一种基于硅太阳电池的辐照测试电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于硅太阳电池的辐照测量电路，包括硅太阳电池传感器，经过太阳光照射后产生电流信号，电流信号经过电流?电压转换电路转化为对应的电压模拟量，电压模拟量经过电压放大电路产生放大的电压信号，放大的电压信号经过电压滤波电路消除同时被放大的噪声信号，经过滤波后的电压放大信号送入AD转换器产生对应的数字量，数字量送入到单片机实现对辐照的精确测算并输出。本发明将弱电信号放大，充分利用AD转换器的输入量程，并且通过滤波将噪声消除，提高辐照测算精确度。
【专利说明】
一种基于硅太阳电池的辐照测试电路
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于硅太阳电池的辐照测试电路，属于光伏系统技术领域。
【背景技术】
[0002] 在太阳能行业内，随着光伏系统安装容量的快速增长，光伏系统的运行评估体系 逐渐建立起来，其中最重要的一点是光伏系统效率评估。光伏系统效率一般指实际发电输 出与到达光伏方阵表面辐照总量的比值，辐照的准确、快速测量对光伏系统效率评估至关 重要。而光伏效率评估的辐照强度的计算主要靠太阳辐射传感器实现，一种是由组合热电 堆电路组成，能较准确反应辐射强度，但不能体现辐射光谱差异对光伏发电到来的影响。另 一种则米用娃太阳电池作为太阳总福射传感器，与光伏发电的太阳电池光谱响应基本一 致，消除了辐射光谱差异对光伏发电的影响。
[0003] 晶体硅太阳电池响应波段基本上在300nm到1200nm之间，对于小于300nm以及大于 1200nm的波段基本无响应，与实际辐照度相比存在不可忽略的影响。单片单晶体硅太阳电 池产生的开路电压一般在450到600mv之间，最高可达700mv，基本上认为普通晶体娃太阳电 池开路电压在〇.5v左右，单片普通硅太阳电池作为传感器是一个较弱的信号。以太阳电池 作为总辐射传感器的基本原理:太阳电池作为传感器，经过日照后产生一定大小的电流，电 流流经电阻产生相应大小的电压，最后电阻和AD转换相连，单片机采集负载两端的电压信 号进行运算。一般情况下而言，AD转换电压的电压范围为0到5v或者0到3v，如果直接将电阻 产生的电压值直接传给AD转换器就没用充分使用到AD转换器的量程会产生较大误差，并且 无法消除电路噪声的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于硅太阳电池的 辐照测试电路，采用硅太阳电池传感器将太阳辐照转化为电流信号，经过电压转换，放大电 路，滤波电路，AD转换最后送入单片机进行计算。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于硅太阳电池的辐照测试电路，包括单 片硅太阳电池传感器，电流-电压转换电路，电压放大电路，滤波电路，AD转换器和单片机； 所述单片硅太阳电池传感器经过太阳光照射后产生电流信号，电流信号经过电流-电压转 换电路转化为电压模拟量，电压模拟量经过电压放大电路后产生放大的电压信号，放大的 电压信号经过电压滤波电路消除经电压放大电路被放大的噪声信号，经过滤波后的放大的 电压信号送入AD转换器，产生对应的数字量，数字量被送入到单片机实现对辐照的测算并 输出。
[0006] 前述的电流-电压转化电路的结构为，在运算放大器反相端和输出端跨接一个电 阻，同时并接电容，硅太阳电池的电流流过电阻，输出电压。
[0007] 前述的电压放大电路采用上下对称结构，通过相同的运算放大器Al和A2缓冲输入 电压，通过运算放大器A3构成差分放大电路，通过调节电阻改变电压放大电路的闭环增益。
[0008] 前述的滤波电路采用二阶低通滤波电路。
[0009] 本发明所达到的有益效果：
[0010]本发明将弱电信号放大，充分利用AD转换器的输入量程，并且通过滤波将噪声消 除，提高辐照测算精确度。
【附图说明】
[0011]图1为本发明的电信号传输流程图；
[0012] 图2为电流-电压转化电路图；
[0013] 图3为电压放大电路图；
[0014] 图4为二阶低通滤波电路图；
[0015]图5为AD转换器接法示意图；
[0016] 图6为8051单片机示意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0018] 本发明基本原理为:将太阳光物理信号转化为电信号，随后经过一系列电路处理， 传输到AD转换器进行模数转换，最终数字信号单片机内完成数据量计算和输出。
[0019] 如图1所示，本发明的基于硅太阳电池的辐照测试电路，包括单片硅太阳电池传感 器，单片硅太阳电池传感器经过太阳光照射后产生电流信号，电流信号经过电流-电压转换 电路转化为电压模拟量，电压模拟量经过电压放大电路后产生放大的电压信号，放大的电 压信号经过滤波电路消除经电压放大电路被放大的噪声信号，经过滤波后的电压放大信号 送入AD转换器，产生对应的数字量，数字量被送入到单片机实现对辐照的精确测算并输出。
[0020] 本发明通过采用硅太阳电池作为太阳总辐射传感器，与光伏发电的太阳电池光谱 响应基本一致，消除了辐射光谱差异对光伏发电的影响。传统的热电堆式辐射传感器对光 伏太阳电池的光谱不敏感，例如在大于IlOOnm的红外光分布比例较大时，目前热电堆型辐 射传感器测量出来的高辐射强度不一定对应高的光伏系统发电量。同时，硅太阳电池片成 本远远低于热电堆成本，在缩减成本上有很大前景。
[0021] 如图2所示电流-电压转化电路图，在运算放大器反相端和输出端跨接一个电阻， 同时并接电容，硅太阳电池的电流流过电阻，输出电压。单片硅太阳电池传感器产生的电流 经过电流-电压转换电路后，将电流信号转化为电压信号，与此同时，该电路引入了噪声信 号。单片硅太阳电池传感器的电流I流过电阻R f输出电压V〇,电阻的噪声电压密度为：
[0022] ci:=^AKTBR,
[0023]其中，K为常数，T为温度，B是噪声带宽。
[0024] 信噪比：
[0025] SSR = Vtt er = ! ：< 4 K TB
[0026] 随着电阻Rf增大，运放的闭环带宽会下降，在闭环带宽和信噪比SNR之间寻求平 衡，加入电容C0,可以限制运放的闭环带宽，降低高频噪声。
[0027] 单片硅太阳电池片的开路电压一般在mV级别，对于mVjV数量级的电压信号，这些 弱信号都不易直接进行观测，也不易被计算机采集和处理，更不能驱动执行机构实现自动 控制。因此，必须通过电压放大电路将弱信号进行预处理，使之满足后续电路所要求的电 量。如图3所示为弱电压信号放大电路电路图，其基本结构上下对称，即图中R1=R2，R3 = R4，R5 = R6,通过调节Rg可以改变放大器的闭环增益，运算放大器Al和A2使用相同的运算放 大器则输出电压和漂移电压相等，经A3差放后，将被相互抵消。该电路可以提供两输入端匹 配的高阻抗，使得输入源阻抗对电路的共模抑制影响最小。运算放大器Al和A2用于缓冲输 入电压，运算放大器A3构成差分放大电路。同时单片硅将太阳电池传感器的电流I流过电阻 Rf输出电压Vo传递到Uii、Ui2与运算放大器AO的' + '接线段相连接地，
[0028] 则电压Vo经过电压放大电路放大以后变为U0:
[0029] 令Rl = R2，R3 = R4，R5 = R6，则 U0为：
[0030] U0= (Ui2-Uii) ( 1+2R5/Rg) (R3/R1),
[0031] 整个电路具有很好的共模抑制能力，很小的输入失调电压以及较高的差模电压增 益。
[0032] 当弱电压信号经过电压放大电路时，其中的噪声信号也会随之被放大，由此为提 高最终数据准确性，需要添加滤波电路。对于传感器信号滤波最常用的是RC有源模拟滤波 器，由运放和电阻电容构成，结构简单，成本低。娃太阳电池片输出的为直流电，虽然随着太 阳辐照强度的变化其电流电压频率会发生改变，但其频率是较低的，这里选择低通滤波器。 如图4所示二阶低通滤波电路图，为了使输出电压在高频段以更快的速度下降，提高低通滤 波器滤除噪声的能力，这里选择了二阶低通滤波器。电容选择同样的电容电阻组合，即R7与 R8电阻等，R9与RlO电阻相等，Cl与C2电容相等，滤波器的截止频率可以通过公式 ?? =2rr f。= &，根据信号频率选择合适电阻和电容大小。
[0033]如图5所示为典型AD转换器接法，根据实际要求，对AD转换器的精度、有效位数、信 噪比和转换速度应首先予以考虑。对于太阳辐照测量，因为记录时间短，对AD转换器的要求 较高。市场上AD转换器的种类很多，只许根据实际需要选择满足要求的AD转换器即可。图示 AD转换器，CS先为低电平，WR随后置低，经过一段时间后，将WR电平拉高，随后AD转换器即被 启动，经过1到8个AD时钟周期加上1个单片机内部时钟周期以后完成AD转换，转换结果存入 数据锁存器，同时INTR自动变为低电平，通知单片机本次转换结束。
[0034]单片机作为最终数据接收端和控制端，必须具有高可靠性和稳定性。其作为一种 可编程控制的微处理器，单片机本身不能单独运用于某项工程或产品上，它必须要靠外围 数字器件或模拟器件的协调才可发挥其自身强大的功能。根据实际需要选择不同性能的单 片机如31：11161、81：(3 4；[(3、3￥1'等等。这里以典型的8051单片机为例讲诉单片机基本功能。如图 6所示8051单片机示意图，基于8051内核的单片机，若引脚数相同或封装相同，它们的引脚 功能是相通的，其中用的最多的是40脚DIP封装的51单片机，也有20,28，32,44等不同引脚 的51单片机。VCC(40脚）、GND(20脚）：单片机电源引脚。XTALl (19脚）、XTAL2 (18脚）：外接时 钟引脚。RST (9脚）：单片机的复位引脚。PSEN(29脚）：程序存储器允许输出控制端。ALE/PR0G (30引脚）：在单片机扩展外部RAM时，ALE用于控制把PO口的低8位地址送锁存器锁存起来， 实现地位地址和数据的隔离。EA/VPP(31引脚）：EA接高电平时，单片机读取内部程序存储 器。EA接低电平时，单片机直接读取外部(ROM)。I/O口引脚:PO 口、Pl 口、P2 口和P3 口，PO 口 (39到32脚）：双向8位三态I/O口，每个口可以独立控制，PO口内部没用上拉电阻，为高阻状 态，所以不能正常地输入高/低电平，需要外加上拉电阻。Pl 口（1到8脚）：准双向8位I/O口， 每个口可以独立控制，内带上拉电阻，这种接法输出没有高阻状态，输入也不能锁存，因此 不是真正的双向I/O口，在进行写操作之前需要对该口进行写1操作，然后单片机才可以正 确读出外部信号。P2 口和P3 口功能与Pl 口相似。此外，P3.0第二功能是RXD串行输入口；P3.1 口第二功能是TXD串行输出口；P3.2第二功能是INTO外部中断0 ;P3.3第二功能是INTl外部 中断1;P3.4第二功能是TO定时器/计数器0外部输入端;P3.5第二功能是Tl定时器/计数器 外部输入端;P3.6第二功能是WR外部数据存储器写脉冲;P3.7第二功能是RD外部数据存储 器读脉冲。
[0035]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于硅太阳电池的辐照测试电路，其特征在于，包括单片硅太阳电池传感器，电 流-电压转换电路，电压放大电路，滤波电路，AD转换器和单片机;所述单片硅太阳电池传感 器经过太阳光照射后产生电流信号，电流信号经过电流-电压转换电路转化为电压模拟量， 电压模拟量经过电压放大电路后产生放大的电压信号，放大的电压信号经过电压滤波电路 消除经电压放大电路被放大的噪声信号，经过滤波后的放大的电压信号送入AD转换器，产 生对应的数字量，数字量被送入到单片机实现对辐照的测算并输出。2. 根据权利要求1所述的一种基于硅太阳电池的辐照测试电路，其特征在于，所述电 流-电压转化电路的结构为，在运算放大器反相端和输出端跨接一个电阻，同时并接电容， 硅太阳电池的电流流过电阻，输出电压。3. 根据权利要求1所述的一种基于硅太阳电池的辐照测试电路，其特征在于，所述电压 放大电路采用上下对称结构，通过相同的运算放大器A1和A2缓冲输入电压，通过运算放大 器A3构成差分放大电路，通过调节电阻改变电压放大电路的闭环增益。4. 根据权利要求1所述的一种基于硅太阳电池的辐照测试电路，其特征在于，所述滤波 电路采用二阶低通滤波电路。
【文档编号】G01J1/42GK105841809SQ201610302514
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】祝曾伟, 张臻, 谢子阳
【申请人】河海大学常州校区