论文总字数：17426字

摘 要

Astract 4

第一章 绪论 5

1.1单片机的发展过程 5

1.1.1单片机的优势 5

1.2喷淋系统的应用 6

1.2.1不同形式的喷头选择 6

1.3太阳能利用与发展 7

1.3.1光伏发电的特点 7

第二章 太阳能电池的分析和研究 9

2.1太阳能电池的发电原理 9

2.2太阳能储存方式 9

2.3太阳能电池的等效电路 10

2.4 太阳能电池板的输出特性及影响因素 11

2.4.1光伏电池的主要参数 11

2.4.2太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 13

2.4.3 温度对光伏电池输出特性的影响 13

第三章 硬件设计 15

3.1太阳能智能喷淋系统 15

3.1.1单片机选用及模块设计 15

3.1.2 模数转换模块ADC0809简介 16

3.1.3 分频器的设计 18

3.2 单片机的干扰 19

3.3电源电路 19

3.4 串行通信 20

3.5键盘电路 21

3.6电机控制 22

3.7稳压电路 22

第四章 程序设计 24

4.1键盘程序 24

4.2 A/D转换子程序 24

4.3初始化程序 25

4.4运行状态下的程序 25

第五章 结论 26

太阳能目前的发展状况及发展前景

摘要

太阳能是目前为止最为清洁安全且可视为储量无限的能源，且其造价低廉，量产技术较为成熟。经过数十年的发展，太阳能已经在全球上百个国家普及使用，但仍然存在的是其输出电压不稳定，持续性较差，对气象条件要求较高等缺点，但是目前的太阳能技术已经可以满足家庭的电量需求，相信经过未来更为发达的太阳能技术，人类可以使太阳能满足国家的能源需求。降低传统燃料能源的污染，因此研究太阳能技术变得更加重要。

本设计以AT89C51单片机为核心并配合DS18B20的温度传感器设计出的智能的太阳能喷浴系统，本模块由显示模块，告警模块水位控制模块以及电机运行模块等组成，本文给出了模块的电路图及系统原理。显示屏在显示水位电路不足时会运行告警模块，提醒人工检查喷淋系统水位，在水位超过界限时也会运行告警模块来提醒值班人检查水位状况。此系统可以有效的解决太阳能喷淋系统注水时无人监视时造成资源浪费等现象。方便我们生活，且与传统非智能的机械喷淋系统比较具有抗干扰能力强，结构简单等优点。

关键词：单片机AT89C51；DS18B20；智能告警模块；水位控制；

Current development status and development prospects of solar energy

Astract

Solar energy is by far the cleanest and safest, and can be regarded as an energy source with unlimited reserves, and its cost is low, and mass production technology is relatively mature. After decades of development, solar energy has been widely used in hundreds of countries around the world, but there are still shortcomings such as unstable output voltage, poor persistence, and high requirements for meteorological conditions, but current solar technology can already meet The household's electricity demand, I believe that through the more developed solar technology in the future, humans can make solar energy meet the country's energy needs. Reducing the pollution of traditional fuel energy, so research on solar technology has become more important.

This design uses the AT89C51 single-chip microcomputer as the core and cooperates with the temperature sensor of DS18B20 to design the intelligent solar water jet bath system. This module is composed of display module, alarm module water level control module and motor running module. The circuit diagram and system of the module are given in this paper. principle. When the display shows that the water level circuit is insufficient, the alarm module will be run to remind the manual to check the water level of the spray system.^[1][1] When the water level exceeds the limit, the alarm module will also be run to remind the duty person to check the water level. This system can effectively solve the problem of waste of resources caused by unattended monitoring when the solar spray system is filled with water. It is convenient for us to live, and has the advantages of strong anti-interference ability and simple structure compared with traditional non-intelligent mechanical sprinkler system.

Key words: single-chip AT89C51; DS18B20; intelligent alarm module; water level contro

第一章 绪论

1.1单片机的发展过程

单片机作为一种类似微型计算机的特殊芯片，在各个领域都能有它的身影出现，无论是我们家中的各种电器还是关乎到国防等重要领域它都是不可或缺的，在人类科学技术的发展下单片机已经充斥了我们的生活之中。单片机作为工业和嵌入控制领域中的核心组成部分，有着非常广阔的发展空间。他并不是仅仅能完成某个所需的逻辑功能，它还可以把复杂的计算机系统所需的功能集中在一块微小的芯片上，就相当于一个微型的掌上计算机。与传统的计算机相比只是缺少了I/O口，总体来说，它的简便，质量可靠，价格低廉等各种优点为我们其他硬件的开发提供了方便。

单片机从20年前出现开始在半导体技术的飞速发展下已经经历了数代的发展和演变。从它作为硕大规模的集成电路及其MPU技术发展为先驱，在各种领域的需求下，单片机已经有者更具特点的发展。现代半导体工业的进步,微处理器已经完成数已累计的更新换代，以传统386等为代表的微处理器已经早已被淘汰，而HC50单片机等也有近16岁的高龄。这是因为相应领域的需求不断增加同时同类CPU为核心的MPU可以集成跟多的I/O模块的新型单片机不断现世，我们可以预言，一些成功的年轻的单片机在不断加入的I/O模块下也会有更多的生存周期。随着各种单片机的现世，给不同的用户有了更多的选择空间。

1.1.1单片机的优势

单片机所具有的种种优势，已经使它成为科学技术，国家国防，社会安全等领域的有力助手，它的身影出现在各个领域，主要有以下方面。

（1）在复杂分布式系统中的，在较为复杂的工业系统中会使用分布式系统。在此系统采用多台可实现不同功能的单片机组合成多机式系统以完成系统所需的功能。它们以串行通信系统相连接，协同实现功能。此时单片机会作为一个主要系统处的终端，安在某些重要的系统节点上进行数据的测量。特定的单片机可以依靠其强抗干扰和高效性在复杂环境中可靠运行。

（2）在现代化智能仪器仪表中的应用，在现代生活中单片机已经广泛的运用于各种仪表仪之中它不仅仅可以让仪器更加智能化，而且提高测量功能的高精度化和自动智能化，简化了仪器内部的复杂结构，并提高其性能为我们的生活带来便利。

（3）在实时传输控制单元中的应用，单片机应用于实时控制单元中中。如在专业测控、航空、深海探测、等各种实时控制系统中，都可以将单片机作为核心控制器。功能性单片机具有的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。

（4）单片机自诞生以来在我们日常生活中，在大大小小的电器中都大放异彩，家用电器有者单片机的加入变得更加智能化，方便了我们生活，使我们生活丰富异彩。单片机从根本上改变了传统的控制系统的设计思路，以前需要用数字电路实现的功能现在的单片机可以在软件上轻易实现，这种微控制技术毫无疑问是一种革命。^[2][2]

（5）在机电智能化中的应用，机电智能化是当今工业发展的方向。机电智能化技术是一种将机械、微电子、计算机技术集于一体的智能技术，创造出智能化的产品以代替效率低下的传统产品，如智能控制的钻床，铣床等。单片机作为智能一体化中最为重要的核心部分，可以充分发挥它的身材小，可靠、集成率高等优点，提升了提高产品的智能化、自动化程度。          

随着半导体技术的革命式发展和各种设计电路水平的提升。单片机会不断的更新换代，逐渐缩小与计算机之间的差距，最终实现一次新的科学技术革命。

1.2喷淋系统的应用

在我国经济腾速发展的大环境下，在建筑行业不断发展，建筑所需功能愈发复杂，对建筑的现代化要求也越来越严苛，消防安全尤为重要，最为常见的消防系统如喷淋系统，它有者制造成本低，安装方便等许多优点，自动控制和人工控制是主流的两种控制方式，在安装了告警装置后，系统便可以在火灾初期便发出报警，喷淋系统可以有效的开始作用并与报警以及其他的消防设备联动作用，在火灾萌发初期便有效处理，避免了更大的火灾事故。

1.2.1不同形式的喷头选择

下表列出了四种喷淋头的应用场景及其主要作用

表1.1 喷头选择及其应用场景

1.3太阳能利用与发展

太阳能是一种自然能源，在当今世界大部分不可再生能源被人类大肆使用下，地球在不就得将来可能会面临的是能源短缺的窘迫，能源短缺将会带来非常严重的后果，给民众带来许多不必要的麻烦，能源作为一种非常重要的战略物品，甚至会对地区形势造成严重的影响。因此可再生能源是科学研究的主流方向，而太阳能这一种无污染，不枯竭，取之不尽的能源便成为这一领域的佼佼者。它的采集与利用使我们的生活更加便利，帮助我们跨向能源有效利用的时代带来更多的优点。来自太阳的辐射光和热量，在太阳能加热，光伏发电，太阳热能，太阳能发电厂和人工光合作用等方面不断发展以及利用。

它是可再生能源的重要来源，其采集技术的特征是被动采集太阳能或有源采集太阳能，这取决于它们如何收集和分配太阳能或将其转换为其他能源。^[3][3]主动太阳能技术包括使用光伏系统，集中太阳能来利用能源。被动太阳能技术包括将建筑物定向到向阳面，选择具有良好热传到或光散射特性的材料，以及设计自然循环空气的空间。

目前大量可使用的太阳能使其成为可靠的的电力来源。联合国开发计划署在其2000年世界能源评估中发现，太阳能的年潜力为1,575-49,837焦耳（EJ）。这比世界可消耗的总能耗大上好几倍。

2011年，国际能源署表示，“开发廉价，取之不尽，用之不竭的清洁太阳能技术将带来巨大的长期效益。它将通过依靠科学技术成为取之不尽，用之不竭的独立外来的能源，增加各国的能源安全水平，加强能源可持续性发展，减少污染，降低全球变暖的成本，并使化石燃料价格保持低于其他能源水平的状态。这些优势是全球性的。因此，早期部署太阳能并利用其发展是一种非常明智的行为，我们应该有效的使用和发展并分享科学技术。

1.3.1光伏发电的特点

光伏发电（PV）是使用具有光伏效应的半导体材料将光转换为电能，这是物理学，光化学和电化学共同的研究成果。^[4][4]

光伏系统采用太阳能电池板，每个太阳能电池板包括多个太阳能电池来产生电能。 光伏发电装置可以在地面安装，屋顶安装也可以壁挂式安装。支架在固定后使用太阳能跟踪器使发电面板朝向阳光入射面。^[5][5]

太阳能光伏作为一种一次性能源具有独特的优势：安装后，其运行不会产生污染，也不会产生温室气体排放，在电力需求方面表现非常可观的扩展性，除此之外硅作为制造的主要材料在地壳中大量存在。

光伏系统的主要缺点是功率输出只有在阳光直射下才等得到最佳效果，因此如果不使用跟踪系统，大约会损失10-25％左右的能量。大气层中的灰尘，云层和其他障碍物也会降低功率能耗输出。另一个重要问题是只有在主要日照时间太阳能产量才会输出集中，一般来说不符合人类活动周期中的需求值。除非当前的能耗消耗和电网的运行模式适应反时差的情况，否则电力仍然需要存储后供给其他电源才能使用。

光伏系统长期以来一直应用于专业领域，自20世纪90年代以来，独立和并网光伏系统一直使用至今。它们于2000年首次大规模生产，当时德国环保护主义者和欧洲太阳能组织获得了政府资助一万个太阳能屋顶。

科学技术进步和量产能力的扩大在降低了成本同时也提高了可靠性和光伏装置转换效率。许多国家都大力推广和支持太阳能光伏发电装置。目前为止有100多个国家使用太阳能光伏进行能耗采集。

在水力和风力发电之后，就全球能源存在容量而言，光伏发电是第三个可靠的可再生能源。截至2016年底，全球安装的光伏发电容量超过300千兆瓦（GW），占全球电力总需求的约2％。中国，其次是日本和美国，是增长最快的市场，而德国仍然是世界上最大的光伏发电生产国。^[6][6]

太阳能较传统能源的优势在于光伏发电在全世界以极快的速度发展。但是光伏发电与电网供电相比仍存在价格高，发电量不稳点的缺点，我相信在不就得将来以现在的科学技术一定能解决这些问题，让太阳能普遍的用于每家每户中。

第二章 太阳能电池的分析和研究

2.1太阳能电池的发电原理

太阳能发电的化学过程是利用太阳能来驱动化学反应。这些化学过程抵消了来自化石燃料燃烧所需的能量，并且将太阳能转换成方便存储和运输的燃料。太阳能诱导的化学反应主要分为热化学和光化学反应。通过人工光合作用可以生产各种燃料。目前通过消耗二氧化碳制造碳基燃料（如甲醇）的多电子催化仍有一定难度，另一个可行的替代方案是利用质子产生氢气。目前设想在2050年前在沿海地区建造太阳能燃料工厂将海水中的水电解，提供氢气然后通过相邻的发电厂进行发电，电离的副产品则直接进入市政的供水系统。相信在不就的将来太阳能可以覆盖地球表面，更为广泛和有效的为人类提供能源。^[7][7]

自20世纪70年代以来，氢生产技术一直是太阳能化学研究的重要领域。除了由光伏驱动和光化学电池驱动的产生氢的方式外，还研究了几种化学过程。其中0°F）下将水分解为氧气和氢气。另一种方法是使用来自太阳能聚光器的热量来驱动天然气的蒸汽重整，这种方法与传统的重整方法相比提高了整体的氢气产率。 Weizmann科学研究所目前正在开发Solzinc工艺是使用1兆瓦的太阳能炉在高于1,200°C（2,200°F）的温度下分解氧化锌（ZnO）。这种工艺可以生产出纯锌，随后与水反应生成氢气。

2.2太阳能储存方式

热能储存系统可以在持续时间内以热量形式存储太阳能。蓄热系统通常使用具有高比热容的材料，例如水，土和石头。设计的系统需要降低峰值需求并将使用时间转移到非高峰时段以降低整体供暖和制冷要求。

阶段材料如石蜡和芒硝是另一种蓄热介质。这些材料价格低廉，容易获得，并且可以提供有效的蓄热温度（约64°C-147°F）。 1948年，“Dover House”是第一个使用熔盐加热系统的人。太阳能可使用熔盐在高温下储存。盐是一种成本低且具有高比热容的储存介质，并且可以在与传统动力系统兼容的温度下提供热能。 Solar Two项目就是使用这种储能方法，使其在68m³储罐中储存1.44太焦耳（400,000 kWh）的能量，年储存效率约为99％。

离网光伏系统可使用可充电电池来存储多余的电力。并且通过并网系统可将多余的电力输入到到输电网，同时可以使用标准电网来弥补电能不足的情况。净计量程序不但可为家庭系统提供电力而且可以为电网提供电力。这可以通过在家庭产生的电量超过消耗量时“回滚”电表来处理。

从较低高度的蓄水池到较高的高度蓄水池也可获得能量，抽水蓄能水力发电以水泵的形式存储太阳能。当需求很高时，通过释放水量来恢复能量。

2.3太阳能电池的等效电路

为了更好的理解太阳能电池内部的的运行模式，图2.1是一个等效的太阳能等效电路模型。 光电组件以光伏效应产生电流，随着吸收光的强度增加电流随之增大。理想模型中的光伏电池视为PN结型二极管。在光照下可以产生正偏压。

图2.1 太阳能电池的等效电路

在上图等效电路中，流过负荷的电流I和施加在负荷上的电压V存在以下关系（式2.1）

I=0时，得到其开路电压为

（式2.2）

其中I为电池单元的输出电流；为PN结的电流(A)；是二极管反向饱和电流(A)；为外施电压(V)；q为单位电荷(库仑)；K是玻耳兹曼常数()；是绝对温度()；n为二极管指数。

理想的太阳能电池可以通过与二极管并联的电流源建模但实际上，由于内部电池存在破裂，生锈以及划伤等形成的金属桥造成部分的漏电，还有电流的损耗等因素因此在本模型中并联了一个和一个串联电阻。 因此实际的等效电路如图2.2所示此，其伏安特性可由下式给出。

图2.2 实际光伏电池等效电路

（式2.3）

2.4 太阳能电池板的输出特性及影响因素

光伏电池的输出特性主要有包括温度、光谱和伏安特性，其中的伏安和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来体现。但光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的特性关系，所以将不对其进行讨论。^[8][8]

2.4.1光伏电池的主要参数

光伏电池的几个重要技术参数在下表给出：

表2.1 光伏电池主要技术参数

以参数均可以在图2.3中表示如下：

图2.3太阳能电池的I-V特性曲线

在图2.3中，在I-V曲线上可以找到一个工作点，此点处的输出的功率最大，因此称此点为最大功率点(MPPT)，即M点。M点对应电流为最佳的工作电流，为最佳的工作电压，则为最大输出的功率，由公式结合图还可看出，光伏电池除在最大功率点以外的点工作时，其效率都低于按此点抽处定义的效率值。理论上推导，我们可对输出功率求导，即可得到该电池的最佳工作点，，从而求出最大输出功率：。但求出其解析解，很难做到。因为它受电池内部多种等效的串、并联电阻的影响，其特性方程无法用线性方程表示，具有非线性特点。图2.4可表示太阳能电池的P-V曲线。

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