基于lpc2214的光伏電網(wǎng)測試系統(tǒng)設(shè)計

1、目 錄中文摘要1英文摘要21 引言31.1 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景31.2 光伏陣列測試技術(shù)研究現(xiàn)狀和意義41.3 本論文主要內(nèi)容和框架52 光伏陣列的特性及其測試方法62.1 太陽電池原理以及分類62.2 太陽能電池的特性72.3 光伏伏陣列特性測試方法113 基于LPC2214的硬件選擇和實(shí)現(xiàn)163.1 光伏陣列特性測試系統(tǒng)整體設(shè)計163.2 系統(tǒng)電路設(shè)計173.3 采樣電路設(shè)計203.4 控制及數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計22結(jié)論33謝辭34參考文獻(xiàn)35光伏陣列特性測試系統(tǒng)設(shè)計摘要：光伏陣列是光伏系統(tǒng)的重要組成部分，它決定了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，同 時也是光伏系統(tǒng)成本的主要部分。因此合理配置光伏陣列，

2、分析和評價光伏電站的發(fā)電效率，提高光伏陣列的利用效率一直是光伏系統(tǒng)設(shè)計的研究重點(diǎn)，也是降低光伏系統(tǒng)發(fā)電成本的重要措施。本文采用了電容動態(tài)充放電法，該方法是通過檢測太陽能電池陣列對電容的充電過程中電流、電壓的數(shù)據(jù)變化，重現(xiàn)光伏陣列的I-V特性，采用這種方式可以快速而方便的測量太陽能電池陣列的I-V特性，具有體積小、重量輕等特點(diǎn)。設(shè)計是基于飛利浦公司的LPC2214設(shè)計的。通過對該系統(tǒng)進(jìn)行評估可以得出結(jié)論：該測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測量精度較高，一次完整的測試只需54ms左右，測試速度快，并且測量得到的伏安特性可以在液晶上直接以曲線的形式顯示，使測得的陣列特性更為直觀，能滿足工程應(yīng)用的需要。關(guān)鍵字：光伏

3、陣列；光伏特性；數(shù)學(xué)模型；I-V曲線Design on the Testing System of PV Array CharacteristicAbstract:A photovoltaic array is an important component of the photovoltaic system.It determines the cost of photovoltaic system and rational power capacity of the system.Therefore,the rational allocation of the photovoltaic ar

4、ray,Analysis and evaluation the power generation efficiency of photovoltaic power plants.Enhancing the efficiency in the use of photovoltaic arrays has been the focus of the PV system design, is also an important measure to reduce power generation costs of PV systems.In this paper,the dynamic capaci

5、tance charge and discharge method, the method by detecting the solar array to the process of charging the capacitor current and voltage data changes,to reproduce the IV characteristics of PV array,in this way can quickly and easily measuring solarIV characteristics of the battery array, with a small

6、 size, light weight and other characteristics.The assessment results of the system show that the testing system operates stabely,has the higher measurement accuracy.A complete testing will take about 54 ms,and the measured characteristics of photovoltaic arrays can displayed on LCD directly in the f

7、orm of a curve that made the characteristics of photovoltaic arrays more illustratable and comprehensible.It can meet the needs of engineering.Keywords：solar array；photovoltaic characteristic；mathematic mode： I-V characteristic1 引言1.1 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景發(fā)展循環(huán)低碳經(jīng)濟(jì)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式，謀求可持續(xù)發(fā)展的出路成為世界的熱點(diǎn)論題。全球各個國家都在努力開發(fā)利用各類

8、綠色可再生能源(風(fēng)能、核能、太陽能、生物能等)太陽能作為其中最具潛力的可再生能源，受到越來越多的關(guān)注。從圖1.1可以看出世界上石油資源緊缺，煤礦資源也僅能維持約兩百多年，而太陽能的儲量預(yù)測相對于其他常規(guī)能源來說卻是無窮大的，有很大的開發(fā)利用空間。因此光伏發(fā)電作為太陽能利用的一種重要方式也正在蓬勃發(fā)展。光伏發(fā)電就是利用太陽能電池或者組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。圖1.1 世界和中國各類能源儲量預(yù)測 為了激勵太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各國提出了一系列的優(yōu)惠政策。2004年，德國最先出臺了相關(guān)的法律法規(guī)，實(shí)施購電補(bǔ)償，推動光伏市場的發(fā)展。隨后，西班牙、法國、意大利、希臘等國家也相繼效仿而韓國、日本和美國則

9、開放了市場，中國也于近日通過了可再生能源法，并規(guī)定“上網(wǎng)電價”和“全網(wǎng)平攤”的法規(guī)條款。全球常規(guī)資源短缺、各類能源補(bǔ)貼法律法規(guī)的完善、人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，這些都將促使太陽能光伏利用成為未來能源結(jié)構(gòu)的主要組成部分。光伙產(chǎn)業(yè)步伐不斷加快，越來越多的家腳個人用戶開始安裝光伏發(fā)電設(shè)備，大型光伏發(fā)電廠、太陽能光伏屋頂項目工程也如州后春筍般胃出，為尋求降低太陽能利用成本，提高太陽能利用效率的方法越來越多的研究正在快速開展。光伏陣列特性的測試、研究和開發(fā)也隨之成為一個焦點(diǎn)問題。1.2 光伏陣列測試技術(shù)研究現(xiàn)狀和意義光伏陣列特性的現(xiàn)場測試技術(shù)，國外的研究比較成熟，尤其是美國和日本已經(jīng)有系列測試設(shè)備推向市場，不

10、過其設(shè)備的價格都比較高。而在國內(nèi)，光伏陣列測試技術(shù)的研究相對比較落后。市場上多數(shù)的研究重點(diǎn)都放在了太陽電池單體或者組件的特性測量方面。由于太陽電池制作的隨機(jī)性，生產(chǎn)出來的電池性能不盡相同，為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起，應(yīng)通過電池測試(即通過測試電池的輸出參數(shù)電流和電壓的大小對其進(jìn)行分類，以提高電池的利用率，做出質(zhì)量合格的電池組件。然而。市場上還沒發(fā)現(xiàn)測量較大功率的光伏陣列特性的配備。但是隨著太陽能光伏發(fā)電將發(fā)展成為重要的發(fā)電方式，大量太陽能電站的出現(xiàn)的同時，就需要越來越多的光伏陣列區(qū)域特性測試設(shè)備來優(yōu)化太陽能電站的設(shè)計，提高光扶陣列的利用效率。 在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列作

11、為將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置無論從成本上還是功能上都占有重要的地位。因此合理配置光伏陣列，提高光伏陣列的利用效率，降低發(fā)電生產(chǎn)成本一直是光伏系統(tǒng)設(shè)計的重中之重。從理論上來說，光伏陣列是由若干光伏組件通過串、并聯(lián)的形式組合而成，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量約為光伏組件發(fā)電量的總和。但是，在光伏系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中，光伏陣列的實(shí)際發(fā)電量卻很難滿足理論設(shè)計要求。這是由于存在著各種影響光伏陣列發(fā)電的因素，包括光伏組件連接帶來的聯(lián)結(jié)損耗，以及隨著光伏電池使用時間的延長電池?fù)p壞造成的電壓不均衡等；還有一系列的外界環(huán)境因素包括光伏陣列的高度、傾角、電池板的潔凈程度等。就是對于同一塊光伏陣列來說，環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度、風(fēng)速等外界條件

12、的變化，也均會引起光伏系統(tǒng)的發(fā)電量、系統(tǒng)效率的改變。這一系列不確定的影響因素會導(dǎo)致理論設(shè)計合理的光伏系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行時發(fā)電量與設(shè)計要求誤差較大。因而對于任何的光伏系統(tǒng)都只能根據(jù)安裝在實(shí)際環(huán)境條件下的光伏陣列輸出特性來確定真正的發(fā)電量和系統(tǒng)效率。如果對光伏陣列進(jìn)行現(xiàn)場測量，獲得光伏陣列在特定環(huán)境下的特性及其參數(shù)，再結(jié)合安裝環(huán)境的特點(diǎn)來分析和評價光伏陣列的設(shè)計，可達(dá)到更理想的設(shè)計效果。光伏陣列的現(xiàn)場測試結(jié)果是分析和評價光伏陣列發(fā)電效率的重要依據(jù)之一。換而言之，一個精確可靠實(shí)用的光伏陣列測試裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中是必不可少的。隨著太陽能行業(yè)這幾年的飛速發(fā)展，太陽能單體和組件的測試的要求就日益提高。國際

13、電工委員會(IEC)和美國的保險實(shí)驗(yàn)室(UL)都制定了相關(guān)的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，從組件的性能到安全規(guī)范都有了相關(guān)的條例。這在很大程度上促進(jìn)了太陽能檢測技術(shù)的發(fā)展，也對規(guī)范業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)規(guī)范起到了一定作用。在測試儀器方面，國外有很多已經(jīng)做得很成熟的生產(chǎn)線上或者實(shí)驗(yàn)室用的產(chǎn)品，比如美國的spire公司的線上檢測設(shè)備就很出眾。與此同時在國內(nèi)，各研究機(jī)構(gòu)和公司也紛紛推出自己的產(chǎn)品，競爭也是十分激烈，這對中國的太陽能產(chǎn)業(yè)和太陽能檢測行業(yè)來說是件好事?？梢哉f太陽能檢測也隨著太陽能組件行業(yè)的發(fā)展而開始了飛速的發(fā)展。1.3 本論文主要內(nèi)容和框架 本論文主要工作是研究光伏陣列區(qū)域特性的測試方法，實(shí)現(xiàn)大中型功率級別的光伏組件或

14、陣列的區(qū)域特性(I-V曲線)的測量，其中區(qū)域特性包括開路電、短路電流、最大功率點(diǎn)的電壓電流、。光伏陣列區(qū)域特性測試系統(tǒng)主要由電容快速充電主電路、數(shù)字處理模塊LPC2214和數(shù)據(jù)顯示模塊三部分組成。通過電容快速充電法測試得到的電流、電壓數(shù)據(jù)分別經(jīng)過傳感器進(jìn)入高速數(shù)字處理模塊，編程控制LPC2214完成AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析處理的工作，實(shí)時反映光伏陣列的特性。系統(tǒng)還配置溫度傳感器AD590和標(biāo)準(zhǔn)太陽電池模塊,實(shí)時測量當(dāng)前環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度，這些數(shù)據(jù)也一并送入LPC2214進(jìn)行處理，根據(jù)光伏陣列物理數(shù)學(xué)模型進(jìn)行特性的推算預(yù)估，實(shí)現(xiàn)對任意環(huán)境下光伏陣列特性曲線的準(zhǔn)確預(yù)估并在顯示模塊以圖像和數(shù)

15、據(jù)結(jié)合的方式顯示。數(shù)據(jù)采集單元與顯示模塊是通過通用串行接口或USB通信模塊連接的。為光伏系統(tǒng)設(shè)計和光伏陣列性能評估提供重要依據(jù)，便于光伏系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。2 光伏陣列的特性及其測試方法2.1 太陽電池原理以及分類 太陽電池作為光伏系統(tǒng)的核心經(jīng)過了長達(dá)百年的發(fā)展歷程，技術(shù)逐步成熟，太陽電池的效率也越來越高。目前在市場上占主導(dǎo)地位的太陽電池仍以硅材料為主。太陽電池是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，具有能量轉(zhuǎn)換功能的半導(dǎo)體器件。太陽電池實(shí)現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)。以晶體硅太陽電池為例作一說明，闡述太陽電池的工作原理，當(dāng)太陽光入射太陽電池時，在p-n結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對。當(dāng)內(nèi)建電場作用于p-n

16、結(jié)時，p、n型區(qū)的多子分別向n、p型區(qū)移動，大量電子積累在太陽電池受光上表面而大量空穴積累的在背光下表面。此時在太陽電池表面裝配上電極，即可在外部電路中形成電流。太陽電池一般都要在受光面上覆蓋減反射涂層，以減低因反射損失的太陽電池能量，提高太陽電池的效率?；谔栯姵乜梢詫?shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的特性，各類工業(yè)用和家用的太陽能供電系統(tǒng)正在大力開發(fā)和研究當(dāng)中。 市場上的太陽電池主要分為兩大類：晶體硅電池和薄膜電池。晶體硅電池可以進(jìn)一步分為單晶硅電池和多晶硅電池。而薄膜電池則包括非晶硅太陽電池、銅銦硒薄膜電池和鎘碲薄膜電池。隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽電池的類型也越來越多，但是實(shí)際應(yīng)用還是以硅材料的太陽電池

17、為主，特別是晶體硅電池。 2.1.1 晶體硅電池 晶體硅電池根據(jù)材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)不同，分為單晶硅電池和多晶硅電池。單晶硅電池由硅晶體直接切割出來的薄片制成，而多晶硅電池則由硅鑄錠后切割的薄片制成。由于生產(chǎn)工藝各異兩類電池具有不同的轉(zhuǎn)換效率，單品硅電池的轉(zhuǎn)換效率是最高的，同時其成本也是最高的。圖2.1 太陽能電池 (a)單晶硅(b)多晶硅(c)薄膜電池 2.1.2 薄膜電池 非晶硅電池具有較高的轉(zhuǎn)按效率，低廉的成本和重量輕等優(yōu)勢，但是由于非晶硅材料存在光電效率衰退效應(yīng)，其穩(wěn)定性不高，影響非晶硅在實(shí)際中的推廣利用。 銅鎦硒電池的優(yōu)點(diǎn)在于不存在光致退化，并且這一類的電池的轉(zhuǎn)換效率在薄膜電池技術(shù)中是晟

18、高的，但它確在濕熱的環(huán)境中存在性能不穩(wěn)定的問題。 鎘碲電池較非晶硅轉(zhuǎn)換效率高，且成本低廉，但是所用材料有劇毒，在制各電池時會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，所以此類太陽電池并不是晶體硅電池最為理想的替代產(chǎn)品。 除了上述常見的各類太陽電池以外，許多研究工作正在開展，試圖開發(fā)出新型的電池類型，以提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率或降低成本，以下為部分的實(shí)例。 有機(jī)聚合物太陽電池是太陽電池一個研究的新方向，研究人員嘗試采用有機(jī)材料來代替無機(jī)材料制備太陽電池，由于有機(jī)材料具有制作簡易柔性強(qiáng)度好，材料供給充足成本低廉等優(yōu)勢。對太陽能電池開發(fā)利用具有重要意義。 HIT電池。它是又晶體硅薄片包以超薄的非晶硅層所制造而成，比傳統(tǒng)常規(guī)

19、的晶體硅電池由更高的效率，并且沒有非晶硅的老化問題，在高溫下產(chǎn)生高電量，具有很好的發(fā)展前景。2.2 太陽能電池的特性 2.2.1 太陽能電池的特性圖2.2 太陽電池單體的IV特性曲線 對光伏陣列整個特性或陣列的參數(shù)進(jìn)行測定，主要是獲取光伏陣列的開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電流、最大功率點(diǎn)電壓等參數(shù)的數(shù)值。參數(shù)定義如下：· 短路電流() 給定溫度、日照強(qiáng)度下所能輸出的最大電流· 開路電壓() 給定溫度、日照強(qiáng)度下所能輸出的最大電壓· 最大功率點(diǎn)電流() 給定溫度、日照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)上的電流· 最大功率點(diǎn)電壓() 給定溫度、日照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)上的電壓&

20、#183; 最大功率點(diǎn)功率() 給定溫度、日照強(qiáng)度下所能輸出的最大功率 從太陽電池的I-V特性曲線中可以很直觀地看出太陽電池的輸出電流和輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系，是非線性的函數(shù)關(guān)系。這表明了太陽電池既非恒壓源，也非恒流源，它不可能為負(fù)載提供任意大的功率。太陽電池是一種非線性的直流電源，輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)約為恒定，最終在一個足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零；輸出電流值即使在短路狀態(tài)下也不會出現(xiàn)無窮大，而是一個有限值(短路電流值Im)；太陽電池只有工作在最大功率點(diǎn)Pm時利用效率才達(dá)到最高。 2.2.2 光伏陣列的區(qū)域特性 但是太陽電池單體的輸出功率是很小的，一般為毫瓦級，不可能作為終端產(chǎn)品

21、。市場上出售的太陽電池是生產(chǎn)商把若下太陽電池單體進(jìn)行串并聯(lián)組合并封裝后的太陽電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，作為單獨(dú)電源使用的最小單位。而太陽能光伏陣列是根據(jù)實(shí)際的用電需求，把一定量的太陽電池組件按串、并聯(lián)規(guī)則組合在一起并安裝在支架上為負(fù)載提供所需功率。 由N個太陽電池組件按個串聯(lián)及個并聯(lián)的方式而構(gòu)成一個光伏陣列時，其光伏陣列的電壓跟單個太陽電池組件相比提高了(組件串聯(lián)的數(shù)量)倍而電流與較單個太陽電池組件相比則增大了倍。也就是說光伏陣列的電壓取決于組件串聯(lián)的數(shù)量而電流即取決于組件并聯(lián)的數(shù)量。其發(fā)電效率在理想的情況下保持不變但是由于生產(chǎn)的隨機(jī)性，每個太陽電池組件必定會存在一些差異，因此效率會

22、降低。光伏陣列特性曲線近似等于相應(yīng)的太陽電池組件的疊加增長(單個電池或組件的特性仍保持不變)。至此我們得出光伏陣列的區(qū)域特性與太陽電池單體和組件的形狀類似。太陽電池的特性可推廣至光伏陣列。 圖2.3 太陽能光伏陣列的I-V特性曲線 2.2.3光伏陣列特性的環(huán)境影響因素 光伏陣列I-V、P-V特性曲線深受環(huán)境因素的影響，與日照強(qiáng)度和電池溫度密切相關(guān)?？紤]電池溫度、日照強(qiáng)度對I-V、P-V特性的影響，可以在設(shè)計中更好的配置太陽電池組件資源。 通常日照強(qiáng)度S變化范圍從0到1000W，陣列溫度變化范圍從lO到70。實(shí)際中，影響光伏陣列I-V、P-V特性的各個因素之間也是互相影響的，為了研究每一個因素各

23、自對I-V、P-V特性的影響，人為僅讓一個因素變化而保持其他條件不變。 圖2.4 日照強(qiáng)度對光伏陣列的I-V特性曲線影響 圖2.5 日照強(qiáng)度對光伏陣列的P-V特性曲線影響 保持其他條件不變，僅改變?nèi)照諒?qiáng)度，根據(jù)數(shù)據(jù)，可以得出如上特性曲線圖。由圖2.4可看出，隨著照度降低，電流明顯地減少，而開路電壓則略為減少。最大功率隨著照度減少而減少。光伏陣列所輸出的最大功率、短路電流都強(qiáng)烈的受日照強(qiáng)度S的影響，陣列的伏安特性曲線和日照強(qiáng)度S呈一一對應(yīng)關(guān)系。進(jìn)行粗略地簡化可得出短路電流與日照強(qiáng)度變化成正比，開路電壓與日照強(qiáng)度呈對數(shù)關(guān)系。首先，這里所說的電池溫度和環(huán)境溫度并不是同一個概念。環(huán)境溫度與電池溫度的關(guān)

24、系依賴于光照強(qiáng)度： （21） 其中T為電池溫度()，為環(huán)境溫度()，S為同照強(qiáng)度（W)，為溫度系數(shù)(·W)。的典型值為O.03，國際上定義標(biāo)準(zhǔn)太陽電池溫度為25。 圖2.6 電池溫度對光伏陣列I-V曲線的影響 圖2.7 池溫度對光伏陣列P-V曲線的影響 同樣，保持照度不變，僅改變電池溫度，得出電池溫度對光伏陣列I-V、P-V特性的影響如圖2.6與圖2.7，隨著光伏陣列溫度升高，電壓明顯減小，而短路電流僅略為增大，最大功率點(diǎn)也隨著溫度升高略為減少。2.3 光伏伏陣列特性測試方法本節(jié)將描述如何獲取光伏陣列的特性，其測試實(shí)現(xiàn)的框圖如圖2.8所示我們必須先確定測試方法和曲線擬合的算法模型。工

25、作在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏陣列可以通過伏安法、電子負(fù)載等測試電路得到其電壓，電流等特性數(shù)據(jù)。但由于數(shù)據(jù)是零散的，我們必須選擇合適的算法模型對數(shù)掘進(jìn)行擬臺處理，通過對ARM數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行有效控制，獲得實(shí)測或是預(yù)估情況下的區(qū)域特性，并在顯示模塊顯示。圖2.8 光伏陣列特性測試框圖 2.3.1 光伏陣列的等效電路模型 對光伏陣列區(qū)域特性進(jìn)行研究，首先要了解光伏陣列的等效電路模型，光伏陣列的等效電池模型是研究光伏陣列測試系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，它反映了溫度、照度等因素對太陽電池的影響，太陽電池一般可等效為圖2.9電路模型圖。根據(jù)等效電路圖可以得出太陽電池最基本的解析表達(dá)式(22)，此表達(dá)式已廣泛應(yīng)用于太陽電池的

26、理論分析中。由上一章的介紹得知，光伏陣列具有與太陽電池單體類似的特性，太陽電池的表達(dá)式同樣適用于光伏陣列，在此基礎(chǔ)上可推廣到光伏陣列分析上。圖2.9 太陽能電池的等效電路圖 （22） 式中，為光生電流；為二極管飽和電流；為光伏陣列短路電流；V為光伏陣列輸出電壓；為光伏陣列的串聯(lián)電阻；A為二極管特性因子；K為波爾茲曼常數(shù)；T為光伏陣列溫度；q為電子的電荷量；為光伏陣列的并聯(lián)電阻。光伏陣列的等效電路模型是一個非線性的超越方程，直接求解困難，目前較多采用擬合算法來求解，在求解當(dāng)中做出一些簡化。2.3.2 測試方法的選擇在實(shí)際應(yīng)用中，有很多因素影響光伏陣列的伏安特性，如陣列的高度、傾角、電池板的潔凈程

27、度、組合規(guī)則、溫度及日照強(qiáng)度等。故要得到太陽電池陣列的實(shí)際工作特性，需要對其進(jìn)行現(xiàn)場測試。由于陣列已經(jīng)安裝完成，在進(jìn)行現(xiàn)場測試時，可以假定除溫度、日照強(qiáng)度外的其它影響陣列特性的因素不變。為了得到比較精確的陣列現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)，需要選擇合適的現(xiàn)場測試方法。2.3.2.1 變電阻法 可變功率電阻器現(xiàn)場測試方法是比較傳統(tǒng)的光伏陣列伏安特性現(xiàn)場測試方法，其測量方法即伏安法。將可變功率電阻作為光伏陣列的負(fù)載，改變電阻器的值得到不同的工作點(diǎn)，通過電壓、電流表來讀取工作點(diǎn)對應(yīng)的電壓電流值。由光伏陣列的特性曲線可以看出，在短路狀態(tài)下，光伏陣列的短路電流依然是穩(wěn)定值，不會突變到無窮大，所以可以對光伏陣列直接短路來

28、測量其短路電流。開路電壓的測量同樣簡單，只需斷開可變電阻兩端就可直接測得。在測量特性曲線時可通過調(diào)節(jié)可變電阻，讀出相應(yīng)的電壓表和電流表的數(shù)值。通過不斷地調(diào)節(jié)可變電阻，光伏陣列的工作點(diǎn)會隨之不斷改變，測量光伏陣列在一系列不同工作點(diǎn)下輸出的電壓和電流值，就可以獲得其輸出特性曲線。 可變功率電阻器現(xiàn)場測試方法簡單易于理解，測試系統(tǒng)不需要額外的控制部分，電路十分簡單。從理論上講，這種方法可以簡單穩(wěn)定地獲得所測太陽電池陣列的I-V和特征參數(shù)。但是它自身的局限性也使它的應(yīng)用范圍受到限制，主要有以下幾點(diǎn)不足：對于一般的光伏系統(tǒng)，光伏陣列的輸出功率都很大，其需要測量電壓和電流較大。為了滿足電壓和電流的測量等級

29、，必須選用大功率的功率電阻。由于該電阻體積和重量都很大，不利于現(xiàn)場測量；使用電阻測量光伏陣列，測量過程也很繁瑣，一次完整的特性測量需要多次調(diào)節(jié)電阻值。由于必須手動調(diào)節(jié)電阻值，整個測量過程費(fèi)時費(fèi)力；手動調(diào)節(jié)方式僅能在特性曲線上取得有限點(diǎn)數(shù)，使得特性曲線呈階梯狀變化，精度水平很低。同時測量過程不連續(xù)，持續(xù)過程較長，加之外界環(huán)境條件的不穩(wěn)定性，溫度和照度在整個測量過程中可能會出現(xiàn)變化，因此很難得到所需環(huán)境下的光伏陣列區(qū)域特性曲線，將會出現(xiàn)較大的誤差。 2.3.2.2 電子負(fù)載法 電子負(fù)載法即2可變電子負(fù)載現(xiàn)場方法。這是基于變電阻測試原理的一個方法。電子負(fù)載阻值變化不需要通過人工手動實(shí)現(xiàn)，可以通過正確

30、控制電子負(fù)載的數(shù)值，使其等效為阻值從零變化到無窮大的，并實(shí)時采集電子負(fù)載兩端的工作電壓和電流，連接采樣點(diǎn)即可得到當(dāng)前環(huán)境下的光伏陣列的區(qū)域特性。當(dāng)電子負(fù)載的等效阻值為零，光伏陣列近似為短路狀態(tài)，此時測得的電流為短路電流；當(dāng)電子負(fù)載等效阻值為無窮大時，光伏陣列相當(dāng)于開路狀態(tài)，此時測得的電壓為開路電壓。但是電子負(fù)載法需要實(shí)現(xiàn)兩方面的控制，電子負(fù)載數(shù)值以及采樣電路的控制，控制比較復(fù)雜；其次是當(dāng)光伏陣列功率較大時，電子負(fù)載的體積也相應(yīng)變大，以致系統(tǒng)體積增大，同樣也不利于現(xiàn)場測試的進(jìn)行。2.3.2.3 電容動態(tài)充放電法 電容快速充電測試是設(shè)計光伏陣列對電容的充電控制主電路，通過測量充電過程中變化的電壓電

31、流來實(shí)現(xiàn)陣列區(qū)域曲線特性。充電開始時，在功率開關(guān)閉合的瞬間，充電回路的電流為陣列的短路電流。當(dāng)充放電電容的充電電流最終為零時，此時電容電壓圪等于陣列的開路電壓。測試系統(tǒng)通過電流傳感器和電壓傳感器對電容的整個充電過程進(jìn)行全程電流電壓采樣，這些采樣點(diǎn)的組合就構(gòu)成了當(dāng)前環(huán)境條件下的光伏陣列伏安特性曲線。動態(tài)電容測試方法優(yōu)點(diǎn)在于測試過程有控制電路自動完成，測試方便，并且測試速度快，精度高；控制電路的處理速度快，可均勻采樣足夠多的點(diǎn)進(jìn)行處理分析，得到平滑準(zhǔn)確的區(qū)域特性曲線，測試得到系統(tǒng)曲線可以直接以曲線形式顯示出來，測試結(jié)果很直觀。整個測試系統(tǒng)體積小，重量輕，屬于便攜系統(tǒng)，便于現(xiàn)場的測試。而其缺點(diǎn)則是需

32、要增加控制電路，并且對采樣速度、精度、以及處理器速度的要求比較高。并且當(dāng)要測試的光伏陣列功率比較大時，就需要容量比較大的電容器，而大容量的電容器體積和重量都較大，對于野外、遠(yuǎn)距離的現(xiàn)場安裝測試是十分不便，但我們可以通過把大電容改為幾個并聯(lián)小電容克服這個缺點(diǎn)。 綜合考慮，根據(jù)大功率光伏陣列現(xiàn)場測試的具體情況，電容動態(tài)充放電法較為適合光伏陣列區(qū)域特性測試系統(tǒng)的使用。 2.3.3 光伏陣列測試模型選擇 光伏陣列測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于太陽電池的等效電路模型，其外部特性具有很強(qiáng)的非線性，在使用時，溫度、日照強(qiáng)度的變化均可影響系統(tǒng)的P-V及I-V特性。因此太陽電池的數(shù)學(xué)模型是否準(zhǔn)確合適，控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定可行

33、，是測試系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，也是考核測試系統(tǒng)的主要指標(biāo)。分析比較各種光伏陣列區(qū)域特性模型，包括多項式模型、指數(shù)模型、人工網(wǎng)絡(luò)模型和工程模型等，我們認(rèn)為工程模型算法最合適?？紤]到光伏系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)字仿真和模擬時運(yùn)算速度和計算工作量，提出盡可能在工程精度下的簡化實(shí)用工程模型。此模型實(shí)質(zhì)從單指數(shù)模型簡化得到，它不需要經(jīng)過擬合，僅需要陣列幾個容易測量的電路參數(shù)、，就能在一定精度下得到光伏陣列的特性。、這四個參數(shù)通過電容充電法測得。此算法實(shí)用性強(qiáng)，符合工程應(yīng)用的需要。 對上述基本的光伏陣列等效電路模型公式(22)進(jìn)行簡化，通常由于遠(yuǎn)小于光伏陣列電流，因此可以忽略不計，而小于二極管正向?qū)娮瑁虼私普J(rèn)為引入

34、待定系數(shù)，使簡化出更加實(shí)用的光伏陣列工程模型： （23） 代入三個主要參數(shù)點(diǎn)可以計算出 （24） （25）可以看出雖然工程模型的精度雖然沒有指數(shù)模型那么高，但是對于運(yùn)算能力有限的數(shù)字處理系統(tǒng)來說，工程模型較實(shí)用簡便，運(yùn)算執(zhí)行速度快，達(dá)到系統(tǒng)的精度要求，更好地提高了數(shù)據(jù)采集處理分析的效率。這將為光伏系統(tǒng)在工程精度下的仿真研究和開發(fā)帶來極大的方便，因此本測試系統(tǒng)選用工程模型。 2.3.4 光伏陣列預(yù)估算法的研究 光伏陣列區(qū)域特性易受環(huán)境因素的影響，其輸出功率與日照強(qiáng)度、溫度等密切相關(guān)。廠家提供的太陽電池的特征參數(shù)都是在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(=1000W，=25)測定的，由于環(huán)境條件的多變性，這些參數(shù)實(shí)際

35、上不能反映光伏陣列的工作情況。推廣算法模型的應(yīng)用范圍，考慮環(huán)境因素的影響，應(yīng)改進(jìn)模型以對光伏陣列特性進(jìn)行預(yù)估研究。 工程模型僅僅需要與環(huán)境聯(lián)系的四個重要特性參數(shù)就可以大致還原光伏陣列的特性曲線?？紤]環(huán)境變化對四個重要參數(shù)的影響并利用實(shí)測環(huán)境測得的、，可得到任意環(huán)境下的四個參數(shù)值，結(jié)合工程模型，能以較高的精度得出任意環(huán)境下光伏陣列的輸出特性。實(shí)現(xiàn)光伏陣列區(qū)域特性的預(yù)估。 （26） （27） （28） （29） （210） （211） 系數(shù)a，b，c的典型值為：a=0.0025，b=O5，c=0.00288為區(qū)別各光伏陣列特征參數(shù)，將它們分別定義為標(biāo)準(zhǔn)條件下；實(shí)際測量下、S、T；預(yù)估的新環(huán)境下。這

36、一種預(yù)估算法能夠較準(zhǔn)確地擬合出任意條件下的光伏陣列特性，計算簡便最適于工程應(yīng)用，因此本測試系統(tǒng)洗用此模型作預(yù)估處理。3 基于LPC2214的硬件選擇和實(shí)現(xiàn)3.1 光伏陣列特性測試系統(tǒng)整體設(shè)計 光伏陣列區(qū)域特性測試裝置由電容快速充電測試法的主電路，數(shù)據(jù)采集控制處理單元(LPC2214）和數(shù)據(jù)處理顯示模塊三部分組成。其中，主電路包括溫度傳感器、照度傳感器、光伏陣列、以及光伏陣列電壓電流采樣電路。電壓電流采樣電路包括功率開關(guān)、充放電電容、電流傳感器、電壓傳感器、快速充電電阻、慢速充電電阻、壓敏電阻等組成。將溫度傳感器和照度傳感器測得的溫度、照度數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換傳入LPC2214，同時將光伏陣列通過

37、電容快速充電法測得的電壓、電流數(shù)據(jù)分別經(jīng)過電壓傳感器和電流傳感器傳入LPC2214，在LPC2214中通過10位逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再在LPC2214內(nèi)部通過軟件控制完成數(shù)據(jù)處理工作得到在不同照度和表面溫度的情況下的光伏陣列特性。這樣就實(shí)時反映了光伏陣列的特性。同時根據(jù)光伏陣列物理數(shù)學(xué)模型進(jìn)行區(qū)域特性的推算預(yù)估，實(shí)現(xiàn)對任意環(huán)境下光伏陣列區(qū)域特性曲線的準(zhǔn)確表達(dá)并通過LPC2214的flash在顯示模塊以圖形方式顯示。LPC2214與顯示模塊是通過通用串行口連接的。圖3.1 伏陣列測試系統(tǒng) 其中標(biāo)準(zhǔn)太陽電池用來測定日照強(qiáng)度，結(jié)合溫度傳感器(DS18820)可以將當(dāng)前日照

38、測定的光伏陣列特性曲線和參數(shù)轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的特性曲線和參數(shù)。為電容C的緩慢放電電阻，為快速放電電阻，在斷開后閉合使C的能量快速釋放以便于下次測量。測試系統(tǒng)采用電容快速充電法。電容動態(tài)充電測量方式是設(shè)計光伏陣列對電容的充電控制主電路，通過測量充電過程中變化的電壓電流來實(shí)現(xiàn)陣列I-V特性曲線。充電開始時，在開關(guān)局閉合的瞬間，充電回路的電流為陣列的短路電流。當(dāng)電容的充電電流最終為零時，此時電容電壓等于陣列的開路電壓。系統(tǒng)對電容的整個充電過程進(jìn)行全程電壓電流采樣，這些采樣點(diǎn)的組合就構(gòu)成了當(dāng)前環(huán)境條件下的光伏陣列I-V特性曲線。LPC2214根據(jù)AD采樣結(jié)果描繪出光伏陣列的特性曲線，同時實(shí)時監(jiān)測當(dāng)前光

39、照強(qiáng)度和電池板表面溫度。3.2 系統(tǒng)電路設(shè)計 3.2.1 光伏陣列區(qū)域特性測試系統(tǒng)主電路設(shè)計 3.2.1.1 充電回路參數(shù)設(shè)計圖3.2 伏陣列測試電路圖 從圖3.2可以看出，充電電容是由3三個電容通過并聯(lián)的方式得到了。電容值大小直接決定了充電時間的長短，從而決定了采樣的速率和系統(tǒng)的體積。電容值大，充電持續(xù)時間較長，有利于數(shù)據(jù)采集，但是系統(tǒng)的體積增加；選擇較小的電容值，能夠減小系統(tǒng)體積，但是電容充電時間縮短，在采樣周期不變的情況下，采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)就會減少，從而由這些采樣點(diǎn)繪制的I-V特性曲線的準(zhǔn)確度就會降低。因此要選擇最好的一個折衷方案。下面先求取系統(tǒng)所需的主電路參數(shù)值。電3.3 電容充電曲線示

40、意圖 圖3.3是電容充電曲線示意圖，其中圖線2為光伏陣列的I-V特性曲線。從圖中可以明顯的看出，電容的實(shí)際充電時間介于以曲線l和曲線3充電方式充電時間之間。以曲線3的方式給電容充電，即整個過程電流始終為短路電流。由電容的特性知，電容兩端的電壓u(t)和流過電容的電流i(t)之間的關(guān)系如下： （3-1） 先計算第三條曲線： 當(dāng)忙(充電時間)的時候，i(t)=,u(t)=則： （3-2） 當(dāng)計算第一條曲線： （3-3） 解微分方程可得： （3-4） 當(dāng)從分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電容的實(shí)際充電時間(第三條曲線)大概是3倍的tc。本系統(tǒng)的ADC采樣單元最快轉(zhuǎn)換速度為2.44us，考慮程序運(yùn)行時間。要能

41、采樣足夠的采樣點(diǎn)數(shù)(1000點(diǎn))，需要選取3只450V3000F(C1C3)的電解電容如主電路圖4.2所示串并聯(lián)連接，等效為450v9000F的大電容，滿足系統(tǒng)的要求。 3.2.1.2 放電回路參數(shù)選擇 控制功率開關(guān)，將MOSFETl打開、MOSFET2閉合，電容通過電阻快速放電。系統(tǒng)需要對電容進(jìn)行反復(fù)充放電，為不影響每次充電測試的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中假定當(dāng)電容的端電壓下降到放電前的5%時，放電完成。系統(tǒng)工作的快速性要求放電的時間要短，從而要求放電電阻盡量取小，當(dāng)時放電電阻越小放電時電阻上承受的功率越大，一般大功率的電阻體積也比較大，從而造成測試系統(tǒng)體積增大不利于系統(tǒng)便攜式地要求，因此需要

42、選取適當(dāng)?shù)墓β孰娮?。綜合實(shí)際情況，取放電時間上限為ls。由電路的知識可以知道，在初始電壓為電池陣列開路電壓Uoc的情況下，電容電壓U和時間的關(guān)系是： (3-5) 代入結(jié)束條件U=0.05Uoc，t=10s，C=9000F，計算得出放電功率電阻為370。由于電容上存儲的能量有限，其放電速度比較快。由于電容上儲存能量有限，且放電速度比較快，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般心比P小看曲線也可知，因?yàn)榫褪且婚_始的電流比較大。 3.2.2 驅(qū)動電路設(shè)計 系統(tǒng)所測量電壓電流較大，且需要開關(guān)頻率較高，因此選用MOSFET電力場效應(yīng)晶體管。導(dǎo)通時MOSFET管內(nèi)只有一種極性的載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電，屬于單極型晶體管。由于使

43、用柵極電壓控制漏極電流因此其驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，耐高壓。根據(jù)MOSFET電力場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動特性的要求，系統(tǒng)的驅(qū)動電路如圖3.4所示；LPC2214發(fā)出控制信號通過驅(qū)動電路控制，從而通過任一lpc2214的I/O口控制MOSFET電力場效應(yīng)晶體管開通關(guān)斷。在本文我們選擇基于TLP250設(shè)計的驅(qū)動電路。TLP250包含一個GaAlAs光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，是8腳雙列封裝，適合于IGBT或功率MOSFET柵極驅(qū)動電路。TLP250的管腳如圖3.4所示。圖3.5為驅(qū)動電路圖。圖3.4 TLP250管腳圖圖3.5 驅(qū)動電路圖3.3 采樣電路設(shè)計 3.3.1 電

44、壓電流采樣：使用傳感器來獲取電壓信號，使用電壓傳感器。傳感器原理如霍爾傳感器。原邊電流知產(chǎn)生的磁通量聚集在磁路中，并由霍爾器件檢測出霍爾電壓信號，經(jīng)過放大器放大，該電壓信號精確地反映原邊電流。電壓電流采樣電路則如圖3.7所示，輸出端4、5分別接電容負(fù)載兩端來采集電流。圖3.6 電壓采樣原理圖圖3.7 電壓電流采樣原理圖 對光伏陣列電流的采樣可以通過電流霍爾傳感器進(jìn)行電流檢測，也可以通過功率小電阻進(jìn)行電流檢測。由于本系統(tǒng)電流的范圍不大，要選擇合適的電流霍爾傳感器得到比較精確的采樣數(shù)值較為容易，故電流霍爾傳感器進(jìn)行電流檢測。使電流020A對應(yīng)為信號0-3.3V。其原理與電壓傳感器類似。 3.3.2

45、 溫度采樣 溫度采樣，選用的是美國Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DSl8820。DSl8820的全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，其主要特點(diǎn)如下： (1)適應(yīng)電壓范圍寬，電壓范圍：3.O5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電； (2)獨(dú)特的單線接口方式，DSl8820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DSl8820的雙向通訊； (3)DSl 8820支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DSl8820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫； (4)DSl8820在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)； (5)測溫范

46、圍一55+125，在一10+85時精度為±05； (6)可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為05、025、0125和00625，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫： (7)在9位分辨率時最多在9375ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更； (8)測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以”一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力； (9)負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。具體的應(yīng)用DSl8820的溫度采樣電路如圖3.8所示：圖3.8 溫度采樣電路圖 3.3.3 日照強(qiáng)度采樣 雖然很多環(huán)境因

47、素都對光伏陣列輸出的短路電流值有影響，但對于一個很小面積的光伏陣列，可以認(rèn)為其輸出短路電流與其它環(huán)境條件無關(guān)，僅僅與日照強(qiáng)度有關(guān)。因此可以通過測量小面積的光伏陣列的短路電流，間接得到日照強(qiáng)度的數(shù)值。本系統(tǒng)采用2cm×2cm的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池單體作為日照強(qiáng)度傳感器。在太陽電池單體的正負(fù)極之間接入0.33 Q的小電阻，此時可以近似認(rèn)為太陽電池單體處于短路狀態(tài)，通過采樣電阻兩端的電壓來測量太陽電池單體的短路電流值，從而進(jìn)一步獲得日照強(qiáng)度的數(shù)值。日照強(qiáng)度的采樣電路如圖3.9所示。圖3.9 日照強(qiáng)度采樣圖3.4 控制及數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計 由于要準(zhǔn)確快速的測試光伏陣列的IV特性，要求測試系統(tǒng)的控制單

48、元的采樣轉(zhuǎn)換速度快、精度高并且數(shù)據(jù)存儲量大；由于又要考慮測試系統(tǒng)便于現(xiàn)場測試的要求，控制單元還應(yīng)具有較強(qiáng)的通訊功能以及較低功耗。綜合各種控制芯片的性能并充分考慮到液晶顯示的效果，本課題選用了Philips公司的ARM芯片LPC2214。3.4.1 LPC2210特性LPC2214 是基于一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-STMCPU 的微控制器，并帶有256 k 字節(jié)(kB)嵌入的高速Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運(yùn)行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16 位Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失

49、卻很小。由于 2214 較小的144 腳封裝、極低的功耗、多個32 位定時器、8 路10 位ADC以及多達(dá)9 個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和POS 機(jī)。在144 腳的封裝中，可使用的GPIO 高達(dá)76（使用了外部存儲器）112 個（單片應(yīng)用）。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟modern 以及其它各種類型的應(yīng)用。它的主要特點(diǎn)如下： 32 位144 腳ARM7TDMI-S 微控制器。 16K 字節(jié)靜態(tài)RAM。 128/256K 字節(jié)片內(nèi)Flash 程序存儲器（在工作溫度范圍內(nèi)，片內(nèi)Flash 存儲器至少可擦除和寫10000

50、次）。128 位寬度接口/加速器實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz 的操作頻率。 外部8、16 或32 位總線。 片內(nèi)Boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用中編程（IAP）。Flash 編程時間：1ms 可編程512 字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦除只需400ms。 EmbeddedICE-RT 接口使能斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)前臺任務(wù)使用片內(nèi)RealMonitor 軟件調(diào)試時，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行。 嵌入式跟蹤宏單元（ETM）支持對執(zhí)行代碼進(jìn)行無干擾的高速實(shí)時跟蹤。 8 路10 位A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低至2.44us。 2 個32 位定時器（帶4 路捕獲和4 路比較通道）、PWM 單元（6 路輸出）、實(shí)時

51、時鐘和看門狗。 多個串行接口，包括2 個16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C 接口（400 kbit/s）和2 個SPI 接口。 通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz 的 CPU 操作頻率。 向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。 多達(dá)112個通用I/O口（可承受5V電壓），12個獨(dú)立部中斷引腳（EIN和CAP功能）。 片內(nèi)晶振頻率范圍：130 MHz。 2 個低功耗模式：空閑和掉電。 通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 可通過個別使能/禁止外部功能來優(yōu)化功耗。 雙電源 CPU 操作電壓范圍：1.651.95 V(1.8 V+/ 8.3%) I/O 操作電壓范圍：3.03.6 V(

52、3.3 V+/ 10%) 3.4.2 LPC2214的系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計系統(tǒng)是保障處理器正常工作的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)成功設(shè)計的前提。在LPC2214的系統(tǒng)設(shè)計中，最為關(guān)鍵的是復(fù)位電路、時鐘和調(diào)試環(huán)境的選擇與設(shè)計。LPC2214的系統(tǒng)的電路圖如圖3.10所示。圖3.10 LPC2214系統(tǒng)電路圖3.4.2.1 復(fù)位電路設(shè)計：微控制器在上電時狀態(tài)并不確定，將造成微控制器不能正確工作。為解決這個問題，所有微控制器均有一個復(fù)位邏輯，它負(fù)責(zé)將微控制器初始化為某個確定的狀態(tài)。這個復(fù)位邏輯需要一個復(fù)位信號才能工作。一些微控制器在上電時自身會產(chǎn)生復(fù)位信號，但大多數(shù)微控制器需要外部輸入這個信號。因?yàn)檫@個信號會使微控制器

53、初始化為某個確定的狀態(tài)，所以這個信號的穩(wěn)定性和可靠性對微控制器的正常工作有重大影響。最簡單的復(fù)位電路為阻容復(fù)位電路，這個電路成本低廉，但不能保證任何情況下都產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復(fù)位信號，所以一般場合需要使用專門的復(fù)位芯片。本次系統(tǒng)設(shè)計采用了SP708帶手動復(fù)位芯片，復(fù)位電路如圖3.11所示。圖3.11 手動復(fù)位電路3.4.2.2 時鐘電路設(shè)計：目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器?；谝陨鲜聦?shí)，需要設(shè)計時鐘電路。簡單的方法是利用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器，但有些場合需要使用外部振蕩源提供時鐘信號。時鐘電路如圖3.12所示。圖3.12 時鐘電路圖3.4.

54、2.3 JTAG電路設(shè)計：本系統(tǒng)的軟件程序可以通過CodeWarrior for ARM Developer Suite開發(fā)環(huán)境進(jìn)行仿真，調(diào)試方便。JTAG電路是調(diào)試軟件CodeWarrior for ARMDeveloper Suite與LPC2214之間的橋梁，電路設(shè)計的正確與否關(guān)系到仿真能否順利進(jìn)行。 3.4.2.4 電源電路設(shè)計： 電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。如果電源系統(tǒng)處理的好，那么整個系統(tǒng)的故障往往減少很多。設(shè)計電源系統(tǒng)的過程必須考慮如下因素：輸入電壓、電流；輸出電壓、電流和功率；安全因素；輸出紋波；電磁兼容和電磁干擾；體積限制；功耗及成本限制等方面。LPC2214要使用四組電源：數(shù)字3.3V、1.8V和模擬3.3V、1.8V。理想情況下，需提供4組獨(dú)立電源：兩組3.3V電源和兩組1.8V電源，它們需要單點(diǎn)接地或大面積接地。本系統(tǒng)設(shè)計了兩組電源：I/O口供電電源為3.3V，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為1.8V。因?yàn)橄到y(tǒng)對電壓要求比較高，且功耗不大，我們采用SPXlll7芯片實(shí)現(xiàn)所需要的3.3v和1.8V電源，其特點(diǎn)是輸出電流大，電壓精度高，系統(tǒng)電源電路如圖3.1