黎步銀，張?jiān)讫?/p>

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 引言

目前，多數(shù)太陽電池檢測(cè)設(shè)備使用PC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，使得檢測(cè)設(shè)備體積龐大無法實(shí)現(xiàn)室外作業(yè)，且價(jià)格、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本都很高[1]。針對(duì)這些問題，開發(fā)一款易于便攜、價(jià)格低廉且性能強(qiáng)大的檢測(cè)設(shè)備已迫不及待。文中摒棄PC作為核心的思路，選用嵌入式處理器作為數(shù)據(jù)采集和處理核心，開發(fā)了可以滿足多數(shù)廠商和高校實(shí)驗(yàn)室測(cè)試要求的智能便攜的太陽電池測(cè)試系統(tǒng)。

1 原理

太陽電池測(cè)試系統(tǒng)使用C8051F060單片機(jī)作為控制核心，圖1為系統(tǒng)原理框圖，系統(tǒng)主要由采集單元、串口通信單元、顯示單元和主控單元4部分組成。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，MCU開始工作，首先DAC從0開始，等差遞增地輸出電壓，驅(qū)動(dòng)工作在線性區(qū)的電子負(fù)載的阻值進(jìn)行線性變化，太陽電池回路中取樣電阻的電壓和電流就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，ADC0和ADC1分別采集回路中取樣電阻的電壓和電流信號(hào)。通過采集的輻照度和溫度信號(hào)，運(yùn)用補(bǔ)償算法將ADC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償和修正，然后運(yùn)用擬合算法將修正的數(shù)據(jù)擬合成曲線，即I-V曲線。最后通過上位機(jī)程序?qū)-V曲線輸出到PC或者直接輸出到LCM。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要包括主控單元電路、電子負(fù)載及補(bǔ)償電路、A/D采樣電路、溫度及光輻照度采集電路4部分。

2．1主控單元電路

主控單元控制ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、DAC調(diào)節(jié)電子負(fù)載的變化，并將接收的ADC采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過串口通信將其傳給上位機(jī)和LCM。主控單元主要有主控MCU、顯示模塊和串口通信模塊，如圖2、圖3所示。

C8051F060是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，最高工作時(shí)鐘可以達(dá)到25 MHz，對(duì)采集的數(shù)據(jù)能進(jìn)行快速的處理和擬合；片內(nèi)集成了2通道12位DAC，使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí)，分辨率可以達(dá)到0.59 mV，而且有多種DAC輸出更新模式，方便用戶選擇最適合的模式；片內(nèi)集成了2通道16位ADC，最高采樣速度可以達(dá)到1 M/s，完全滿足系統(tǒng)對(duì)電壓和電流在采樣時(shí)間的要求；I/O端口不僅兼容5 V電壓，而且每個(gè)I/O的最大灌/拉電流都能達(dá)到100 mA，可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管和繼電器等，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)；片上集成了UART、SPI和SMBus等數(shù)據(jù)接口，方便了后續(xù)系統(tǒng)的升級(jí)[2]。

圖2 主控MCU

圖3 顯示和串口通信模塊

為了提高系統(tǒng)的適用性，增加了串口通信模塊，可以在PC端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析和處理，電路中采用MAX3232作為串口通信的芯片。顯示運(yùn)用了YM12864R 漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形。

2．2電子負(fù)載及補(bǔ)償電路

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載的程控操作，選用IRF1010E作為電子負(fù)載的核心元件，當(dāng)MOSFET工作在可變電阻區(qū)時(shí)，

VDS≤(VGS-VT)

(1)

其V-I特性可近似表示為：

(2)

(3)

iD≈2Kn(VGS-VT)VDS

(4)

由此可以求出當(dāng)VGS一定時(shí)，在可變電阻區(qū)內(nèi)，原點(diǎn)附近的輸出電阻Rdso為：

(5)

式(5)表明Rdso是一個(gè)受VGS控制的可變電阻[3]。

圖4為電子負(fù)載原理圖。

圖4 電子負(fù)載原理圖

(6)

式中A為差分放大增益。

Vt=V2-V1

(7)

式中Vt為太陽電池兩端的電壓。

由式(6)和式(7)可知：

V0=Vt×A

(8)

由上式可知，太陽電池兩端的電壓直接由TL082測(cè)得，與其他因素?zé)o關(guān)。

由電路的相關(guān)定理可知：

Vda=V0

(9)

被測(cè)太陽電池兩端的電壓自動(dòng)跟隨直到C8051F單片機(jī)DAC的輸出電壓相等，相當(dāng)于DAC控制了太陽電池兩端的電壓。所以當(dāng)DAC為一定值時(shí)，Q1阻值無限大，這時(shí)可以測(cè)得太陽電池的開路電壓；但是在回路中由于存在導(dǎo)線電阻R1和R2、取樣電阻R和Q1，無法使得回路中電阻為零，所以無法測(cè)得太陽電池的短路電流。

由于上述原因，在測(cè)試回路中加入了補(bǔ)償電源，太陽電池兩端的電壓為：V=VDS+VR+VR1+VR2-Ve，選定合適的補(bǔ)償電源，調(diào)節(jié)VDS使得V=VDS+VR+VR1+VR2-Ve=0，這時(shí)，測(cè)得流過取樣電阻的電流就是太陽電池的短路電流[4]。

2．3A/D采樣電路

C8051F060單片機(jī)包含2路16位分辨率、1 MSPS的逐次逼近寄存器型ADC，其中集成了DMA接口、可編程窗口檢測(cè)器和跟蹤保持電路。兩路ADC不僅可以配置為獨(dú)立的單端模式還能組成一個(gè)差分對(duì)。通過特殊功能寄存器用軟件可以控制DMA接口、窗口檢測(cè)器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式。兩路ADC的電壓基準(zhǔn)有外部基準(zhǔn)和內(nèi)部基準(zhǔn)可供選擇。兩路ADC和跟蹤保持電路都能夠被獨(dú)立使能或禁止[2]。

系統(tǒng)采用兩路ADC，分別采集太陽電池的電壓和電流信號(hào)，基準(zhǔn)電壓選取內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，兩路ADC都是16位分辨率，所以1個(gè)ADC的值為2.43/216≈0.000 037；系統(tǒng)還采用兩路DAC，輸出連續(xù)變化的電壓控制太陽電池電壓的變化，基準(zhǔn)電壓選取內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，兩路DAC都是12位分辨率，所以1個(gè)DAC的值為2.43/212≈0.000 59。

系統(tǒng)中，太陽電池、IRF1010E、取樣電阻、補(bǔ)償電源構(gòu)成了一個(gè)負(fù)反饋回路。U1A和U2A都是差分放大，U1B和U2B是開環(huán)放大。如圖5所示，當(dāng)系統(tǒng)工作在電壓模式時(shí)，太陽電池的正負(fù)兩端分別接到U1A的同相輸入端和反相輸入端，通過差分放大，輸出分成平行的兩路，一路作為ADC0(電壓采集)的輸入，另一路作為U1B的同相輸入端，通過和DAC0的比較，輸出接到IRF1010E的柵極，調(diào)節(jié)其阻值。取樣電阻(1 Ω)的兩端分別接到U2A的同相和反相端，通過差分放大，輸出作為ADC1(電流采集)的輸入；當(dāng)系統(tǒng)工作在電流模式時(shí)，與電壓模式唯一的不同在于：IRF1010E的柵極電壓是由ADC1和DAC1通過比較之后控制的。

圖5 太陽電池電壓電流采集電路

2．4溫度及光輻照度采集電路

系統(tǒng)對(duì)溫度的測(cè)試范圍為0～120 ℃，且要求便攜、操作簡(jiǎn)單，所以選用DS18B20作為溫度采集的主要器件。如圖6所示，工作電壓為5 V，無需單獨(dú)設(shè)計(jì)電源，2腳接到MCU的I/O，就可以對(duì)溫度信號(hào)直接進(jìn)行讀取。

圖6 溫度/輻照度采集電路

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60904-9的規(guī)定，太陽電池的測(cè)試條件是：溫度25 ℃、輻照度1 000 W/m2、光譜AM1.5。在非標(biāo)準(zhǔn)條件下必須轉(zhuǎn)化到標(biāo)準(zhǔn)條件，所以輻照度的測(cè)試非常重要。

標(biāo)準(zhǔn)太陽電池有光伏和光導(dǎo)兩種工作模式。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池工作在光伏模式時(shí)，電池處于短路狀態(tài)，此時(shí)流過電池的電流和輻照度成正比；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池工作在光導(dǎo)模式時(shí)，電池切換速度較快，但是線性受到一定的影響。由于待測(cè)信號(hào)十分微弱，暗電流的影響對(duì)測(cè)試結(jié)果十分明顯，所以使標(biāo)準(zhǔn)太陽電池工作在光伏模式[5]。輻照度采集電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括2部分：上位機(jī)程序和單片機(jī)程序。上位機(jī)程序是利用Visual C++ 6．0中MFC完成的，主要功能是利用MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC端的通訊，在上位機(jī)設(shè)計(jì)有選擇測(cè)試周期和測(cè)試模式等按鈕，還添加了圖形顯示控件，可以顯示和保存測(cè)試結(jié)果。

單片機(jī)程序如圖7所示，主要任務(wù)是控制單片機(jī)完成電壓和電流的采集，然后進(jìn)行輻照度和溫度的采集，最后完成數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行曲線擬合[6]，將I-V曲線和特性參數(shù)顯示出來。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

為了使系統(tǒng)更加人性化和處理數(shù)據(jù)更便捷，增加了上位機(jī)程序，這樣可以在PC端更加方便地處理和分析這些數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)置了2種工作模式，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室或者方便使用PC的環(huán)境下，首先在PC端選擇測(cè)試模式和測(cè)試周期，然后按下上位機(jī)界面的開始按鈕，系統(tǒng)就開始測(cè)試；當(dāng)在室外或者只需測(cè)試曲線和測(cè)試結(jié)果的環(huán)境下，直接按下硬件電路中的開始按鈕，系統(tǒng)就開始正常地采集和測(cè)試，與前一種工作模式區(qū)別在于：不用判斷是否與PC通信成功，測(cè)試的曲線和結(jié)果直接顯示在LCM上，但看不到測(cè)試的大量數(shù)據(jù)。

4 實(shí)例分析

利用研制成功的太陽電池測(cè)試系統(tǒng)對(duì)一塊太陽電池進(jìn)行測(cè)試，溫度在25 ℃，測(cè)試模式選用電壓模式[7]，測(cè)試周期選擇1 s，連續(xù)測(cè)試次數(shù)選擇10次，測(cè)試的I-V曲線和P-V曲線如圖8所示。

圖8 I-V及P-V曲線

根據(jù)太陽電池的I-V曲線和P-V曲線可以直觀地分析出太陽電池的性能，如開路電壓、短路電流、最大功率、并/串聯(lián)電阻、填充因子、轉(zhuǎn)化效率等。表1是對(duì)同一塊樣片測(cè)量10次的測(cè)試參數(shù)。

表1 樣片測(cè)試參數(shù)

從表1可以看出開路電壓和短路電流的穩(wěn)定性較好，串聯(lián)電阻穩(wěn)定性也不錯(cuò)，但并聯(lián)電阻波動(dòng)較大，還需改進(jìn)估值算法提高其穩(wěn)定性。由于P-V曲線的修正系數(shù)使得最大功率較小，從而影響了填充因子和轉(zhuǎn)換效率，還需多次校正才能提高其一致性。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)使用C8051F060單片機(jī)作為控制MCU，2路16位精準(zhǔn)的ADC采樣起到了關(guān)鍵的作用，選用IRF1010E作為電子負(fù)載的核心器件，使得方案設(shè)備體積小，成本低，適用性強(qiáng)。系統(tǒng)可單獨(dú)使用，也可和PC配合使用。采用Visual C++ 6．0設(shè)計(jì)上位機(jī)程序[8]，界面簡(jiǎn)潔，功能全面。通過實(shí)際測(cè)試，精度高，可以滿足廠商和高校實(shí)驗(yàn)室對(duì)太陽電池測(cè)試的精度要求。

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作者簡(jiǎn)介：黎步銀(1966-)，教授，博士，主要從事儀器儀表等方面的研究。E-mail：libuyin@sohu．com

張?jiān)讫?1988-)，碩士研究生，主要從事儀器儀表等方面的研究。E-mail：hk_zyl@163．com