l、引言

　　太陽(yáng)能電池組件發(fā)電時(shí)并不是將其接收到的所有光能轉(zhuǎn)化為電能，而是只有一小部分轉(zhuǎn)化為電能，大部分能量以熱能的形式在太陽(yáng)能電池組件的背板上揮發(fā)掉了，同時(shí)熱能的揮發(fā)也會(huì)增加太陽(yáng)能電池組件背板的溫度，從而降低了能量的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于這一現(xiàn)象，研究者提出了對(duì)常規(guī)太陽(yáng)能電池組件，散熱太陽(yáng)電池組件，蓄冷太陽(yáng)電池組件進(jìn)行對(duì)比研究，通過(guò)蓄冷設(shè)備降低太陽(yáng)能電池組件背板的溫度，提高能量的轉(zhuǎn)換效率。這就要求系統(tǒng)對(duì)電池組件溫度的檢測(cè)具有足夠的精度和實(shí)時(shí)性。鑒于此，本系統(tǒng)采用精度為0.1℃的鉑電阻溫度傳感器Pt100為測(cè)溫元件，以Philips公司的ARM7芯片LPC2124為控制器，使用繼電器對(duì)溫度傳感器進(jìn)行切換，從而滿足了系統(tǒng)的精度與實(shí)時(shí)性要求。

2、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要由前端測(cè)量電路，LPC2124控制器和數(shù)據(jù)傳輸單元組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。前端測(cè)量電路包括溫度測(cè)量、輻照度測(cè)量、電壓測(cè)量和電流測(cè)量：溫度測(cè)量主要是通過(guò)恒流源獲取溫度信號(hào)，將電阻量轉(zhuǎn)化為電壓量，并經(jīng)放大電路送入控制器；輻照度測(cè)量是將輻照度傳感器微弱的電壓信號(hào)放大后傳入ARM控制器；電壓測(cè)量和電流測(cè)量是為了獲取太陽(yáng)能電池組件的功率，以便對(duì)各組件在相同條件下的發(fā)電效率進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)傳輸單元通過(guò)RS485總線將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)，供上位機(jī)處理、存儲(chǔ)和繪圖。

3、系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 LPC2124簡(jiǎn)介

　　本系統(tǒng)主控制器選用Philips公司的LPC2124芯片，LPC2124是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-S內(nèi)核，并內(nèi)置256 KB的高速Flash存儲(chǔ)器。4路10 位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44μs，46 個(gè)GPIO為系統(tǒng)提供了的豐富的I/O口，不需要擴(kuò)展即可滿足系統(tǒng)的要求[1]。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、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器等應(yīng)用。128 位寬度的存儲(chǔ)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(shí)鐘速率下運(yùn)行，極大地滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

3.2 鉑電阻溫度傳感器Pt100測(cè)溫原理

　　Pt100 是電阻式溫度傳感器，Pt100作為常用的測(cè)溫傳感器，其電阻值反映了它所處位置的溫度。鉑電阻具有較高的精度、較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，是高精度測(cè)溫用標(biāo)準(zhǔn)傳感器。它的溫度范圍是：鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示，在范圍內(nèi)：

表達(dá)式中t的一次冪以上項(xiàng)的系數(shù)非常小，可以看出電阻與溫度的關(guān)系具有較好的線性度。由于該表達(dá)式比較復(fù)雜，用ARM控制器處理這樣的計(jì)算過(guò)程，將會(huì)占用大量的資源和CPU時(shí)間，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，所以本設(shè)計(jì)采用數(shù)字非線性補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ炔楸恚ㄒ?度為單位建表），再插值換算出溫度，從而大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

　　Pt100作為電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。鑒于此，測(cè)溫的方法有電橋法，恒壓源法和恒流源法，具體測(cè)量原理圖如圖2所示。

PT100接線方式分為兩線、三線或四線制，如圖3所示。二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來(lái)引出電阻信號(hào)的方式叫二線制。這種引線方法很簡(jiǎn)單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻R，因此這種引線方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合。三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制。這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過(guò)程控制中的最常用的引線電阻。四線制：在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制。其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U，再通過(guò)另兩根引線把U引至二次儀表。可見(jiàn)這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測(cè)。

本系統(tǒng)采用四線制的接線方式，適應(yīng)在惡劣環(huán)境條件下工作，消除了接線長(zhǎng)度不同所導(dǎo)致的誤差，消除了因環(huán)境溫度變化而引起的接線電阻所產(chǎn)生的誤差，從而消除了溫度測(cè)量的動(dòng)態(tài)誤差，提高并保證了溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度，為對(duì)太陽(yáng)能電池組件在相同條件下單位面積的發(fā)電功率的比較分析提供了第一手真實(shí)而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.3 恒流源電路的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中，要精確地測(cè)溫，首先就要準(zhǔn)確地測(cè)出鉑電阻溫度傳感器的電阻值，而測(cè)量電阻最有效的方法就是采用恒流源電路，使恒定的電流流過(guò)所要測(cè)量的熱電阻，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。由電壓值就可求出電阻值，從而測(cè)得溫度值。利用運(yùn)算放大器虛短與虛斷[2]的特征和精密基準(zhǔn)電壓源LM399穩(wěn)壓的特征構(gòu)成了一個(gè)電流調(diào)節(jié)范圍寬，溫票小，恒流穩(wěn)定性高的恒流源。精密基準(zhǔn)電壓源LM399是溫度系數(shù)非常低的特性，內(nèi)部有恒溫電路,可保證器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，它的輸出電壓可得到精確而穩(wěn)定的6.95V電壓基準(zhǔn)[3]。

　　如圖4所示為本系統(tǒng)的恒流源測(cè)溫電路，由于運(yùn)算放大器虛短的特性，造成放大器的反相輸入端虛地的結(jié)果，電壓為0V；而大小為1KΩ的電阻R2下端運(yùn)用了精密的電壓源LM399，外加調(diào)整電路，該點(diǎn)電壓可調(diào)整范圍0～6.95V，電阻R2上流過(guò)的電壓為I=V/R2；又由于運(yùn)算放大器虛斷的特性，其反向輸入端輸入電流Iin=0A, 所以流過(guò)鉑電阻溫度傳感器Ptl00的電流為I=V/R2，從而達(dá)到恒流的效果[4]。經(jīng)恒流源所獲得的電壓信號(hào)通過(guò)后級(jí)放大電路放大后輸入到LPC2124內(nèi)置的10位A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后供控制器處理。

在本恒流源電路中器件的溫度特性對(duì)整個(gè)電路的恒流效果有很大的影響，特別是運(yùn)算放大器和電阻R2要選用溫度特性好的器件，以保證恒流效果。該電路按照以上原則選用器件，獲得了很好的恒流效果和溫度特性，使太陽(yáng)能測(cè)試系統(tǒng)適應(yīng)了戶外的惡劣溫度條件，采集到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4、軟件編程

　　由于本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，所以采用傳統(tǒng)的裸機(jī)方式（未引入嵌入式操作系統(tǒng)，如μC／OS-II等）進(jìn)行軟件編程，節(jié)省了系統(tǒng)的硬件資源，提高了實(shí)時(shí)性[5]。對(duì)LPC2124的A/D轉(zhuǎn)換器獲得的數(shù)字量，采用中值濾波法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體方法是將十次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉最大值與最小值，然后取平均，這種方法有效地防止了受到突發(fā)脈沖干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)入。具體程序如下所示：

//---------中值濾波-----------
paixu();
ALLdata_4=data_8[2]+data_8[3]+data_8[4]+data_8[5];
Measure=ALLdata_4>>2;
ALLdata_4=0;
//---------軟件調(diào)零-------
if(Measure<=zeros[flag]) Measure=0;
else if(flag==14) { Measure=Measure+zeros1[flag]; }
else Measure=Measure-zeros1[flag];
if(flag<14) {data_processing();}
else if(flag==22)
{if(Measure<=50) Measure=Measure*10-1;
else Measure=Measure*times[flag];}
else Measure=Measure*times[flag];

　　本系統(tǒng)采用數(shù)字非線性補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)電壓值轉(zhuǎn)化為溫度值。先以5度為單位建表，查表，將溫度確定在某一段5度的范圍內(nèi)，再插值換算出溫度，從而大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，查表計(jì)算溫度的流程圖如圖5所示。

5、總結(jié)

　　本系統(tǒng)采用ARM7芯片LPC2124，外加鉑電阻傳感器Pt100和電流、電壓、輻照等測(cè)量電路構(gòu)成了一個(gè)多參量測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于電流和輻照的測(cè)量最終都是轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。本系統(tǒng)對(duì)于大電流的測(cè)量采用電流傳感器來(lái)采集太陽(yáng)能電池發(fā)電電流的信號(hào)，傳感器將直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，傳到A/D；輻照度通過(guò)輻照度傳感器將輻照轉(zhuǎn)化為0～20mv的電壓信號(hào)，經(jīng)后續(xù)放大后傳入LPC2124。本系統(tǒng)應(yīng)用在太陽(yáng)能測(cè)試中，由工程實(shí)踐證明，基于ARM的太陽(yáng)能電池組件多電量測(cè)量系統(tǒng)不僅測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、溫度特性好，而且性價(jià)比高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，是一套實(shí)用的多電量測(cè)試平臺(tái)。