 0 － 5V 的电压信号输出，供 AD 转换模块使用。由于电压变送器输出的电压已经满足要求，电压信号 U1经过 RC 滤波和跟随电路调理即可得到满足要求的 Voltage1，将其经多路开关后送 AD 转换，如图 3 所示。电流信号的调理电路与电压信号的调理电路相似，只是电流变送器的输出电流经过采样电阻后，再经 RC 滤波和跟随电路即可达到要求。

　　2. 2. 2 AD574 实现 AD 转换太阳能电池输出电压、电流经过信号调理电路后送到 AD574 转换模块，转换结果经过软件滤波处理后保存。同时可通过串口将数据打包后发送给上位机。AD574 是美国模拟数字公司（ Analog）推出的单片高速 12 位逐次比较型 A/D 转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容元件即可构成一个完整的 A/D 转换器［4］。由于 AD574 本身是单路工作，只允许一个模拟信号输入端接入信号，内部不带多路开关，为了采集多路信号，并考虑到系统未来扩展的需要，选用 16 通道的 AD7506 与 AD574 相连，可实现 16 路信号的采样。
　　根据太阳能电池输出电压和电流的特性，AD574 连接成单极性输出方式。根据 AD574 的时序图，如图 4 所示。当 CE = 1，CS = 0，R /C － = 0 时可以启动 AD 转换，在数据转换阶段，STS 信号保持为高电平，转换长度由 A0 控制，选择 A0 = 0 即可实现 12 位的 AD 转换; 当转换完成后 STS 信号变为低电平，进入数据读取阶段，此时，CE = 1，CS = 0，R /C － = 1，12 /8 －接低电平，12 位数据分两次输出，当 A0 = 0 时从 DB11 － DB4 上输出高 8 位，当 A0 = 1 时从 DB3 － DB0 上输出低 4 位。AD574 内部自带温度补偿的基准源，因此在使用中无需额外接基准源。
　　2. 3 单片机处理
　　单片机完成对所有部件的控制，从而完成数据的收集、传输和处理，核心电路如图 5 所示。通过对 AD574 的控制完成电压和电流数据的收集，得到的数据经过滤波算法处理后进行存储，温度数据则可以直接从温度检测电路中读取，当收到来自串口的查询命令时，单片机将太阳能电池的运行参数及环境温度数据源源不断地发送给 PC 端的监测软件，从而完成整个监测过程。
　　单片机与 AD574A 通过三态锁存器 74LS373 和 74LS00 与非门电路进行接口。通过总线发送的地址信号可以启动 AD 转换，AD574 的启动地址为 7FFCH; 当 AD 转换完成后，STS 端会从高电平变为低电平，从而在单片机的中断输入引脚 INT0 上产生中断申请信号，单片机收到该信号后，读取 AD 转换的输出值，由于单片机是 8 位的数据线，因此，AD 转换器输出的 12 位数据需分两次读入单片机，先通过读取地址 7FFEH 实现高 8 位数据的读取，然后再通过地址 7FFFH 实现低 4 位数据的读取，在单片机将数据合成为 12 位的最终结果。

　　2. 4 单片机数据采集程序基于单片机的数据采集系统完成对太阳能电池现场运行数据的采集，采集到的数据经过数据整合后通过单片机的串口将数据实时发送至上位机，上位机的监测管理软件将收到的数据存入数据库。工作流程如图 6 所示。
　　系统初始化完成对定时器、中断、串口等的初始化，系统自检完成对温度传感器、串口、等外围设备的检测，温度采集子程序完成对现场温度的采集，电压采集、电流采集通过控制 AD574 和 AD7506 完成对太阳能电池现场电压和电流的采集，中断服务程序用于对 AD 转换后的数据进行读取，发送数据子程序通过串口将数据发送至上位机。
　　最后，运行于 PC 机端的监测软件通过串口与单片机进行通讯，向单片机发送查询指令，从而可获得太阳能电池的现场运行数据，并将其存储在数据库中，对数据进行显示，并通过历史数据分析得出太阳能电池阵列的运行情况，当有异常时给出报警信息，从而保证整个太阳能电池阵列的正常运行。

　　3 结论针对西部偏远地区太阳能电池缺乏有效监测设备的实际情况，设计了一种基于 AD574 和单片机的太阳能电池监测系统。系统采用模块化设计，主要包括信号采集、信号处理、单片机处理和 PC 监测 4 部分，系统能够完成太阳能电池运行分析所需主要参数的采集、计算、显示和存储工作，能满足对太阳能电池实时运行情况进行监测的要求，实时掌握太阳能电池运行情况，使太阳能电池得到及时的维护，从而可以提高太阳能发电系统的整体性能。该方案对提高太阳能电池运行性能有一定的参考价值。

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