2022年avr单片机的太阳能发电量检测系统的设计方案.docx

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1、精品学习资源基于 AVR单片机的太阳能发电量检测装置的设计欢迎下载精品学习资源任涛1沈孝龙1杨双翼 2 吴伟1欢迎下载精品学习资源（1. 南京信息工程高校电子与信息工程学院, 江苏 南京 210044 ； 2. 南京信息工程高校信息与把握学院，江苏 南京 210044 ）摘要： 发电量检测是太阳能光伏发电系统的重要组成部分；本文设计了一种精度更高，功耗、成本更低的太阳能发电量检测系统；系统以AVR单片机为把握器，防止了数模转换器等引起的能量消耗并最大程度地简化了系统结构；同时引入了霍尔电流传感器，可以几乎无损耗地将电流信号转换为电压信号；试验结果说明：太阳能发电系统正常工作时，太阳能发电量能够

2、实时显示在显示屏上，且误差率不超过5%；关键词： 太阳能；电量检测；AVR单片机；系统设计中图分类号： TP368.1 ；TK511Design of solar power generating capacity detectionsystem based on AVR欢迎下载精品学习资源RENTao1 SHEN Xiao-long 1YANG Shuang-yi2WUWei1欢迎下载精品学习资源1. College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and

3、 Technology,Nanjing, Jiangsu 210044, China ； 2. College of Informationand Control,NanjingUniversityof Information Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 210044, ChinaAbstract:Power measurement is an importantpart of solar photovoltaicpower generation system.This paperpresent a solar power generati

4、ng capacity detection system that consume less energy, cost lower and give a more precise value. The system uses AVR single chip microcomputer as the controller, avoiding consumption of analog- digital conversion and others and simplify system structure. And at the same time, Hall Current Sensor is

5、used to change current signals into voltage signals with lesser energy consumption. The experimental results show that solar power generation can be displayed on the screen in real time and the error rate will notexceed 5% when working.Key words: solar energy ； power detection； AVR single chip micro

6、computer ； system design太阳能的利用已经成为化解能源危机的一条途径；因而，国内外的相关科研、技术和产业部门都在积极致力于太阳能相关设备的争论和开发，并取得了相当的成就与进展；如高层建筑的太阳能与建筑的一体化可以中意生活热水、制冷、采暖需求；太阳能电动汽车的设计可以实现节能减排；太阳能在农业上的应用如太阳能施肥- 喷药一体机不仅环保，仍解决了农村地区交通不便等问题；目前，太阳能源的利用主要分为：太阳能发电和蓄能；太阳能发电是新兴的可再生能源技术，目前已实现产业化作用的主要是太阳能光伏发电和太阳能光热发电；太阳能蓄能除了利用蓄电池储备电能之外，仍可以利用太阳能直接加热冷欢迎

7、下载精品学习资源水供应需用热水用户，这是我们都熟知的一项太阳能利用途径，现在楼宇建筑中集中热水供应系统中很多都接受了太阳能热水系统和技术；仍可以将太阳能产生的余外电能引水上山，把低处水库的引上高处的水库，将电能转化为水的势能，在需用电能的时候，再将势能通过水利发电机组转化成电能；太阳能发电是最直接的途径，但是由于太阳能电池板的转化效率比较低，目前砷化镓太阳能电池理论上能达到28.8%，而一般太阳能电池转化率仅在20%左右；因而，太阳能发电系统又有新的争论进展；如目前争论利用聚焦的太阳能加热工质水，将水加热为蒸汽，在推动汽轮机时带动发电机发电；太阳能发电的优点是：1 能源可再生； 2 真正低碳清

8、洁能源；3 不受资源分布地域的限制；为此，结合目前情形我们提出了一种适用于小办公区域或别墅使用的小用户太阳能发电及配电系统，其主要目的是依据太阳能发电量实现家用电器按优先级别自主完成设定的工作，然后将电能转换成热能和空气能储备，最大可能的实现太阳能利用，同时实现太阳能发电与市电相互切换，以防止太阳能发电不足时保证区域的正常用电；该小用户太阳能发电及配电系统包括：太阳能电池板、发电量检测、蓄电池组、逆变器和爱惜电路等 等，其中发电量检测是关键部分，它供应整个太阳能发电量的信息，是整个系统牢靠工作的基础，因此系统的要求是精确检测、工作牢靠；1 太阳能发电量检测装置1.1 太阳能发电量检测系统目前，

9、有人提出基于物联网的太阳能发电量检测系统，此系统分为三部分：传感器数据采集节点、主控节点和远程监测中心；系统不仅能实现对太阳能发电系统参数的实时监测，而且用户和工作人员可以很便利的通过3G 或者互联网进行查询，为分析、把握和设计、改善发电系统的性能供应依据；但是，此系统工程造价昂贵，结构也较为复杂，并不适合小用户太阳能发电系统；而现在普遍流行的是一种以AT89S52 单片机为把握器的太阳能发电量检测系统，这个装置系统不仅结构简洁、成本低廉、免爱惜、耗电量小而且能够有效的实时监控太阳能电池的发电量，这不失为一个比较优良的检测系统，但是由于单片机只能处理数字信号，所以加入了A/D 转换器等模块，而

10、A/D 等模块的驱动也需要能源， 这在无形中也会造成不必要的能源消耗；结合这些系统方案的优缺点，我们设计一套基于AVR 单片机的太阳能发电量检测系统的思路；与前面的发电量检测系统相比，此系统简洁便利，工程造价比较低，精确性也比较高，能广泛适用于小用户太阳能发电系统；1.2 太阳能发电量检测系统的设计我们设计的系统的主要功能是：以AVR 单片机为把握器，对太阳能电池发电量进行数据采集，并实时地显示在液晶显示屏上；一般，独立太阳能发电系统主要由太阳能电池组件、充电把握器（内含MPPT模块）、显示模块，电压衰减模块，电压放大模块，蓄电池组成，如要为沟通负载供电，仍需要配置沟通逆变器；我们的设计构思如

11、图1；总电路包括太阳能电池板，电压衰减电路，电压放大电路，霍尔电流传感器，光合太阳能充电把握器， LCD1602显示器，以及 AVR单片机，图 2 为电路原理图；欢迎下载精品学习资源图 1 太阳能发电量检测系统设计思路图 2 电路原理图Fig. 1 Design of solar power capacity detection systemFig.2 The circuit principle diagram1.2.1 系统电源设计为了便于前期的检测本系统，可以接受双电源：220V 转 5V 电源和蓄电池经稳压变压电源；（ 1） 220V 转 5V 电源，通常外接电源电压不稳固需要经过滤波稳

12、压后才能供应单片机, 使之能更加牢靠地运行；（2）蓄电池电源，本系统是长期使用并且独立发电的，而干电池寿命有限，所以长期工作状态中不宜用于电池供电，系统内部的蓄电池供电为正确选择；在设计中单片机和LCD1602需要 +5V 电压，霍尔电流传感器需要15V 电压；设计中接受 7805,7815,7915三端稳压集成电路来分别供应+5V， +15V和 -15V 电压；1.2.2 单片机电路ATmega32单片机是基于增强的AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS微把握器；由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega32 的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功

13、耗和处理速度之间的冲突；AVR内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器；全部的寄存器直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以再一个时钟周期内同时拜望两个独立的寄存器；1.2.3 I/V转换模块和 V/V 转换模块单片机只能处理 0-5V 的电压信号，所以需要将太阳能电池板或蓄电池所释放的电流信号转换为相应的电压信号；太阳能电池板的输出电压规格是0-20V ，电流为 0-5A ，因此必需将电流值转换为相应的电压信号；此电路包括霍尔电流传感器，电阻以及集成运算放大器 0P07；霍尔电流传感器是此转换电路的核心，功率计要求在尽可能不影响电池板电能输出的情形下才能检测其功率，所以I/V转换

14、的功耗要尽可能的低，电路中接受的是TBC10SY型霍尔电流传感器，依据霍尔效应原理，在消耗相当少电能的情形下将电流信号 转换为电压信号； TBC10SY双环系列闭环霍尔电流传感器的初、次级之间是绝缘的，具有超强抗干扰才能；用于测量直流、沟通和脉动电流；当待测电流从传感器穿过，即可在输 出端测得电压大小； I/V转换电路如图 3；欢迎下载精品学习资源虽然霍尔电流传感器能够无损耗的转换电流电压，但太阳能电池板输出电流较小且经过霍尔电流传感器之后输出电压仅为几十毫伏，很难测准，所以要经过OP07集成运算放大 器来放大； OP07 芯片是一种低噪声非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路；由于OP07 具

15、有较低的输入失调电压（对于OP07A最大 25V），所以 OP07 在很多场合不需要额外的调零动作； OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为 2nA）与开环增益高（对于OP07A为300V/mV）等特点，这种低失调，高开环增益的特性，这使得OP07 特别适合用于高增益的测量设备和放大传感器的脆弱信号等方面；正反馈放大电路如图4；由于实时功率的测量需要同时采集到电压值和电流值；而太阳能电池板电压为0-22V， 以及单片机的处理电压均为0-5V ；所以太阳能电池板和蓄电池的输出电压以及电流经过霍尔电流传感器按比例转换得出电压值必需要衰减或放大到0-5V ；依据电压电阻之间的线性关系，将0-1

16、4A 按比例转换为 0-5V, 电压 0-20V 按比例转换为 0-5V ；衰减电路如图5；图 3 I/V转换电路图 4 OP07 正反馈放大电路图 5 衰减电路Fig. 3 The I/V conversion circuit Fig.4OP07 positive feedback amplification circuit Fig. 5 Attenuating circuit1.2.4 LCD1602显示电路本设计接受 LCD1602 液晶显示屏显示，其具有体积小、功耗低、界面大方等优点，这里使用 YB1602 液晶屏， 1602 显示模块用点阵图形显示字符，显示模式分为2 行 16 个字

17、符；1.2.5 充电把握器由于在工作时，随着光照温度等因素不断变化，必定会导致端电压急剧变化；此时就需要充电把握器了；充电把握器，一方面能够延长蓄电池的使用寿命，另一方面在充电过程中仍能削减损耗，爱惜蓄电池充电过量造成损害；系统接受以MPPT把握器为核心的充电把握电路；1.2.6 发电量检测软件设计系统程序主要包括： LCD1602显示程序， AD转换模块，单片机主程序；欢迎下载精品学习资源图 6 流程图Fig. 6 Flow chart由此可知，工作原理为：太阳能电池板接受光照时产生电压和电流信号，通过太阳能充电把握器对蓄电池充电，蓄电池经过稳压电路位单片机供应驱动电压，电池板产生的电压和电

18、流分别经过V/V、I/V转换电路并衰减或放大使其电压不超过5V，再经过模数转换为数字信号，经过单片机内部处理将功率值实时显示在LCD1602液晶屏上；1.3 系统的调试1.3.1 性能要求（1） 电量检测装置能够测量0.5w-999.0w的功率且平均误差率 5%；（2） 太阳能电池板规格：最大功率160w ；最大输出电压 22V ；最大输出电流 6A ；（3） 蓄电池规格：型号6-DZ-12 ；额定电压 12V ；额定容量 12Ah ；1.3.2 软硬件设置电量测量电路中太阳能电池电压衰减倍数为1/4.5,霍尔电流传感器输入电流与输出电压比为 4，电压放大电路放大倍数为4；2 太阳能发电量检测

19、装置的系统测试太阳能电池板在太阳能发电系统的电力电子装置的试验室争论中扮演了相当重要的角色；但是当日照强度很低或者夜晚的时候，太阳能电池阵列失去了输出功率；这时，争论工作就受到了外界条件的限制，我们可以通过模拟太阳能电池的方法来解决这个问题；2整个系统的实际检验需要在特定的条件下才能进行，太阳能电池的工作效能与光强， 外界环境温度，阳光照射角度，阳光的光谱分布等因素有关；所以测量太阳能电池的输出功率必需依据 IEC TC-82 的行业标准；标准为： AM（ air-mass大气质量） =1.5 ，光的输入功率 =1000W/m，测试温度为 25C由于条件限制，在试验室情形下，接受电压源电流源模

20、拟太阳能电池测得数据如图7 ；欢迎下载精品学习资源1.11.51.72.052.532.53.634.23.64.94.24.85.60.40.770.60.90.91.251.60.2250.34930.642450.220.20.060.220.20.20.1870.160.080.0530.0500.020.051234567891011121314151617181920功率测量比较图测量值实际值误差率12.7111211.28.37.47.45.25.96.76.48.1图 7 模拟太阳能电池测量数据与实际数据比较图Fig. 7 Comparison of the simulatio

21、n of solar measurement data and the actual data如以下图，实际值越小测量值的误差越大，比如输出电压为3V 时，实际值与测量值的误差达到了77%，当输出电压为6V 时，实际值与测量值的误差达到了44%，但是当实际功率超过 6W 的时候，误差率就不超过5%了；实际中，太阳能电池的有效工作时的发电功率 在 120W左右，所以系统能很好的完成太阳能发电量的检测；整个系统的调试均是在试验室条件下进行的，用试验室电源模拟太阳能电池，虽然不能很好的表现出太阳能电池的原始性能，且有些特点表现的也过于理想化，所以会有很大的局限性；但设计的重点不在于测量太阳能电池板的

22、性能，而是要检验设计进行功率检测的精确度，因此是能够反应设计成效的；从测量结果来看发电量检测达到了预期目标；3 结论本文提出并设计了一种基于AVR 单片机的太阳能发电量检测系统；系统能够将所测得值实时显示在液晶屏幕上；由试验过程和结果分析可知，此系统结构比较简洁，能够实时并精确地显示太阳能发电量以及用电器用电量，可以为调配电力供应有力的数据支持，同时仍削减了一些不必要的能量消耗，这对于太阳能最大程度化的利用具有较重大意义；而且此系统装置器件寿命较长，耐用牢靠，并且具有通用性，仍可以灵敏应用于其它数据采集的工程领域；参考文献：1 娄清辉 李存霖 陈志鹏等 . 太阳能槽式直接蒸汽发电系统集成方案的

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