l、引言
太陽能電池組件發電時并不是將其接收到的所有光能轉化為電能，而是只有一小部分轉化為電能，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掉了，同時熱能的揮發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換效率。對于這一現象，研究者提出了對常規太陽能電池組件，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，提高能量的轉換效率。這就要求系統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，從而滿足了系統的精度與實時性要求。
2、系統的總體設計
系統主要由前端測量電路，LPC2124控制器和數據傳輸單元組成，系統結構如圖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，將電阻量轉化為電壓量，并經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電效率進行對比。數據傳輸單元通過RS485總線將采集到的數據發給上位機，供上位機處理、存儲和繪圖。
3、系統功能的設計與實現
3.1 LPC2124簡介
本系統主控制器選用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內核，并內置256 KB的高速Flash存儲器。4路10 位A/D轉換器，轉換時間低至2.44μs，46 個GPIO為系統提供了的豐富的I/O口，不需要擴展即可滿足系統的要求[1]。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協議轉換器、嵌入式軟件調制解調器等應用。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使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：
表達式中t的一次冪以上項的系數非常小，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，影響系統的實時性，所以本設計采用數字非線性補償的方法先查表（以5度為單位建表），再插值換算出溫度，從而大大提高了系統的響應速度。
Pt100作為電阻式溫度傳感器，測溫的本質其實是測量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉換成電壓或電流等模擬信號，再將模擬信號轉換成數字信號，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。
關鍵字：ARM 太陽能電池組 多參量測量
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。
本系統采用四線制的接線方式，適應在惡劣環境條件下工作，消除了接線長度不同所導致的誤差，消除了因環境溫度變化而引起的接線電阻所產生的誤差，從而消除了溫度測量的動態誤差，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電功率的比較分析提供了第一手真實而準確的數據。
3.3 恒流源電路的設計
本系統中，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穩壓的特征構成了一個電流調節范圍寬，溫票小，恒流穩定性高的恒流源。精密基準電壓源LM399是溫度系數非常低的特性，內部有恒溫電路,可保證器件的長期穩定性，它的輸出電壓可得到精確而穩定的6.95V電壓基準[3]。
如圖4所示為本系統的恒流源測溫電路，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，外加調整電路，該點電壓可調整范圍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內置的10位A/D 轉換器，轉換后供控制器處理。
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，使太陽能測試系統適應了戶外的惡劣溫度條件，采集到了預期的實驗數據。
4、軟件編程
由于本系統的軟件設計并不復雜，所以采用傳統的裸機方式（未引入嵌入式操作系統，如μC／OS-II等）進行軟件編程，節省了系統的硬件資源，提高了實時性[5]。對LPC2124的A/D轉換器獲得的數字量，采用中值濾波法對采集的數據進行處理，具體方法是將十次采集的數據進行排序，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脈沖干擾的數據進入。具體程序如下所示：
關鍵字：ARM 太陽能電池組 多參量測量
//---------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];
本系統采用數字非線性補償的方法來電壓值轉化為溫度值。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，再插值換算出溫度，從而大大提高了系統的響應速度，查表計算溫度的流程圖如圖5所示。
5、總結
本系統采用ARM7芯片LPC2124，外加鉑電阻傳感器Pt100和電流、電壓、輻照等測量電路構成了一個多參量測量系統。對于電流和輻照的測量最終都是轉化為電壓信號進行測量。本系統對于大電流的測量采用電流傳感器來采集太陽能電池發電電流的信號，傳感器將直流電流信號轉換為電壓信號，傳到A/D；輻照度通過輻照度傳感器將輻照轉化為0～20mv的電壓信號，經后續放大后傳入LPC2124。本系統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不僅測量精度高、穩定性好、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。