一種基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)試電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)量電路，包括硅太陽(yáng)電池傳感器，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光照射后產(chǎn)生電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流?電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓模擬量，電壓模擬量經(jīng)過(guò)電壓放大電路產(chǎn)生放大的電壓信號(hào)，放大的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓濾波電路消除同時(shí)被放大的噪聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后的電壓放大信號(hào)送入AD轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，數(shù)字量送入到單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻照的精確測(cè)算并輸出。本發(fā)明將弱電信號(hào)放大，充分利用AD轉(zhuǎn)換器的輸入量程，并且通過(guò)濾波將噪聲消除，提高輻照測(cè)算精確度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)試電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)試電路，屬于光伏系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在太陽(yáng)能行業(yè)內(nèi)，隨著光伏系統(tǒng)安裝容量的快速增長(zhǎng)，光伏系統(tǒng)的運(yùn)行評(píng)估體系 逐漸建立起來(lái)，其中最重要的一點(diǎn)是光伏系統(tǒng)效率評(píng)估。光伏系統(tǒng)效率一般指實(shí)際發(fā)電輸 出與到達(dá)光伏方陣表面輻照總量的比值，輻照的準(zhǔn)確、快速測(cè)量對(duì)光伏系統(tǒng)效率評(píng)估至關(guān) 重要。而光伏效率評(píng)估的輻照強(qiáng)度的計(jì)算主要靠太陽(yáng)輻射傳感器實(shí)現(xiàn)，一種是由組合熱電 堆電路組成，能較準(zhǔn)確反應(yīng)輻射強(qiáng)度，但不能體現(xiàn)輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電到來(lái)的影響。另 一種則米用娃太陽(yáng)電池作為太陽(yáng)總福射傳感器，與光伏發(fā)電的太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)基本一 致，消除了輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電的影響。
[0003] 晶體硅太陽(yáng)電池響應(yīng)波段基本上在300nm到1200nm之間，對(duì)于小于300nm以及大于 1200nm的波段基本無(wú)響應(yīng)，與實(shí)際輻照度相比存在不可忽略的影響。單片單晶體硅太陽(yáng)電 池產(chǎn)生的開(kāi)路電壓一般在450到600mv之間，最高可達(dá)700mv，基本上認(rèn)為普通晶體娃太陽(yáng)電 池開(kāi)路電壓在〇.5v左右，單片普通硅太陽(yáng)電池作為傳感器是一個(gè)較弱的信號(hào)。以太陽(yáng)電池 作為總輻射傳感器的基本原理:太陽(yáng)電池作為傳感器，經(jīng)過(guò)日照后產(chǎn)生一定大小的電流，電 流流經(jīng)電阻產(chǎn)生相應(yīng)大小的電壓，最后電阻和AD轉(zhuǎn)換相連，單片機(jī)采集負(fù)載兩端的電壓信 號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。一般情況下而言，AD轉(zhuǎn)換電壓的電壓范圍為0到5v或者0到3v，如果直接將電阻 產(chǎn)生的電壓值直接傳給AD轉(zhuǎn)換器就沒(méi)用充分使用到AD轉(zhuǎn)換器的量程會(huì)產(chǎn)生較大誤差，并且 無(wú)法消除電路噪聲的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于硅太陽(yáng)電池的 輻照測(cè)試電路，采用硅太陽(yáng)電池傳感器將太陽(yáng)輻照轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換，放大電 路，濾波電路，AD轉(zhuǎn)換最后送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)試電路，包括單 片硅太陽(yáng)電池傳感器，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，電壓放大電路，濾波電路，AD轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)； 所述單片硅太陽(yáng)電池傳感器經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光照射后產(chǎn)生電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn) 換電路轉(zhuǎn)化為電壓模擬量，電壓模擬量經(jīng)過(guò)電壓放大電路后產(chǎn)生放大的電壓信號(hào)，放大的 電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓濾波電路消除經(jīng)電壓放大電路被放大的噪聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后的放大的 電壓信號(hào)送入AD轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，數(shù)字量被送入到單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻照的測(cè)算并 輸出。
[0006] 前述的電流-電壓轉(zhuǎn)化電路的結(jié)構(gòu)為，在運(yùn)算放大器反相端和輸出端跨接一個(gè)電 阻，同時(shí)并接電容，硅太陽(yáng)電池的電流流過(guò)電阻，輸出電壓。
[0007] 前述的電壓放大電路采用上下對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)相同的運(yùn)算放大器Al和A2緩沖輸入 電壓，通過(guò)運(yùn)算放大器A3構(gòu)成差分放大電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻改變電壓放大電路的閉環(huán)增益。
[0008] 前述的濾波電路采用二階低通濾波電路。
[0009] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：
[0010]本發(fā)明將弱電信號(hào)放大，充分利用AD轉(zhuǎn)換器的輸入量程，并且通過(guò)濾波將噪聲消 除，提高輻照測(cè)算精確度。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明的電信號(hào)傳輸流程圖；
[0012] 圖2為電流-電壓轉(zhuǎn)化電路圖；
[0013] 圖3為電壓放大電路圖；
[0014] 圖4為二階低通濾波電路圖；
[0015]圖5為AD轉(zhuǎn)換器接法示意圖；
[0016] 圖6為8051單片機(jī)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0018] 本發(fā)明基本原理為:將太陽(yáng)光物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，隨后經(jīng)過(guò)一系列電路處理， 傳輸?shù)紸D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終數(shù)字信號(hào)單片機(jī)內(nèi)完成數(shù)據(jù)量計(jì)算和輸出。
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明的基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)試電路，包括單片硅太陽(yáng)電池傳感 器，單片硅太陽(yáng)電池傳感器經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光照射后產(chǎn)生電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換 電路轉(zhuǎn)化為電壓模擬量，電壓模擬量經(jīng)過(guò)電壓放大電路后產(chǎn)生放大的電壓信號(hào)，放大的電 壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路消除經(jīng)電壓放大電路被放大的噪聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后的電壓放大信號(hào) 送入AD轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，數(shù)字量被送入到單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻照的精確測(cè)算并輸出。
[0020] 本發(fā)明通過(guò)采用硅太陽(yáng)電池作為太陽(yáng)總輻射傳感器，與光伏發(fā)電的太陽(yáng)電池光譜 響應(yīng)基本一致，消除了輻射光譜差異對(duì)光伏發(fā)電的影響。傳統(tǒng)的熱電堆式輻射傳感器對(duì)光 伏太陽(yáng)電池的光譜不敏感，例如在大于IlOOnm的紅外光分布比例較大時(shí)，目前熱電堆型輻 射傳感器測(cè)量出來(lái)的高輻射強(qiáng)度不一定對(duì)應(yīng)高的光伏系統(tǒng)發(fā)電量。同時(shí)，硅太陽(yáng)電池片成 本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱電堆成本，在縮減成本上有很大前景。
[0021] 如圖2所示電流-電壓轉(zhuǎn)化電路圖，在運(yùn)算放大器反相端和輸出端跨接一個(gè)電阻， 同時(shí)并接電容，硅太陽(yáng)電池的電流流過(guò)電阻，輸出電壓。單片硅太陽(yáng)電池傳感器產(chǎn)生的電流 經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路后，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，與此同時(shí)，該電路引入了噪聲信 號(hào)。單片硅太陽(yáng)電池傳感器的電流I流過(guò)電阻R f輸出電壓V〇,電阻的噪聲電壓密度為：
[0022] ci:=^AKTBR,
[0023]其中，K為常數(shù)，T為溫度，B是噪聲帶寬。
[0024] 信噪比：
[0025] SSR = Vtt er = ! ：< 4 K TB
[0026] 隨著電阻Rf增大，運(yùn)放的閉環(huán)帶寬會(huì)下降，在閉環(huán)帶寬和信噪比SNR之間尋求平 衡，加入電容C0,可以限制運(yùn)放的閉環(huán)帶寬，降低高頻噪聲。
[0027] 單片硅太陽(yáng)電池片的開(kāi)路電壓一般在mV級(jí)別，對(duì)于mVjV數(shù)量級(jí)的電壓信號(hào)，這些 弱信號(hào)都不易直接進(jìn)行觀測(cè)，也不易被計(jì)算機(jī)采集和處理，更不能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 控制。因此，必須通過(guò)電壓放大電路將弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，使之滿足后續(xù)電路所要求的電 量。如圖3所示為弱電壓信號(hào)放大電路電路圖，其基本結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱(chēng)，即圖中R1=R2，R3 = R4，R5 = R6,通過(guò)調(diào)節(jié)Rg可以改變放大器的閉環(huán)增益，運(yùn)算放大器Al和A2使用相同的運(yùn)算放 大器則輸出電壓和漂移電壓相等，經(jīng)A3差放后，將被相互抵消。該電路可以提供兩輸入端匹 配的高阻抗，使得輸入源阻抗對(duì)電路的共模抑制影響最小。運(yùn)算放大器Al和A2用于緩沖輸 入電壓，運(yùn)算放大器A3構(gòu)成差分放大電路。同時(shí)單片硅將太陽(yáng)電池傳感器的電流I流過(guò)電阻 Rf輸出電壓Vo傳遞到Uii、Ui2與運(yùn)算放大器AO的' + '接線段相連接地，
[0028] 則電壓Vo經(jīng)過(guò)電壓放大電路放大以后變?yōu)閁0:
[0029] 令Rl = R2，R3 = R4，R5 = R6，則 U0為：
[0030] U0= (Ui2-Uii) ( 1+2R5/Rg) (R3/R1),
[0031] 整個(gè)電路具有很好的共模抑制能力，很小的輸入失調(diào)電壓以及較高的差模電壓增 益。
[0032] 當(dāng)弱電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓放大電路時(shí)，其中的噪聲信號(hào)也會(huì)隨之被放大，由此為提 高最終數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，需要添加濾波電路。對(duì)于傳感器信號(hào)濾波最常用的是RC有源模擬濾波 器，由運(yùn)放和電阻電容構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。娃太陽(yáng)電池片輸出的為直流電，雖然隨著太 陽(yáng)輻照強(qiáng)度的變化其電流電壓頻率會(huì)發(fā)生改變，但其頻率是較低的，這里選擇低通濾波器。 如圖4所示二階低通濾波電路圖，為了使輸出電壓在高頻段以更快的速度下降，提高低通濾 波器濾除噪聲的能力，這里選擇了二階低通濾波器。電容選擇同樣的電容電阻組合，即R7與 R8電阻等，R9與RlO電阻相等，Cl與C2電容相等，濾波器的截止頻率可以通過(guò)公式 ?? =2rr f。= &，根據(jù)信號(hào)頻率選擇合適電阻和電容大小。
[0033]如圖5所示為典型AD轉(zhuǎn)換器接法，根據(jù)實(shí)際要求，對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的精度、有效位數(shù)、信 噪比和轉(zhuǎn)換速度應(yīng)首先予以考慮。對(duì)于太陽(yáng)輻照測(cè)量，因?yàn)橛涗洉r(shí)間短，對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的要求 較高。市場(chǎng)上AD轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，只許根據(jù)實(shí)際需要選擇滿足要求的AD轉(zhuǎn)換器即可。圖示 AD轉(zhuǎn)換器，CS先為低電平，WR隨后置低，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，將WR電平拉高，隨后AD轉(zhuǎn)換器即被 啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)1到8個(gè)AD時(shí)鐘周期加上1個(gè)單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘周期以后完成AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入 數(shù)據(jù)鎖存器，同時(shí)INTR自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，通知單片機(jī)本次轉(zhuǎn)換結(jié)束。
[0034]單片機(jī)作為最終數(shù)據(jù)接收端和控制端，必須具有高可靠性和穩(wěn)定性。其作為一種 可編程控制的微處理器，單片機(jī)本身不能單獨(dú)運(yùn)用于某項(xiàng)工程或產(chǎn)品上，它必須要靠外圍 數(shù)字器件或模擬器件的協(xié)調(diào)才可發(fā)揮其自身強(qiáng)大的功能。根據(jù)實(shí)際需要選擇不同性能的單 片機(jī)如31：11161、81：(3 4；[(3、3￥1'等等。這里以典型的8051單片機(jī)為例講訴單片機(jī)基本功能。如圖 6所示8051單片機(jī)示意圖，基于8051內(nèi)核的單片機(jī)，若引腳數(shù)相同或封裝相同，它們的引腳 功能是相通的，其中用的最多的是40腳DIP封裝的51單片機(jī)，也有20,28，32,44等不同引腳 的51單片機(jī)。VCC(40腳）、GND(20腳）：?jiǎn)纹瑱C(jī)電源引腳。XTALl (19腳）、XTAL2 (18腳）：外接時(shí) 鐘引腳。RST (9腳）：?jiǎn)纹瑱C(jī)的復(fù)位引腳。PSEN(29腳）：程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端。ALE/PR0G (30引腳）：在單片機(jī)擴(kuò)展外部RAM時(shí)，ALE用于控制把PO口的低8位地址送鎖存器鎖存起來(lái)， 實(shí)現(xiàn)地位地址和數(shù)據(jù)的隔離。EA/VPP(31引腳）：EA接高電平時(shí)，單片機(jī)讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ) 器。EA接低電平時(shí)，單片機(jī)直接讀取外部(ROM)。I/O口引腳:PO 口、Pl 口、P2 口和P3 口，PO 口 (39到32腳）：雙向8位三態(tài)I/O口，每個(gè)口可以獨(dú)立控制，PO口內(nèi)部沒(méi)用上拉電阻，為高阻狀 態(tài)，所以不能正常地輸入高/低電平，需要外加上拉電阻。Pl 口（1到8腳）：準(zhǔn)雙向8位I/O口， 每個(gè)口可以獨(dú)立控制，內(nèi)帶上拉電阻，這種接法輸出沒(méi)有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，因此 不是真正的雙向I/O口，在進(jìn)行寫(xiě)操作之前需要對(duì)該口進(jìn)行寫(xiě)1操作，然后單片機(jī)才可以正 確讀出外部信號(hào)。P2 口和P3 口功能與Pl 口相似。此外，P3.0第二功能是RXD串行輸入口；P3.1 口第二功能是TXD串行輸出口；P3.2第二功能是INTO外部中斷0 ;P3.3第二功能是INTl外部 中斷1;P3.4第二功能是TO定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部輸入端;P3.5第二功能是Tl定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 外部輸入端;P3.6第二功能是WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)脈沖;P3.7第二功能是RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器讀脈沖。
[0035]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)試電路，其特征在于，包括單片硅太陽(yáng)電池傳感器，電 流-電壓轉(zhuǎn)換電路，電壓放大電路，濾波電路，AD轉(zhuǎn)換器和單片機(jī);所述單片硅太陽(yáng)電池傳感 器經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光照射后產(chǎn)生電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓模擬量， 電壓模擬量經(jīng)過(guò)電壓放大電路后產(chǎn)生放大的電壓信號(hào)，放大的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓濾波電路 消除經(jīng)電壓放大電路被放大的噪聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后的放大的電壓信號(hào)送入AD轉(zhuǎn)換器，產(chǎn) 生對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，數(shù)字量被送入到單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻照的測(cè)算并輸出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)試電路，其特征在于，所述電 流-電壓轉(zhuǎn)化電路的結(jié)構(gòu)為，在運(yùn)算放大器反相端和輸出端跨接一個(gè)電阻，同時(shí)并接電容， 硅太陽(yáng)電池的電流流過(guò)電阻，輸出電壓。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)試電路，其特征在于，所述電壓 放大電路采用上下對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)相同的運(yùn)算放大器A1和A2緩沖輸入電壓，通過(guò)運(yùn)算放大 器A3構(gòu)成差分放大電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻改變電壓放大電路的閉環(huán)增益。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅太陽(yáng)電池的輻照測(cè)試電路，其特征在于，所述濾波 電路采用二階低通濾波電路。
【文檔編號(hào)】G01J1/42GK105841809SQ201610302514
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月9日
【發(fā)明人】祝曾偉, 張臻, 謝子陽(yáng)
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)常州校區(qū)