一种基于单片机的太阳能电池智能测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种太阳能电池智能测试系统，应用于高等院校大学物理实验教学中，满足不同专业本科生的教学要求。该系统还可以应用于各科研院所，满足不同层次科研工作者的实验要求。
【背景技术】
[0002]目前许多高校的大学物理实验都开设了太阳能电池特性研宄实验，对太阳能电池的光学和电学性质进行研宄。该实验的测量数据都是围绕开路电压Ure、短路电流Is。、最大输出功率Pmax、最佳负载电阻Rtjp和填充因子F {这些技术参数展开的。有的高校采用电压表和电流表作为数据测量仪器，学生手工记录大量离散数据，然后画图和分析数据，占据了很多课堂时间，给学生留下来思考、设计和拓展的实验时间大大减少。有的高校引入数据采集器和配套的测试软件，如Labcorder，朗威Dislab，XY记录仪等，学生通过操作实验面板上的几个按钮/旋钮得到测量原始数据。该体系只完成了数据的采集，并没有实现系统的全自动化功能。作为实验教学，还加大了实验设备的购置成本，维修维护只能联系厂家。
[0003]文献大学物理实验，2010，2 (23):63-65,报道了太阳能电池实验中使用Labcorder数据采集系统，实现太阳能电池输出电流和电压的动态采集。文献大学物理，2007，11 (26):43-46报道了太阳能电池实验中采用北京大学创新技术公司生产的PU-1型微机XY记录仪，实现数据的采集功能。文献实验技术与管理，2013，2 (30):94-96，报道了虚拟仪器技术应用于太阳能电池实验，其基础硬件是计算机，外围硬件是数据采集板，开发环境是Labview编程语言。本实用新型是自主研发的一种太阳能电池智能测试系统，以89c52单片机为核心，将加载电压、负载电阻调节，外置光源的光照强度调节，数据采集，曲线绘制，实验结果显示，串口通信等集成的测试系统。该系统能够自动完成太阳能电池基本特性参数(短路电流、开路电压、最大输出功率和填充因子)的测量和结果显示。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型旨在解决上述问题，研制了以单片机为核心，将加载电压、负载电阻调节，外置光源的光照强度调节，数据采集，曲线显示，实验结果显示，串口通信等集成的太阳能电池智能测试系统。这套系统结构简单，操作灵活，而且可以自动改变光照强度，更换太阳能电池材料，更换工作电路中的电学元件，大大拓展了实验教学内容。本实用新型采用的技术方案如下:
[0005]一种太阳能电池智能测试系统，包括照明光源、照明电路、太阳能电池、主控单元、工作电路、A/D转换器和上位机；
[0006]所述太阳能电池与工作电路、A/D转换器和主控单元依次连接，所述主控单元经过照明电路与照明光源连接；所述主控单元与上位机进行通信。
[0007]所述工作电路包括:电阻R1、电阻R2、继电器S2依次串联连接，继电器SI并接在电阻Rl和电阻R2的串联支路两端；
[0008]所述继电器SI的端口 I连接在电阻R2和继电器S2之间，继电器SI的端口 3连接在电阻Rl和太阳能电池的正极之间；所述继电器S2的端口 I依次串联电阻R3和可变电阻R4后接VCC ;继电器S2的端口 3依次串接可变电阻R5和继电器S3 ;所述继电器S3的端口 I串联可变电阻R6后接地，继电器S3的端口 3接地。
[0009]所述照明电路包括:电阻Rl、电阻R2和电阻R3依次串联连接，在所述电阻Rl、电阻R2和电阻R3的两端分别并联继电器S1、继电器S2和继电器S3。
[0010]1、智能测试系统由照明电路、太阳能电池、主控单元、工作电路、A/D转换器和上位机构成。照明光源采用60W的白炽灯，太阳能电池采用单晶硅或多晶硅材料。主控单元为89c52单片机，A/D转换器为MAX1416，上位机包括PC机、Visible Basic语言编写的可视化界面和RS-232串口。
[0011]2、主控单元控制照明电路和工作电路，接收上位机发送的指令和A/D转换器发送的太阳能电池板两端的电压和电流的数字信号。工作电路模块具有两路数字量采集通道和5V的直流电压输出等功能，与主控单元构成主从式机构。
[0012]3、工作电路中IN2测量的是太阳能电池两端的电压，INl测量的是Rl或R2电阻两端的电压，间接得到通过太阳能电池的电流。当SI置于3，S2置于3，S3置于3或I时，构成太阳能电池明状态的测试电路，Rl是电流取样电阻，太阳能电池输出电流的细致调节是通过两个粗细电位器R5和R6来实现的。当SI置于1，S2置于I时，构成太阳能电池暗状态的测试电路，R2是电流取样电阻，R3和R4用来改变直流5V的输出电压。
[0013]4、照明电路是由3个电阻和3个继电器构成，能在电路中构成6种不同阻值，从而达到光照强度的6档可调。
[0014]5、上位机主要作用是提供人机操作界面，利用VB语言在PC机上开发一个友好的可视化的界面，通过RS-232串口将数字量输入给PC机，实现参数设置，数据采集，图形绘制，结果显不等功能。
[0015]6、本实用新型能够实现加载电压、负载电阻调节，外置光源的光照强度调节，参数设置，数据的实时、动态采集，图形绘制，计算结果显示和数据存储等功能。本实用新型涵盖了太阳能电池技术参数(开路电压ure、短路电流Is。、最大输出功率Pniax、最佳负载电阻Rtjp和填充因子Ff)的测量和结果显示。
【附图说明】
[0016]图1是太阳能电池智能测试系统结构框示意图，其中I是照明光源，2是太阳能电池，3是工作电路，4是照明电路，5是A/D转换器，6是主控单元，7是上位机。照明光源采用60W的白炽灯，太阳能电池是单晶硅或多晶硅材料。工作电路、照明电路、A/D转换器和主控单元构成测试系统的上位机。主控单元是89c52单片机，控制照明电路和工作电路，并接收上位机的指令。A/D转换器是MAX1416，将工作电路的模拟电压信号转换为数字信号。主控单元接收该数字信号并向上位机发送数据。上位机包括PC机、Visible Basic语言编写的可视化界面和RS-232串口。
[0017]图2是工作电路模块示意图，其中IN2测量的是太阳能电池两端的电压，INl测量的是Rl或R2电阻两端的电压，间接得到通过太阳能电池的电流。Rl和R2是阻值1Ω的电阻，R3是阻值IkQ的电阻，R4和R6是x9313数字电位器，R5是x9cl02数字电位器，S1、S2和S3是3个继电器。
[0018]图3是照明电路示意图，其中Rl、R2和R3的阻值分别是110 Ω、165 Ω和165 Ω的电阻，S1、S2和S3是3个继电器。
[0019]图4是暗状态下太阳能电池的伏安特性测试图，曲线上某点的光标读数为
1.4808V.0.4284mA。
[0020]图5是100%光照强度下太阳能电池的伏安特性测试图。计算结果是开路电压为
2.46V，短路电流为4.59mA，填充因子为0.68，最大功率为7.70mW。曲线上某点的光标读数为 0.2891V、4.5912mA。
[0021]图6是100%光照强度下太阳能电池的负载电阻与输出功率的关系测试图。曲线上某点的光标读数为0.399k Ω、7.6948mW。
[0022]图7是太阳能电池短路电流与光照强度的关系测试图。曲线上某点的光标读数为60.057%,2.2888mA。
【具体实施方式】
[0023]结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。
[0024]1、参见图1将太阳能电池接入工作电路，开通60W白炽灯，调整好太阳能电池板和光源的角度和距离。
[0025]2、启动基于VB编制的测量与分析系统软件，进行参数设置(选择通信端口，明暗状态，光照强度，加载电压/负载电阻)，点击自动采集。
[0026]3、数据采集结束，选择图形模式(1-V，R-P, L-MC, L_MV，MC_MV)，测试系统将自动生成太阳能电池明暗状态的伏安特性曲线，负载电阻与输出功率曲线，光强比与开路电压、光强比与短路电流、短路电流与开路电压关系曲线，见图4、图5、图6和图7。
[0027]4、当读取曲线上某一点数据时，可以移动鼠标点击曲线上的点，会显示一个十字光标线，并在右侧“光标读数”窗口显示所选点的横纵坐标值，见图4、图5、图6和图7。
[0028]5、点击计算按钮，得到太阳能电池特性基本参数(开路电压，短路电流，填充因子，最大功率)，见图5、图6和图7。
[0029]上面以举例方式对本实用新型进行了说明，但本实用新型不限于上述具体实施例，凡依据本实用新型所做的任何改动或变形均属于本实用新型要求保护的范围。
【主权项】
1.一种太阳能电池智能测试系统，其特征是，包括:照明光源、照明电路、太阳能电池、主控单元、工作电路、A/D转换器和上位机； 所述太阳能电池与工作电路、A/D转换器和主控单元依次连接，所述主控单元经过照明电路与照明光源连接；所述主控单元与上位机进行通信。
2.如权利要求1所述的一种太阳能电池智能测试系统，其特征是，所述工作电路包括:电阻Rl、电阻R2、继电器S2依次串联连接，继电器SI并接在电阻Rl和电阻R2的串联支路两端； 所述继电器SI的端口 I连接在电阻R2和继电器S2之间，继电器SI的端口 3连接在电阻Rl和太阳能电池的正极之间；所述继电器S2的端口 I依次串联电阻R3和可变电阻R4后接VCC ;继电器S2的端口 3依次串接可变电阻R5和继电器S3 ;所述继电器S3的端口 I串联可变电阻R6后接地，继电器S3的端口 3接地。
3.如权利要求1所述的一种太阳能电池智能测试系统，其特征是，所述照明电路包括:电阻R1、电阻R2和电阻R3依次串联连接，在所述电阻R1、电阻R2和电阻R3的两端分别并联继电器S1、继电器S2和继电器S3。
【专利摘要】本实用新型设计一种基于单片机的太阳能电池智能测试系统，由光源、照明电路、太阳能电池、主控单元、工作电路、A/D转换器和上位机构成。照明光源采用60W的白炽灯，太阳能电池采用单晶硅或多晶硅材料。主控单元为89c52单片机，A/D转换器为MAX1416，上位机包括PC机、VisibleBasic语言编写的可视化界面和RS-232串口。该测试系统是主控单元接收上位机的命令来控制工作电路和照明电路。太阳能电池两端的模拟电压信号通过A/D转换器MAX1416转换为数字信号。主控单元接收该数字信号并向上位机发送数据。该测试系统功能齐全，操作灵活，能够满足不同专业学生的教学要求，显著提高了实验教学效果。
【IPC分类】H02S50-10
【公开号】CN204442281
【申请号】CN201420199492
【发明人】周小岩, 李乾, 李震, 齐志央, 杨喜峰
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2014年4月23日