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行對比研究，通過蓄冷設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、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器等應用。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，是高精度測溫用標準傳感器。它的溫度范圍是：鉑電阻阻值與溫度的關系可以近似用下式表示，在范圍內(nèi)：

表達式中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系具有較好的線性度。由于該表達式比較復雜，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，適應在惡劣環(huán)境條件下工作，消除了接線長度不同所導致的誤差，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確的數(shù)據(jù)。

3.3 恒流源電路的設計

　　本系統(tǒng)中，要精確地測溫，首先就要準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)換為電壓信號。由電壓值就可求出電阻值，從而測得溫度值。利用運算放大器虛短與虛斷[2]的特征和精密基準電壓源LM399穩(wěn)壓的特征構(gòu)成了一個電流調(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[3]。

　　如圖4所示為本系統(tǒng)的恒流源測溫電路，由于運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下端運用了精密的電壓源LM399，外加調(diào)整電路，該點電壓可調(diào)整范圍0～6.95V，電阻R2上流過的電壓為I=V/R2；又由于運算放大器虛斷的特性，其反向輸入端輸入電流Iin=0A, 所以流過鉑電阻溫度傳感器Ptl00的電流為I=V/R2，從而達到恒流的效果[4]。經(jīng)恒流源所獲得的電壓信號通過后級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整個電路的恒流效果有很大的影響，特別是運算放大器和電阻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，使太陽能測試系統(tǒng)適應了戶外的惡劣溫度條件，采集到了預期的實驗數(shù)據(jù)。

4、軟件編程

　　由于本系統(tǒng)的軟件設計并不復雜，所以采用傳統(tǒng)的裸機方式（未引入嵌入式操作系統(tǒng)，如μC／OS-II等）進行軟件編程，節(jié)省了系統(tǒng)的硬件資源，提高了實時性[5]。對LPC2124的A/D轉(zhuǎn)換器獲得的數(shù)字量，采用中值濾波法對采集的數(shù)據(jù)進行處理，具體方法是將十次采集的數(shù)據(jù)進行排序，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)字非線性補償?shù)姆椒▉黼妷褐缔D(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)的響應速度，查表計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、輻照等測量電路構(gòu)成了一個多參量測量系統(tǒng)。對于電流和輻照的測量最終都是轉(zhuǎn)化為電壓信號進行測量。本系統(tǒng)對于大電流的測量采用電流傳感器來采集太陽能電池發(fā)電電流的信號，傳感器將直流電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，傳到A/D；輻照度通過輻照度傳感器將輻照轉(zhuǎn)化為0～20mv的電壓信號，經(jīng)后續(xù)放大后傳入LPC2124。本系統(tǒng)應用在太陽能測試中，由工程實踐證明，基于ARM的太陽能電池組件多電量測量系統(tǒng)不僅測量精度高、穩(wěn)定性好、溫度特性好，而且性價比高，可擴展性強，是一套實用的多電量測試平臺。