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(zhuǎn)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是美國核擬器件公司AnalogDevices）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%，是前我國應用廣泛，價格適中的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(zhuǎn)換功能，應用非常方便。

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(diào)理和AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電壓信號，送至后級信號調(diào)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(zhuǎn)化為電流信號，再利用磁補償原理將信號轉(zhuǎn)化為成比例標準電流信號輸出?；魻杺鞲衅骶哂芯雀摺⒕€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－55C至+125℃，精度為±0.5C［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0.25C，即可達到設計要求，此時最大轉(zhuǎn)換時間小于187.5ms，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(zhuǎn)換，從而讓DS18B20進行溫度的檢測，轉(zhuǎn)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(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(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換器組成，信號調(diào)理電路用于將霍爾電壓/電流變送器的信號轉(zhuǎn)換成適合于AD轉(zhuǎn)換器的輸入信號，AD轉(zhuǎn)換器用于將電壓信號和電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以供單片機使用。

2.2.1信號調(diào)理信號調(diào)理電路的主要功能是把經(jīng)變送器輸出的信號轉(zhuǎn)換成0－5V的電壓信號輸出，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U1經(jīng)過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)多路開關后送AD轉(zhuǎn)換，如圖3所示。電流信號的調(diào)理電路與電壓信號的調(diào)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。

2.2.2AD574實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換太陽能電池輸出電壓、電流經(jīng)過信號調(diào)理電路后送到AD574轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段，STS信號保持為高電平，轉(zhuǎn)換長度由A0控制，選擇A0=0即可實現(xiàn)12位的AD轉(zhuǎn)換;當轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，AD574的啟動地址為7FFCH;當AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的輸出值，由于單片機是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，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(jié)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(zhuǎn)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(jié)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。