精选家乡的玉米作文400字

太阳能电池测试系统的设计
黎步银;刘勇为
【摘要】Currently the solar cell test equipment is most bulky and expensive. The paper presented a solar cell test system based on embedded technology.The system used STM32 as the main chip with voltage,current,irradiance,temperature acquisition module,serial communication module and display module.The system designed a mathematical model to fit I-V curve that can get characteristic parameters of solar cells.The results show that the experimentally measured parameters compared with the standard value,the solar batrery open circuit voltage accuracy that the system measured is 1.26%,the shor circuit precisicn is 2.84%.It can be seen that the system precision is about 3%,and its standand deviation is small,the designed system data fluctuation is small,and the system stabiling is good.%针对太阳能电池测试设备体积大、价
格贵等，设计了一种基于嵌入式技术的太阳能电池测试系统。

系统以STM32作为主控芯片，配合电压、电流、辐照度、温度采集模块，串口通信模块以及显示模块等，然后建立数学模型，在MATLAB中拟合，来获取I-V曲线，完成对太阳能电池的特性参数测试。

结果表明：实验测得的特性参数与标准值对比，系统测得太阳能电池开路电压精度为1．26%，短路电流精度为2.84%。

可以看出系统精度在3%左右，而且其标准差都很小，所设计的系统数据波动较小，系统稳定性较好。

【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】4页(P73-76)
【关键词】太阳能电池;STM32;拟合算法;I-V曲线
【作者】黎步银;刘勇为
【作者单位】华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074;华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
为了确定太阳能电池的特性参数，以便对生产出的电池进行分选和衡量电池品质，有必要设计一套检测设备来测试太阳能电池的电性能[1-2]。

本设计选用基于Cortex-M3内核的32位STM32F103ZET6ARM处理器作为主控芯片。

该芯片内部集成了18通道的12位高精度A/D转换器，最大的转换速率为1 MHz，且STM32芯片具有省电模式，功耗低[3]，符合本设计要求。

太阳能电池测试系统使用STM32F103ZET6单片机作为控制核心，图1为系统原理框图。

该系统主要由STM32主控芯片，电子负载，电压、电流、辐照度、温度采集模块，显示模块等部分组成。

在光照太阳能电池片时，启动本系统，使STM32主控芯片开始工作。

首先让片内DAC以一定的规律连续输出电压，来控制电子负载，让它工作在可变电阻区。

然而在太阳能电池测试回路中，取样电阻的电压和电流也会随之而发生相应的变化。

此时再使用STM32芯片中的ADC1和ADC2，来分别采集该测试回路中太阳能电池的电压和电流信号。

采集辐照度和温度信号，运用补偿算法将ADC采集到的数据进行补偿和修正，然后通过串口通信模块把数据传给上位机，在MATLAB中运用拟合算法将该数据拟合成曲线，即I-V曲线。

或者直接输出到TFT液晶显示屏
上。

2.1 主控模块电路
主控芯片STM32使用片内DAC来控制电子负载，让其阻值产生相应的变化，并
且让ADC进行相关数据的采集，把接收到的ADC采样数据进行处理，最后通过
串口通信将其传给上位机，或者直接在TFT液晶显示屏上输出。

主控模块主要有
主控芯片和串口通信芯片，如图2所示。

微处理器采用STM32F103ZET6，工作主频最高可达72 MHz。

该芯片具有64
KB SRAM、512 KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、3个SPI接口、2个IIC总线、5个串口、1个USB接口、1个CAN总线、3个
12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC接口以及112个通用IO口。

为了提高系统的适用性，增加了串口通信模块，可以在PC端对数据进一
步的分析和处理，电路中采用SP3232作为串口通信的芯片。

2.2 电子负载及补偿电路
电子负载是整个电路设计的关键部分，它实质上是一个可控的可变电阻器[4]。

可
采用MCU通过控制D/A转换器输出电压进而调节VMOS管漏源电阻从0 Ω到
几MΩ变化，进而实现负载的自动可调。

在调节过程中，对太阳能电池输出电压
和电流分别采样，即可得到太阳能电池伏安特性曲线。

本设计选择了一种低成本的N沟道增强型功率MOS场效应管—IRF540。

由于本设计有负载的程控操作需求，选用了IRF540器件作为电子负载的核心元件。

电子页载及补偿电路图如图3所示。

当MOSFET工作在可变电阻区时：
其V-I特性可近似表示为
式中：本征导电因子K′=μnCOX(通常情况下为常量)；μn为反型层中电子迁移率；COX为栅极(与衬底间)氧化层单位面积电容；电导常数Kn的单位为mA/V2。

在特性曲线原点附近，因为VDS很小，可以忽略式(2)可近似为
由此可以求出，当一定时，在可变电阻区内，原点附近的输出电阻为
式(5)表明，电子负载是一个受控制的可变电阻[5]。

2.3 A/D采样电路
STM32F103ZET6片内部集成了18通道的12位高精度A/D转换器，各通道的
A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。

STM32的ADC最大的转换速
率为1 MHz，也就是转换时间仅为1 μs(在ADCCLK=14 MHz，采样周期为1.5
个ADC时钟下得到)，不要让ADC的时钟超过14 MHz，否则将导致准确度下降。

在太阳能电池电压、电流采集电路中，太阳能电池、补偿电源、IRF540 、采样电阻构成一个测试主回路。

引线上的电阻和元器件上的接触电阻，将对测试结果产生较大的影响。

因此在测量过程中，引入了四线制测量。

即在测试回路中电压、电流采集是各自分离，形成各自的回路[6]。

如图4所示，在太阳能电池电压、电流采集电路中，当VDAC增大时，经过
TL082放大后，IRF540的栅极电压VG增大，由于IRF540工作在线性区，可知IRF540的漏源电阻Rds减小，则太阳电池回路中的电流I增大，Vi也增大，从而导致IRF540的栅极电压VG减小。

由上面的分析可知：此回路构成一个负反馈电路。

当电路工作在负反馈状态时，电路存在“虚短”和“虚断”现象，可知V2和V3相等，因此可以通过改变VDAC来间接控制采样电阻两端电压的变化，即控制了太阳电池输出电流的变化。

当VDAC=0时，此时太阳电池两端的电压为开路电压；当VDAC的值达到某个定值时，测试回路中电流不再增大，此时测得的电流
值即为短路电流。

INA193是电流监测器，用来检测回路中的电流，即进行太阳能电池电流采集。

而TL082(U1A)是用来放大电压值，便于进行太阳能电池电压采集。

2.4 温度及光辐照度采集电路
DS18B20的工作电压为3.0～5.5 V，可直接使用电路中的3.3 V电源，无需单独
设计另外的电源电路;测量的温度范围为-55～125 ℃，满足系统的需求;9～12位
高分辨率，可通过程序调节，精度0.5 ℃；如图5所示，2脚接到MCU的I/O，就可以对温度信号直接进行读取。

对于前置放大电路，硅光电池的负载就是运算放大器U1A的输入阻抗Ri，有
Ri=R/(1+Av),Av为放大器开环放大倍数。

由于Av很大，故Ri≈0，即硅光电池的负载Ri近似为0,硅光电池工作在短路状态，短路电流与光辐照度成线性关系。

由于运放的开环输入阻抗很大，故流入同相、反相端的电流非常小，将光电池短路电流流经电阻R1转化为电压的形式，即电阻R1起到I-V转换作用，所得电压经过电压跟随器联结至单片机端送至ADC进行处理。

软件主程序工作过程如下：首先对STM32F103ZET6和单片机外围电路进行初始化，其中包括对STM32F103ZET6的GPIO口、定时器模块、DMA模块、DAC 模块、ADC模块以及TFTLCD显示屏模块的初始化等；其次，系统初始化完成之后，进行测试，STM32控制DAC工作输出制定的连续电压，控制电子负载的工作；同时ADC选择的通道开始进行A/D转换，而转换的结果经数字滤波后在STM32控制下进行标准化计算和太阳电池参数的计算；最终得到太阳电池各参数值和曲线显示在TFTLCD液晶显示屏上。

系统软件流程图如下。

在MATLAB中建立数学模型，求出辐照度和温度对I-V曲线的影响。

如图7、图8所示，当辐照度不变时，随着温度的升高，电流I增大，电压U减小；当温度不变时，随着辐照度减小，电流、电压皆减小。

在实验室用研制的太阳能电池测试系统，对同一块太阳能电池样片测量10次，将实测的10组数据进行标准化换算后，计算结果(即标准条件下得到的值)如表1以及图9所示。

系统在测试时受潜在的外部因素干扰、测试方法的影响和测试设备精度的限制，会引入误差，误差的大小衡量了测试的准确度。

系统相对误差γ按公式γ=|Rf-Rt |/Rt求得，Rf为数据实际测量值，Rt为数据理论值。

由表1的数据可以看出，所
设计的测试系统结果较准确，最大相对误差为3.52%，所求实验参数较理想。

本系统采用总线结构与模块化的设计思路，不仅实时响应性能优越，而且具有易于维护和扩展性好等特点。

采用精密放大器和INA193电流检测器组成的测试系统
解决了测试过程中太阳电池两端的电压自动跟随问题，精确获取了真实的短路电流。

然后建立数学模型，在MATLAB中用遗传算法和最小二乘法融合的拟合算法，来拟合I-V曲线，完成对太阳能电池的特性参数测试。

【相关文献】
[1] ALLEN B,DOUGLAS K,CHRISTIANA O.Very high efficiency solar cell modules[J].Progress in Photovoltaics Research & Applications,2009,17(1):75-83.
[2] MARTIN A,GREN N.The path to 25% silicon solar cell efficiency:history of silicon cell evolution[J].Progress in Photovoltaics Research & Applications,2009,17(3):183-189.
[3] STMicroelectronics Devices,Inc.STM32F103xxx Manual [Z],2010.
[4] KYAIS,YUVARAJA N.An electronic load for testing photovoltaic panels[J].Journal of Power Sources，2006,154(1):308-313.
[5] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京：高等教育出版社,2006.
[6] 王志明,张洪欣.四线制测量在单体太阳电池测试中的应用[J].电子技术,2006,29(6):38-45.。