基于AD574的太阳能电池监测系统

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是美国核拟器件公司AnalogDevices）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。

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－55C至+125℃，精度为±0.5C［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0.25C，即可达到设计要求，此时最大转换时间小于187.5ms，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。

2.2.2AD574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。