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編號： 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 光伏發(fā)電系統(tǒng) 監(jiān)控裝置設(shè)計 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名： 李東琪 學(xué) 號： 1200120314 指導(dǎo)教師： 羅 奕 職 稱： 高 工 題目類型：題目類型：理論研究 實驗研究 工程設(shè)計 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 2016 年 6 月 3 日 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 I 頁 摘摘 要要 近年來，在全球能源危機不斷加劇的情況下，世界上很多國家開始投入對新能 源的探索和發(fā)展，我國也緊隨其步伐，制定了相關(guān)的發(fā)展及推廣使用計劃，明確了 發(fā)展安全清潔高效的現(xiàn)代能源技術(shù)，推動新能源生產(chǎn)和消費革命。在太陽能光伏發(fā) 電的應(yīng)用領(lǐng)域，保證太陽能發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行是基礎(chǔ),也是提高太陽能轉(zhuǎn)換 率必需具備的條件，所以工作狀態(tài)監(jiān)控是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。 本文通過對目前太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展背景以及現(xiàn)狀的分析，結(jié)合相關(guān)理論知 識，對離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和分析，并結(jié)合智能電網(wǎng)的大主 題，設(shè)計了一套基于 STC89C52 單片機的智能化太陽能監(jiān)控裝置，其主要功能包括 了對光伏方陣工作溫度、工作電壓、工作電流以及環(huán)境光照強度的參數(shù)進(jìn)行采集， 并通過 RS-232 總線傳輸至 PC 端，供工作人員實時分析及控制，對于其中的溫度、 光強采集制作了硬件演示設(shè)備，實現(xiàn)了對參數(shù)的采集和顯示，同時通過上位機與下 位機之間的串口通信實現(xiàn)了人機互動。課題還針對太陽能的最大功率跟蹤、提高太 陽能轉(zhuǎn)換效率的解決辦法、溫度控制充電電壓等典型問題提出了可行性策略。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：太陽能；光伏；單片機；監(jiān)控， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 II 頁 Abstract In recent years, with the increasing acute global energy crisis, many countries begin to explore and develop the new energy investment in the world. China also follows the pace and make a lot of plans that are concerning develop and promote the new energy .Our country defines the development of safe, clean and efficient modern energy technologies, what is more, China should promote the new energy production and consumption of the revolution. In the field of solar energys application, to ensure the stability and reliability of the solar power system is the basis and it is also a condition of improving the conversion rate of solar energy. So the monitoring device is an important part of the solar photovoltaic power system. Through the analysis of the current status of solar power generation technology and the development background of solar power generation technology also combined with theory knowledge, this paper is carried out the whole analysis and design of off-grid photovoltaic systems composition structure, combined with the theme of the smart grid.I have designing a set of intelligent solar monitoring device based on STC89c52 single-chip microcomputer, the main features include the work of photovoltaic array s temperature, voltage, current and ambient light intensity parameters were collected and send it to the PC terminal through the RS-232 bus, the worker can timely to analysis and control for it.This project makes the temperature and light intensity collection hardware demonstration equipment, the demonstration equipment have parameter acquisition and displays functions and through serial port to communication between the PC and worker, realize the human-computer interaction. The topic also make the idears of solar energy maximum power tracking, the solution of the solar energy conversion efficiency and the temperature control of the charging voltage and so on. Key words: solar energy; photovoltaic; single-chip microcomputer; monitoring, 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 目錄 目目 錄錄 摘 要 I ABSTRACT . II 1 緒論 . 1 1.1 太陽能發(fā)電技術(shù) . 1 1.1.1 發(fā)展背景 . 1 1.1.2 技術(shù)原理及應(yīng)用 . 1 1.2 太陽能發(fā)電監(jiān)控裝置 2 1.3 本文主要研究內(nèi)容 3 2 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 4 2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理 4 2.2 電池單元 5 2.2.1 太陽能電池的分類 . 5 2.2.2 太陽能電池的工作原理 . 6 2.2.3 影響轉(zhuǎn)換率的因素 . 6 2.3 控制器單元 6 2.4 逆變器單元 7 2.4.1 逆變器的分類 . 7 2.4.2 離網(wǎng)型光伏逆變器 . 7 2.4.3 并網(wǎng)型光伏逆變器 . 8 2.4.4 光伏逆變器性能參數(shù) . 8 2.5 蓄電池儲能單元 9 2.5.1 光伏發(fā)電儲能裝置分析 . 9 2.5.2 溫度控制充電電壓策略 . 10 3 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 . 11 3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)分析 11 3.2 測溫裝置設(shè)計 11 3.2.1 方案論證 . 11 3.2.2 原理圖設(shè)計 . 12 3.3 電源電路設(shè)計 16 3.3.1 設(shè)計方案規(guī)劃 . 16 3.3.2 變壓設(shè)計 . 16 3.3.3 整流設(shè)計 . 17 3.3.4 濾波設(shè)計 . 18 3.3.5 穩(wěn)壓設(shè)計 . 19 3.4 直流電壓電流檢測電路設(shè)計 19 3.4.1 設(shè)計方案規(guī)劃 . 19 3.4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計 . 20 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 目錄 3.4.3 直流電流檢測設(shè)計 . 20 3.4.4 直流電壓檢測設(shè)計 22 3.5 最大功率點跟蹤電路設(shè)計 22 3.5.1 設(shè)計意義 . 22 3.5.2 設(shè)計方法分析 . 22 3.5.3 跟蹤電路設(shè)計 . 23 3.6 太陽光照強度測量電路設(shè)計 25 3.6.1 方案論證 . 25 3.6.2 設(shè)計原理圖 . 25 4 硬件制作及調(diào)試 . 26 4.1 硬件制作 26 4.2 硬件調(diào)試 26 5 軟件程序設(shè)計 . 28 5.1 上位機設(shè)計可行性分析 28 5.2 初始化設(shè)計 28 5.2.1 數(shù)據(jù)初始化程序分析 . 28 5.2.2 串口初始化程序分析 . 28 5.2.3 顯示窗口的初始化 . 29 5.2.4 建立數(shù)據(jù)日志設(shè)計 . 30 5.3 串口設(shè)置 30 5.4 溫度、光強處理方案 31 5.5 控制下位機設(shè)計 34 5.6 界面設(shè)計 34 5.6.1 員工登錄界面設(shè)計 . 34 5.6.2 采集界面設(shè)計 . 35 5.7 下位機程序設(shè)計 36 5.7.1 主程序設(shè)計 . 36 5.7.2 接收中斷程序設(shè)計 . 37 6 結(jié)束語 . 40 致 謝 . 41 參考文獻(xiàn) . 42 附錄一 硬件演示設(shè)備原理圖 . 43 附錄二 硬件演示設(shè)備 PCB 圖 . 44 附錄三 太陽能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 . 45 附錄四 硬件演示設(shè)備源程序 . 46 附錄五 元件清單 . 70 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 1 頁 共 70 頁 1 緒論 1.1 太陽能發(fā)電技術(shù) 1.1.1 發(fā)展背景 隨著人類在科技領(lǐng)域的發(fā)展以及社會的進(jìn)步，對新能源的要求逐日增加，如何 選擇新型能源，已經(jīng)成為了人類所亟待解決的問題。在當(dāng)前所使用的能源中，火電 占了大部分比例，但伴隨而來的是環(huán)境的污染以及將來可能面臨資源枯竭的危險， 而水電和核電也由于種種局限性，不能成為主要使用能源。而太陽能則是通過太陽 的光照使光方陣進(jìn)行光電變換來產(chǎn)生電能。這種方式與其他發(fā)電方式不一樣的是， 它具有取之不盡用之不竭、不產(chǎn)生任何污染物的特點，在地域上不受任何資源分布 限制；在使用方面，可根據(jù)需求設(shè)立發(fā)電點；電能質(zhì)量比較高；轉(zhuǎn)換時間時間短。 總而言之，太陽能具有極大優(yōu)點，是未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和應(yīng)對氣候日益惡劣的最優(yōu) 能源。 目前，世界上很多經(jīng)濟發(fā)達(dá)的國家都對本國的光伏產(chǎn)業(yè)提出了發(fā)展規(guī)劃。近鄰 日本，在 2004 年 6 月份有日本能源發(fā)展組織提出了面向 2030 光伏路線圖 即 PV2030 計劃，這一規(guī)劃的具體目標(biāo)是：到達(dá) 2030 年后，安裝的太陽能電池組件達(dá) 到約 100GW，要使光伏技術(shù)成為日本最為關(guān)鍵的技術(shù)之一；在 2004 年 3 月份，歐盟 的聯(lián)合研究中心發(fā)布了歐洲光伏研發(fā)路線圖 ，這一報道指出，預(yù)計到 2030 年， 歐盟等國的通過太陽能發(fā)電產(chǎn)生的電能將占總電量的 10%以上，到 2040 年為止，這 一指標(biāo)將上升到 20%，到 21 世紀(jì)末，要突破 60%；在 2007 年的 6 月，美國的相關(guān) 機構(gòu)也提出了關(guān)于發(fā)展太陽能的國家太陽能項目路線圖 ，針對美國國內(nèi)幾種重 要太陽能電池，從價格、可靠度、工作效率、發(fā)電成本等方面分別提出了規(guī)劃。 我國也于 2007 年由國家發(fā)改委提出了可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃這一規(guī) 劃提出了未來光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的中長期目標(biāo)：預(yù)計到 2015 年累計安裝量達(dá)到 250MW， 到 2020 年安裝要能夠達(dá)到 1600MW， 但實際安裝情況已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)想計劃， 到 2015 年止，我國太陽能安裝量已達(dá) 19GW。在 2012 年，國家工信部公布了太陽能光伏 產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃這一報告，報告提出了對各大光伏企業(yè)的要求，要求到 2015 年止，多晶硅領(lǐng)先企業(yè)要達(dá)到 5 萬噸級，骨干企業(yè)達(dá)到萬噸級；太陽能電池企 業(yè)安裝量達(dá)到 5GW 級，整體成本下降約 35%。雖然我國光伏產(chǎn)業(yè)起步較晚，但基于 政府的政策扶植和其他發(fā)展國家市場的帶動，使得我國光伏生產(chǎn)能力也迅速增長， 可以預(yù)期， 21 世紀(jì)末期，太陽能將成為各國使用的主要能源。 1.1.2 技術(shù)原理及應(yīng)用 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)主要是利用率太陽光照在半導(dǎo)體的 PN 結(jié)上，發(fā)生光生伏 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 70 頁 打效應(yīng)，從而產(chǎn)生了電壓差。當(dāng)前，典型的光伏發(fā)電方式一共有兩種，一種是光能 轉(zhuǎn)換為電能，這一過程是直接轉(zhuǎn)換的，利用的就是光生伏打效應(yīng)，太陽能電池相當(dāng) 于一個半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)光電二極管接受到照射時，光電二極管便將太陽能轉(zhuǎn) 換為電能，產(chǎn)生電流，很多種這樣的電池通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接在一起，就形 成了太陽能發(fā)電方陣。 另外一種發(fā)電方式則是通過熱能來發(fā)電，其原理是先將光能轉(zhuǎn)化為熱能，然后 再由熱能驅(qū)動蒸汽機產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電，這一過程與火力發(fā)電類似，但是效 率不高且成本較高。 近年來，光伏系統(tǒng)的應(yīng)用大體可分為離網(wǎng)系統(tǒng)與并網(wǎng)系統(tǒng)。離網(wǎng)系統(tǒng)就是我們 所說的獨立光伏系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是完全依賴太陽能進(jìn)行供電的，也是太陽能領(lǐng)域最 主要的一種系統(tǒng)，在 2000 年之前，離網(wǎng)系統(tǒng)的安裝量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過并網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)今在 很多較為偏遠(yuǎn)的地方離網(wǎng)系統(tǒng)依舊發(fā)揮著不可取代的作用。 最簡單的離網(wǎng)光伏系統(tǒng)可以看成光伏方陣與負(fù)載的直接連接，這中間并沒有蓄 電池等儲能設(shè)備，所以這種直連系統(tǒng)只有在有光照的地方才能工作，框圖如 1-1 所 示。 負(fù)載光伏電池 圖 1-1 光伏離網(wǎng)發(fā)電 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)最是將用戶光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，在太陽光強度很大的時候，系 統(tǒng)直接為負(fù)載提供電能，并且將多余的電能通過線纜傳入公網(wǎng)，當(dāng)無光照或者光照 不足時則由電網(wǎng)向用戶提供電能，這類光伏系統(tǒng)一般占地較小，可節(jié)約土地資源， 同時也避免了遠(yuǎn)距離供電導(dǎo)致的電路損耗，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1-2 所示。與離網(wǎng) 式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，并網(wǎng)式系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)的應(yīng)用正式進(jìn)入城市的能源體系的象 征。 負(fù)載光伏電池 電網(wǎng) 1-2 光伏并網(wǎng)發(fā)電 1.2 太陽能發(fā)電監(jiān)控裝置 太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換率低一直是太陽能發(fā)展道路上的一塊障礙，因此在 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 70 頁 對太陽能應(yīng)用的研究中，對提高轉(zhuǎn)換率的研究一直占有主要地位。目前提高轉(zhuǎn)換 率的方式有以下三種：一是通過研究太陽能電池的工藝、材料來提高轉(zhuǎn)換率；二 是根據(jù)太陽的方位來調(diào)節(jié)太陽能板，使之能保持與照射光垂直，來獲取最大的照 射度；三則是通過采集、分析、控制的方式，使光伏系統(tǒng)始終處于能源最大利用 率狀態(tài)，這就需要開發(fā)良好的監(jiān)控裝置以達(dá)到對系統(tǒng)運行的實時控制。 目前， 監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方式主要有有線傳輸和無線傳輸，其中無線傳輸主要 是通過無線電臺或者無線通信網(wǎng)絡(luò)來傳輸，這種方式抗干擾性較差；有線傳輸則 是通過工業(yè)總線來實施現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸及控制，這種方式抗干擾能力較無線通信強， 傳輸速度快捷，設(shè)備簡單，但是受到距離限制，較遠(yuǎn)地區(qū)則無法使用。本文采用 RS-232 總線來進(jìn)行單片機模塊與 PC 機間的數(shù)據(jù)通信。 1.3 本文主要研究內(nèi)容 本文介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展背景，對各個組成部分進(jìn)行了分析，設(shè)計了 一套獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對其中的采集控制系統(tǒng)進(jìn)行了具體的研究設(shè)計，工 作包括對工作電壓、電流、光照強度、溫度的采集以及相關(guān)原理圖、PCB 圖等。報 告詳細(xì)說明了制作溫度、光強采集電路的過程及調(diào)試方法。對追蹤最大功率輸出 問題和溫度控制太陽能電池充放電問題提出了相關(guān)設(shè)計和策略。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 72 頁 2 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理 光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由五部分組成：太陽能發(fā)電方陣、蓄電池、控制器、逆變器、交 直流負(fù)載。其中，太陽能電池組件和蓄電池起電源的作用，在光照強度大時，太陽能電 池為雙負(fù)載供電，并將多余電力轉(zhuǎn)入蓄電池，而當(dāng)光照強度低時，蓄電池轉(zhuǎn)入電網(wǎng)為雙 負(fù)載供電；控制器和逆變器除了各自所具備的功能外都具有控制保護系統(tǒng)的作用，控制 器主要是為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控和控制，包括對工作電壓電流、實時的光照強度等進(jìn)行 采集。逆變器的作用是將直流變交流，同時也起到對電路的保護作用；負(fù)載部分為系統(tǒng) 的終端，包括直流負(fù)載和交流負(fù)載。 在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，其工作方式一般有如下三種： （1）單電源雙負(fù)載運行模式 （2）雙電源補給式供電模式 （3）蓄電池充電模式 第一種模式中， 有兩種工作環(huán)境， 即光照強度大時和無光照環(huán)境。 當(dāng)光照強度大時， 太陽能電池為雙負(fù)載供電同時將多余電量充入蓄電池；而在無光照情況下，光伏方陣不 工作，只有蓄電池工作，為雙負(fù)載提供電力。 第二種模式是在光照強度不強時所選用的一種工作方式， 此時太陽能電池產(chǎn)生能量 低，不能夠滿足負(fù)載，所以需要和儲能裝置一起工作為負(fù)載供電。 第三種模式是在光照不足且蓄電池沒電時所啟用的一種工作方式， 此時需要關(guān)閉負(fù) 載，先為蓄電池充電，待到蓄電池充滿后在啟用第二種工作模式。系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。 控 制 器 蓄電池 光伏方陣直流負(fù)載 交流負(fù)載逆變器 圖 2-1 獨立光伏系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 70 頁 2.2 電池單元 2.2.1 太陽能電池的分類 太陽能電池的作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，目前，它已經(jīng)在人們生活的各個領(lǐng)域廣 泛使用，所以，從不同的角度出發(fā)，可以分為較多類別。 1. 按制作材料分類 從制作材料的角度出發(fā)，可以把太陽能電池分為由硅材料制作以及由化合物制作 的太陽能電池，其中，硅太陽能電池是我們較為常用的，由于原料在大自然中含量很 高，且具有重量輕、高硬度的特點，同時對環(huán)境幾乎沒有任何影響，所以較化合物太 陽能電池具有廣泛的使用價值。 單晶硅太陽能電池是發(fā)展較為早的一種太陽能電池，技術(shù)相比其他電池成熟，性 能也較為穩(wěn)定，但造價比較高，年產(chǎn)量已經(jīng)被低成本的多晶硅太陽能電池超越，但依 舊占有很高的市場比重。 雙晶硅太陽能電池是與單晶硅電池制作工藝不同的一種低成本的電池，它制作時 先將高純硅熔成塊型硅錠，再使用切割機將其切片，制成電池，這種電池轉(zhuǎn)化率較低， 一般在 17%-19%之間，但由于其低成本的優(yōu)點已使雙晶硅電池成為市場中所占比重較 高的電池。 非晶硅太陽能電池相比單晶硅和雙晶硅電池，它具有很薄的厚度，切割起來容易， 制作流程簡單，大大節(jié)省了硅材料的供應(yīng)，降低了制作成本，但它的能源轉(zhuǎn)化率較低， 僅有約 6%-10%，同時由于非晶硅的材料硬度和熔點都不高，所以在特定環(huán)境使用會受 到限制。目前這種太陽能電池還未大面積推廣使用。 微晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率較非晶硅電池高，且不具有光致衰退效應(yīng)，但目前 還不具有大規(guī)模生產(chǎn)的條件。 化合物太陽能電池主要利用的是半導(dǎo)體材料，常用的化合物光伏電池有砷化鎵電 池、碲化鎘電池、銅銦錫電池等。 2. 按用途分類 從使用用途方面考慮，可分為兩類，一類是地面太陽能電池，這種光伏電池一般用 于地面，使用較為廣泛，應(yīng)用于生活的很多方面，其性價比一般較高。另一類是空間太 陽能電池。這種太陽能電池主要用于航天器、太空站、太空機器人等，這些太陽能電池 往往要具備重量輕、抗高溫、抗沖擊、不具有光致衰弱等特點，常用的有單晶硅、砷化 鎵光伏電池。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 70 頁 2.2.2 太陽能電池的工作原理 太陽能電池的作用是將自然界中的太陽能轉(zhuǎn)化為供我們使用的電能， 這一過程是通 過半導(dǎo)體材料來實現(xiàn)的。當(dāng)太陽照射半導(dǎo)體材料的表面時，如果太陽光所具有的光子能 量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么此時半導(dǎo)體中的電子就會脫離原子核，在 PN 結(jié)中 形成很多電子-空穴，在內(nèi)電場的作用下，電子空穴分開形成電位差，這一原理就是光 生伏打效應(yīng)。 2.2.3 影響轉(zhuǎn)換率的因素 影響太陽能轉(zhuǎn)化效率的原因主要有如下 8 種： （1）溫度：太陽能電池中，轉(zhuǎn)換效率受溫度的影響很大，在硅電池中，溫度每上 升一度，轉(zhuǎn)換率大約下降 0.4%，所以保持工作溫度在一定范圍里有助于穩(wěn)定系統(tǒng)的太 陽能轉(zhuǎn)換效率。 （2）禁帶寬度：禁帶寬度越大，需要的光子能量越高，反之則需要的光子能量越 少，轉(zhuǎn)換率越高。 （3）光照強度：在特定環(huán)境中，光照強度越大，單位太陽能板表面將產(chǎn)生更多電 子-空穴，使得產(chǎn)生的壓強差更大，因此轉(zhuǎn)換率也隨之增加。 （4）金屬柵線：在太陽能板表面，排列著很多條不透光的柵線，減少這些柵線所 占用的面積，可以很好地增大轉(zhuǎn)換率。 。 （5）表面光反射：硅片表面存在著光反射，降低這部分反射光將使太陽能電池接 受更多的照射，因此可以增加有效的涂層，是電池表面的反射率降低，以增大轉(zhuǎn)換率。 2.3 控制器單元 光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制器的主要作用是對太陽能系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制，通過采集系 統(tǒng)在工作時的各種參數(shù)，了解工作狀態(tài)，并發(fā)出控制指令，同時控制器也兼?zhèn)淞嗽O(shè)備保 護的功能，其中包括了負(fù)載短路保護、反向放電保護、雷電保護等。對于不同的太陽能 系統(tǒng)，所需要的功能不同，控制系統(tǒng)也大不相同，大體可分為以下五種： （1） 并聯(lián)型控制器 （2） 串聯(lián)型控制器 （3） 制型控制器 （4） 智能型控制器 （5） 最大功率跟蹤型控制器 并聯(lián)型控制器是利用電子元件把太陽能方陣所輸出的能量分流到內(nèi)部并聯(lián)的電阻 或功率器上，然后以熱的形式消耗掉，這種控制器由于要耗熱，所以一般只用于小功率 系統(tǒng)；串聯(lián)型控制器是利用機械繼電器來控制充放電過程，用于較高功率的系統(tǒng)；脈寬 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 70 頁 調(diào)制型控制器是指以 PWM 脈沖方式來控制光伏方陣的運行；智能型控制器主要是由帶 CPU 的單片機組成的，通過對光伏系統(tǒng)的實時工作狀態(tài)進(jìn)行采集和分析，并可以配合單 片機的串口通信對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制； 最大功率跟蹤控制器是一種通過判斷光伏方陣的 工作點是否為最大輸出功率點，來對光伏方陣工作點進(jìn)行改變的一種控制器，這一控制 器的優(yōu)點是可以讓光伏矩陣始終以最大功率輸出，充分利用了其輸出能量，增加了光伏 發(fā)電的轉(zhuǎn)換率。 本文設(shè)計的是一套智能型控制器， 通過使用可編程的單片機對系統(tǒng)工作參數(shù)進(jìn)行采 集、顯示，通過程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行接通、斷開等控制，也可以通過單片機的串口通信進(jìn)行 人機互動。 2.4 逆變器單元 2.4.1 逆變器的分類 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中， 逆變器所起到的作用是將太陽能電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流 電供交流負(fù)載所使用，這一過程是整流電路的逆過程。 逆變器的種類不同，其分類也較繁多，大體可分為如下 5 種： （1）判斷逆變器的輸入輸出是否隔離，如果隔離則為隔離型逆變器；如果沒有隔 離，則為非隔離型逆變器。 （2）根據(jù)輸出的波形來判斷，可分為：方波逆變器、正弦波逆變器以及階梯波逆 變器。 （3）按照其輸出頻率不同，可以分為三種，即工頻逆變器、高頻逆變器、中頻逆 變器。 （4）按照輸出是否與公網(wǎng)相連有并網(wǎng)型逆變器和離網(wǎng)型逆變器之分。 （5）根據(jù)結(jié)構(gòu)不同有全橋式、半橋式、推挽式逆變器三種。 在以上分類中，我們主要是按照輸出是否接電網(wǎng)來進(jìn)行分類的，即通常分為離網(wǎng)逆 變器和并網(wǎng)逆變器，兩者的硬件結(jié)構(gòu)區(qū)別不大，基本都是由逆變橋、控制電路和濾波電 路構(gòu)成，與離網(wǎng)逆變器相比，并網(wǎng)型有較高的輸出要求，它的輸出與公網(wǎng)相連，必須滿 足電網(wǎng)的相關(guān)規(guī)定，以防對公網(wǎng)造成影響及諧波污染等問題。它的功能是將電能轉(zhuǎn)換為 適合電網(wǎng)使用的一種電能，所以也被稱為功率調(diào)節(jié)單元。 2.4.2 離網(wǎng)型光伏逆變器 離網(wǎng)型光伏逆變器是指光伏系統(tǒng)與公網(wǎng)斷開，獨立運行，其主要應(yīng)用于較為偏遠(yuǎn)的 地區(qū)，如邊防哨崗、海島等遠(yuǎn)離公網(wǎng)的特殊地區(qū)。離網(wǎng)光伏系統(tǒng)通常是由光伏方陣、控 制器、逆變器和儲能裝置等組成的，當(dāng)有太陽光照時，光伏系統(tǒng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能 為負(fù)載供電，同時為儲能裝置充電；而在無光照時，則通過儲能裝置放電為負(fù)載供電。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 70 頁 在整個離網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變器是核心，常用的離網(wǎng)逆變器主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： （1）工頻隔離單級逆變器：由于常用的負(fù)載需要使用 110V 或者 220V 的交流電， 而光伏方陣輸出的為直流電，且電壓很低，所以就需要使用工頻隔離單級逆變器將得到 的低壓交流電轉(zhuǎn)化為高壓交流電。 （2）高頻隔離兩級逆變器：這種逆變器是先將低壓直流進(jìn)行高頻逆變，然后再通 過高壓逆變轉(zhuǎn)化為高壓高頻交流電，然后進(jìn)行整流得到高壓直流電，最后通過工頻逆變 便可得到高壓工頻交流電供負(fù)載使用。這種逆變器具有體積小的優(yōu)點但是結(jié)構(gòu)較為復(fù) 雜。 （3）無隔離兩級逆變器：這種逆變器是直接將低壓直流電通過升壓環(huán)節(jié)升為高壓 直流電，逆變后再進(jìn)行濾波得到負(fù)載所需電壓。 2.4.3 并網(wǎng)型光伏逆變器 并網(wǎng)光伏逆變器是將光伏方陣產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為交流電并傳輸?shù)焦搽娋W(wǎng)上， 這種 逆變器要保證輸出的電流與電網(wǎng)的電壓頻率以及相位完全一樣。其分類可分為四類，按 照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來分有全橋逆變拓?fù)?、半橋逆變拓?fù)洹⒍嚯娖侥孀兺負(fù)?、推挽逆變拓?fù)洹⒄?激逆變拓?fù)?、反激逆變拓?fù)洌话凑蛰敵鱿鄶?shù)可分為三相和單向逆變器，按照輸出功率等 級有大功率并網(wǎng)逆變器（大于 50KW） 、中等功率并網(wǎng)逆變器（大于 1KW,小于 50KW） 、小 功率并網(wǎng)逆變器（小于 1KW） ；按照隔離方式可分為隔離式并網(wǎng)逆變器、非隔離式并網(wǎng) 逆變器。 縱觀光伏并網(wǎng)型逆變器的發(fā)展歷程， 其發(fā)展趨勢越來越高頻化、 小型化以及智能化。 相信在未來最具有研究及應(yīng)用前景的當(dāng)屬于小功率型逆變器， 因為這種逆變器同時其具 了小型、高效、集成、靈活等特點，據(jù)報道，采用小功率逆變器技術(shù)可以再現(xiàn)有的技術(shù) 上，將光伏系統(tǒng)發(fā)電效率提高百分之五到百分之二十五左右。 2.4.4 光伏逆變器性能參數(shù) 應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器一般有一下幾個參數(shù)要求： （1）一般單向額定輸出電壓為 220 伏，三相額定輸出電壓為 380 伏，穩(wěn)定狀態(tài)時 電壓波動不能超過 3%-5%，發(fā)生負(fù)載突變時，電壓波動不能超過 8%-10%。 （2） 正常工作時， 輸出的三相電壓不平衡度不能超過 8%； 波形失真度不能超過 5%。 （3）正常工作時，輸出額定頻率偏差不應(yīng)該超過 1%，國標(biāo)規(guī)定輸出頻率在 49 到 51 之間。 （4）額定輸出效率一般應(yīng)在 70%以上（額定輸出效率=輸出功率/輸入功率） 在逆變器的性能中，其轉(zhuǎn)換率為最為主要的性能參數(shù)之一，轉(zhuǎn)換率為輸出端交流功 率與輸出直流功率的比值： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 70 頁 （2-1） 式中 PAC為輸出交流電的功率； PDC為輸出直流電的功率； PL為轉(zhuǎn)化過程中的功率損耗。 2.5 蓄電池儲能單元 2.5.1 光伏發(fā)電儲能裝置分析 太陽能電池的工作主要依賴于光照，當(dāng)光照強時，電池將光能轉(zhuǎn)化為電能供負(fù)載運 行，而當(dāng)光照強度低時，想要負(fù)載能夠穩(wěn)定運行，就需要用蓄電池提供電能。在并網(wǎng)和 離網(wǎng)系統(tǒng)中，一般都配置有蓄電池，其中，離網(wǎng)系統(tǒng)必須配有儲能設(shè)備，因為當(dāng)夜晚無 光照時，太陽能電池不能產(chǎn)生電力，負(fù)載就無法正常工作；而并網(wǎng)系統(tǒng)中，由于可以使 用來自公網(wǎng)的電力，則無需擔(dān)心無光照時負(fù)載無法正常運行，如果負(fù)載中有重要負(fù)載， 無法中斷，則也需要配備儲能裝置。 目前普遍使用的蓄電池包括鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池。 其中鉛酸蓄電池的主要成分 是海綿狀鉛體、稀硫酸、二氧化鉛，這種電池價格低廉、原料豐富，是目前使用最為廣 泛的一種蓄電池。相比鉛酸蓄電池，鎳鎘蓄電池的密封性較好，使用的壽命較長，所存 儲的電量高，但由于具有“記憶效應(yīng)” ，并且其原料金屬鎘有毒，會對環(huán)境造成很大的 損傷，同時造價也較鉛酸電池高，所以這種電池正在面臨著逐步被淘汰。 表一 蓄電池的技術(shù)參數(shù)表 技術(shù)參數(shù) 等級 電壓 3 伏、6 伏、12 伏、24 伏、36 伏等 容量 4 安時、6 安時、12 安時、24 安時等 這里設(shè)充電時間為 t，電池容量為 C，電池工作電壓為 U，充電電壓如式 2-1 所示： （2-2） 當(dāng)光伏系統(tǒng)為蓄電池充電時，光伏方陣的輸出電壓要超過蓄電池工作電壓的 20%-30%。為了防止發(fā)生蓄電池的反向放電，最好在充電系統(tǒng)中加裝一只整流二極管。 若能假設(shè)充放電自動保護系統(tǒng)更好，即可以保護過充或者過放，又可以延長電池使用壽 命，增加經(jīng)濟性。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 10 頁 共 70 頁 在為獨立光伏系統(tǒng)選擇適配儲能電池時，要經(jīng)過多方面的考量，如電壓電流特性、 成本、質(zhì)量、安全性。維護難度、大小尺寸等，在此基礎(chǔ)上再考慮經(jīng)濟性，其設(shè)計步驟 可以簡單分為三步： （1）首先對負(fù)載所需要的輸入電壓和輸出電壓進(jìn)行計算，確定電池組件數(shù)；然后 查詢安裝場所的太陽照射數(shù)據(jù)，記錄沒有太陽照射時間。 （2）設(shè)定放電深度。 （3）計算蓄電池容量，公式為： （2-3） 2.5.2 溫度控制充電電壓策略 光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池作為后備能源可以解決無光照時系統(tǒng)電能供應(yīng)限制，但電 池容量和使用壽命一直是亟待解決的問題，目前在對蓄電池的充電過程中，存在著隨著 充電時間的增加，溫度會越來越高，導(dǎo)致使用壽命的降低，同時效率也會越來越低，據(jù) 了解，大部分蓄電池的高效充電溫度一般都集中在 10-40 攝氏度之間，小于或者大于這 個溫度，都將降低充電效率，所以本課題針對此問題，提出了兩種可行性的解決策略。 （1）智能充電控制：這種方法是在充電電路中加入 boost 調(diào)壓電路，控制器在對 蓄電池的溫度采集后，根據(jù)充電最大效率曲線，通過改變調(diào)壓電路的占空比，使充電電 壓處于最佳充電狀態(tài)。 （2）溫限法：設(shè)置蓄電池的最高充電溫度，高于溫限時，停止充電，降于溫限后， 繼續(xù)充電， 這個方法較智能充電控制法簡單， 但極易受到環(huán)境溫度因素影響， 誤差較大。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 11 頁 共 70 頁 3 光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)分析 光伏發(fā)電的監(jiān)控系統(tǒng)想要完成其職能，就要對三部分進(jìn)行設(shè)計。第一部分用于對太 陽能板的現(xiàn)場工作溫度、電壓電流、光照強度進(jìn)行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降?二部分微機控制單元（MCU） ，通過 LCD 模塊將數(shù)據(jù)能在現(xiàn)場顯示出來，并通過 MCU 的串 口通信將數(shù)據(jù)上傳至第三部分 PC 機進(jìn)行顯示、分析以及儲存。 本設(shè)計 MCU 選用的是 Atmel 公司制造的 AT89s52 芯片，串口通信選用 MAX232，上位 機使用 VB 編寫。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 3-1 所示。 溫度采集 直流電壓、電流 采集 光照強度采集 單 片 機 控 制 單 元 串口通信單元 PC機顯示及其 控制 圖 3-1 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集框圖 3.2 測溫裝置設(shè)計 3.2.1 方案論證 太陽能電池中，溫度很大程度上會對太陽能系統(tǒng)造成影響，隨著溫度的上升，太陽 能電板的開路電壓降低，短路電流升高，所以保持工作溫度在一定范圍里有助于系統(tǒng)工 作狀態(tài)和轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定。通過查閱相關(guān)資料，提出了以下兩種可行的方案，方案一： 可采用熱敏電阻對溫度進(jìn)行測量，從測溫范圍考慮，常用熱敏電阻可滿足太陽能電池工 作溫度-20 攝氏度到+50 攝氏度的測量，但從測量精度以及可靠性來考慮，其精度和可 靠性均較差，且元件非線性嚴(yán)重。在整個溫度測量系統(tǒng)中,常用的熱敏電阻,很多輸出的 都是都是模擬信號,必須要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能送到控制系統(tǒng),這樣會使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。 第二個方案，則是考慮使用溫度傳感器，在單片機電路的設(shè)計中，使用傳感器可以使結(jié) 構(gòu)變得直接化，所以在這里我們可以采用一只數(shù)字溫度傳感器，這種傳感器輸出為數(shù)字 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 12 頁 共 70 頁 信號，單片機可以很容易讀取被測量的溫度值。通過對上述兩種方案的對比可以容易看 出，方案二設(shè)計為優(yōu)選，其結(jié)構(gòu)簡單，軟件設(shè)計也不復(fù)雜，所以本次設(shè)計我們選用方案 二。 設(shè)計選用 ds18b20，它抗干擾性能強，體積小、精度高、造價也相對低。在傳輸數(shù) 據(jù)方面，只要一個引腳便可和微機控制器進(jìn)行雙向通訊，其輸出為數(shù)字信號，可直接供 單片機接收；它的測溫范圍為-5-125 度，可滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作環(huán)境測溫，固有 誤差為 1 攝氏度；電源與 89s52 單片機一樣都可用 5v 供電，接線較為方便。其引腳如 圖 3-2 所示。在實際的連接中，一般是將 ds18b20 的信號線，即 2 口與單片機的一位 I/O 口相連，電路連接如圖 3-3 所示，本設(shè)計中將信號線與 at89s52 的 P3.6 口相連， 并接 10k 歐的上拉電阻，VCC 接 5V 外接電源，GND 端接地。 圖 3-2 ds18b20 引腳圖 圖 3-3 ds18b20 連接圖 3.2.2 原理圖設(shè)計 (1)單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 單片機最小系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成，設(shè)計原理圖如圖 3-4 所示，第一部分就是微機 控制器，即單片機本身，它相當(dāng)于一塊微機處理器，用來燒寫程序并實現(xiàn)程序功能；第 二部分是復(fù)位電路，可對單片機進(jìn)行復(fù)位；第三部分是外部晶振電路，提供單片機所需 要的時鐘源。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 13 頁 共 70 頁 圖 3-4 單片機最小系統(tǒng) （2）顯示模塊 在顯示模塊的選擇中， 我們提供了兩個方案， 方案一： 用數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)； 方案二： 用 LCD 液晶顯示屏進(jìn)行顯示，其對比如表三所示，明顯的發(fā)現(xiàn)不管是在顯示、能耗還是 接線方面，LCD 液晶都優(yōu)于數(shù)碼管顯示，同時考慮到設(shè)計要求對太陽能工作溫度以及光 照強度進(jìn)行顯示，其顯示字符較多，單一的數(shù)碼管顯示并不能滿足這一條件，所以在本 設(shè)計中我們選用 LCD1602 液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。 表二 顯示模塊方案對比表 方案對比 顯示 能耗 亮度 接線 LCD 液晶屏 多樣 低 低 方便 數(shù)碼管顯示 單一 較高 較高 復(fù)雜 LCD1602 屬于工業(yè)字符型液晶，具備了低壓以及低能耗的特點， 2-3V 的電壓就能 使這種液晶屏工作，能夠顯示數(shù)字、字母以及文字等，其優(yōu)點遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)的數(shù)碼管 LED。在小型儀表和低能耗產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 14 頁 共 70 頁 表三 lcd1602 引腳介紹 1 號引腳 接電源地 2 號引腳 接+5V 電源 3 號引腳 對屏幕的對比度度調(diào)節(jié)端，一般外接一 個 10 千歐的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié) 4 號引腳 寄存器選擇端 5 號引腳 信號讀寫端 6 號引腳 使能端 7 號-14 號引腳 LCD1602 數(shù)據(jù)端 15 號-16 號引腳 背光燈電源腳 這種液晶常用于小儀表的顯示模塊中，因為它具有小體積、低功耗的特點，其電路 如圖 3-5 所示。 圖 3-5 LCD1602 電路圖 （3）串口通信模塊設(shè)計 AT89s52 的串行口是一個全雙工通信接口，可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。在與 上位機進(jìn)行通信時，涉及到電平轉(zhuǎn)換問題，這里選擇 max232，具有低能耗、體積小等 特點。其原理圖如圖 3-6 所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 15 頁 共 70 頁 圖 3-6 max232 通信模塊 （4）蜂鳴器報警設(shè)計 目前常見的蜂鳴器可以按兩種方式來分類，其一是按照驅(qū)動方式分類如表五所示： 表四 蜂鳴器驅(qū)動方式對比 分類 區(qū)別 有源蜂鳴器 內(nèi)部含有驅(qū)動，所以上電后可以直接工作， 由于含有一個振蕩電路，所以造價較高 有源蜂鳴器 內(nèi)部沒有驅(qū)動，需要外界提供震蕩電路， 造價較低 第二種是按構(gòu)造方式來分類的，如表六所示： 表五 蜂鳴器構(gòu)造對比 分類 組成 電磁式蜂鳴器 振蕩器、電磁線圈、振動膜片、磁鐵及外殼 壓電式蜂鳴器 多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器、共 鳴箱、外殼 在本設(shè)計中，出于電路簡潔、減少程序復(fù)雜度以及經(jīng)濟性等角度的考慮，設(shè)計選用 市面上常見的有緣電磁式蜂鳴器。其接線原理圖如圖 3-7 所示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 16 頁 共 70 頁 圖 3-7 蜂鳴器模塊 3.3 電源電路設(shè)計 3.3.1 設(shè)計方案規(guī)劃 電源電路的穩(wěn)定性對于整個電路的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用， 常用的電源有直流電 源和交流電源， 最為簡單的直流供電方法就是使用蓄電池， 但這種方法所用的成本較高、 充能周期性過短，而使用交流電，則很大程度上避免了直流電的缺點，通過簡單的整流 電路就可以供直流負(fù)載使用，經(jīng)濟、方便又可靠。 電源部分設(shè)計框圖如 3-8 所示，考慮到本課題中硬件電路的電源要求統(tǒng)一是 5v 直 流電，所以設(shè)計電源模塊的目的是要把 220V 的工頻交流電轉(zhuǎn)換為電子電路能夠使用的 5 伏直流電。 變壓整流穩(wěn)壓、降壓 220v 交流 電 濾波 5V直 流電 圖 3-8 電源設(shè)計框圖 首先把 220 V 工頻交流電通過降壓環(huán)節(jié)變成低壓交流電，為了達(dá)到去交流的目的 再通入整流電路，得到帶脈動直流電，最后通過濾波去交流脈動，考慮到電壓的不穩(wěn)定 波動，最好再增加一個穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。 3.3.2 變壓設(shè)計 本設(shè)計中由于所有設(shè)備供電都是基于 5V 直流電， 所有在變壓環(huán)節(jié)， 我們選用以 12V 電壓輸出的小功率變壓器。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 17 頁 共 70 頁 3.3.3 整流設(shè)計 整流電路主要利用的是半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?，其分類如下表七所示?表六 整流電路分類表 分類 組成 原理 結(jié)構(gòu)圖 半波整流 一般只有一個二極管 交流電正向通 過，反向截止， 形成只有正向的 脈動直流電 如圖 3-9(a)所示 全波整流 用到兩個二極管 利用變壓器抽頭 使交流電正負(fù)半 周皆為負(fù)載提供 同向電流 如圖 3-9(b)所示 全波橋式整 流 四個二極管組成 利用四個二極管 的導(dǎo)通截止使交 流電的正負(fù)半周 為負(fù)載提供同向 電流 如圖 3-9(c)所示 圖 3-9 整流電路 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 18 頁 共 70 頁 在本設(shè)計中，我們選用全波橋式整流，這種地電路使用了四支整流元件，輸出電壓 脈動與全波一致，半波整流電路雖然電路簡單，但是整流后電壓脈動較大，所以需要大 的濾波電容，對電源電壓器的利用率較低，一般只用于對電源要求不是很高的電路。 3.3.4 濾波設(shè)計 常用的濾波電路一般有電容濾波、電感濾波、LC 濾波和 RC 濾波電路四種。 （1）電容濾波：結(jié)構(gòu)圖如圖 3-10 所示，這種濾波是直接將電容器與負(fù)載并聯(lián)，當(dāng) 正半周時電容被充電，負(fù)半周時電容放電，這樣就可以使負(fù)載得到平滑的直流電。 圖 3-10 電容濾波 （2）電感濾波：將負(fù)載與電感串聯(lián)起來，當(dāng)電壓增大時，流過電感的電流增大， 電感將儲存部分能量，當(dāng)電壓減小時，電感電流降低，電感釋放之前儲存的能量，這樣 便使負(fù)載得到較為平滑的直流電。 （3）LC 濾波：這一濾波電路是將電感與負(fù)載串聯(lián)，電容與負(fù)載并聯(lián)，通過電感和 電容在升壓與降壓之間起到充能與釋放作用，這樣便使得電壓輸出曲線處于平滑。濾波 電路的基本形式如圖 3-11 所示： 圖 3-11 LC 濾波電路 （4）RC 濾波：這種濾波電路一般分為 L 型和型，L 型是將電阻與負(fù)載串聯(lián)，再 并一個電容，而型則是在串聯(lián)的電阻兩端各并了一個電容，其結(jié)構(gòu)圖如圖 3-12 所示， 與輸入端相連的電容 C1 是消除大部分電壓脈動， 再通過電阻 R 的降壓來減少殘余脈動， 最后由 C2 再旁路掉。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 19 頁 共 70 頁 圖 3-12 RC 濾波電路 3.3.5 穩(wěn)壓設(shè)計 由于交流電網(wǎng)的波動和負(fù)載電流的變化都會使整流電路的輸出電壓發(fā)生波動， 所以 對于電路要求較高的則有必要使用穩(wěn)壓電路。本設(shè)計中，為了電路的方便簡潔，我們選 用集成化穩(wěn)壓電路，由于整流電路輸出的電壓為 12V，所以這里我們使用 LM7812 三端 穩(wěn)壓管來穩(wěn)定整流出來電壓，再通過一個 LM7805 將穩(wěn)定后的電壓降為我們電路所使用 的 5V 電壓。其設(shè)計圖如 3-13 所示，到此為止，在經(jīng)過了變壓、濾波、整流、穩(wěn)壓等處 理后，便達(dá)到了課題硬件電路的用電要求。 圖 3-13 電源原理圖 3.4 直流電壓電流檢測電路設(shè)計 3.4.1 設(shè)計方案規(guī)劃 本設(shè)計主要由三大模塊組成：模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、MCU 模塊、LCD 顯示模塊。作為 核心的 MCU 模塊采用 AT89C52 單片機，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用 PCF8591 芯片；顯示模塊 采用 LCD1602 液晶來顯示直流電壓及電流值。本模塊設(shè)計框圖如圖 3-14 所示。 待測信號 A/D模數(shù)轉(zhuǎn) 換 MCULCD顯示 圖 3-14 電壓電流測量框圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 20 頁 共 70 頁 3.4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用常見的 PCF8591，PCF8591 是一個具有 IC 總線結(jié)構(gòu)的多 通道 8 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個內(nèi)置 8 位單通道 D/A 轉(zhuǎn)換器，它具有 4 個 模擬輸入、1 個模擬輸出和 1 個串 行 IC 總線接口，并且具有單獨供電、低能 耗的優(yōu)點。 綜合上述幾種 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的特點， 前兩種芯片的性能和精度都不如第四種芯 片。在本設(shè)計中，我們的目標(biāo)是設(shè)計精度 1%以內(nèi)的高精度電壓電流測量，因此在 此，我們選擇 PCF8591 芯片。 表七 PCF8691 芯片引腳說明 引腳號 名稱 說明 1-4 AIN0-AIN4 模擬信號輸入端。 5-7 A0-A2 引腳地址端。 8、16 VSS/VDD 電源端。（2.5-6V） 9 SDA 總線的數(shù)據(jù)線 10 SCL 總線的時鐘線 11 OSC 輸入/輸出時鐘端 12 EXT 內(nèi)、外部時鐘選擇線 13 AGND 模擬信號地 15 AOUT D/A 轉(zhuǎn)換輸出端 14 Vref 基準(zhǔn)電源端 3.4.3 直流電流檢測設(shè)計 （1）設(shè)計規(guī)劃 電流是電學(xué)中最為基礎(chǔ)的物理量，可直接反映出負(fù)載以及電路的工作狀態(tài)，對于不 同的場合，其電流的檢測要求也不同，本設(shè)計要求設(shè)計對 0-100A 直流電流進(jìn)行檢測， 可從檢測的響應(yīng)速度、功耗、體積、發(fā)熱溫度等方面考慮。對于直流電流的測量，目前 常用的測量方法一般有兩種：直接測量和非直接測量。直接測量方式一般是通過串聯(lián)電 阻來進(jìn)行而非直接測量則是通過測量電流流經(jīng)時所產(chǎn)生的磁場大小來進(jìn)行測量的一種 方法。 （2）電阻檢測法 電阻檢測法是一種直接測量的方法，一般是通過測量串聯(lián)于電路的電阻電壓，然后 通過歐姆定律來對電路的電流進(jìn)行計算，這種方法所測量的電流不太大，而且最終輸出 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 21 頁 共 70 頁 的是模擬信號且較為微弱，所以要在輸出口再接一個信號放大器，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這種方法比較簡單且成本較低，但由于電阻的特性受 環(huán)境的影響較大，會存在溫度漂移的現(xiàn)象，而且這種方法一般只是用于電流