作者：胡萬斌、吳黎明、蘇永峰、王桂棠、千在龍　　單位：廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院

l、引言

　　太陽能電池組件發(fā)電時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能電池組件的背板上揮發(fā)掉了，同時熱能的揮發(fā)也會增加太陽能電池組件背板的溫度，從而降低了能量的轉(zhuǎn)換效率。對于這一現(xiàn)象，研究者提出了對常規(guī)太陽能電池組件，散熱太陽電池組件，蓄冷太陽電池組件進(jìn)行對比研究，通過蓄冷設(shè)備降低太陽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)對電池組件溫度的檢測具有足夠的精度和實時性。鑒于此，本系統(tǒng)采用精度為0.1℃的鉑電阻溫度傳感器Pt100為測溫元件，以Philips公司的ARM7芯片LPC2124為控制器，使用繼電器對溫度傳感器進(jìn)行切換，從而滿足了系統(tǒng)的精度與實時性要求。

2、系統(tǒng)的總體設(shè)計

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

 
3、系統(tǒng)功能的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 LPC2124簡介

　　本系統(tǒng)主控制器選用Philips公司的LPC2124芯片，LPC2124是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-S內(nèi)核，并內(nèi)置256 KB的高速Flash存儲器。4路10 位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低至2.44μs，46 個GPIO為系統(tǒng)提供了的豐富的I/O口，不需要擴展即可滿足系統(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 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，極大地滿足了系統(tǒng)的實時性要求。

3.2 鉑電阻溫度傳感器Pt100測溫原理

　　Pt100 是電阻式溫度傳感器，Pt100作為常用的測溫傳感器，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、較好的長期穩(wěn)定性，是高精度測溫用標(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算過程，將會占用大量的資源和CPU時間，影響系統(tǒng)的實時性，所以本設(shè)計采用數(shù)字非線性補償?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，測溫的本質(zhì)其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。鑒于此，測溫的方法有電橋法，恒壓源法和恒流源法，具體測量原理圖如圖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)線來引出電阻信號的方式叫二線制。這種引線方法很簡單，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量精度較低的場合。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)過程控制中的最常用的引線電阻。四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(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U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表?？梢娺@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。

　　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，從而消除了溫度測量的動態(tài)誤差，提高并保證了溫度測量的準(zhǔn)確度，為對太陽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而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.3 恒流源電路的設(shè)計

　　本系統(tǒng)中，要精確地測溫，首先就要準(zhǔn)確地測出鉑電阻溫度傳感器的電阻值，而測量電阻最有效的方法就是采用恒流源電路，使恒定的電流流過所要測量的熱電阻，將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓