用于太陽能電池生產中溫度壓力檢測的仿真實驗教學研究

王碩南 王永清 張 欣 汪偉捷 孫榮霞

（[1]河北大學電子信息工程學院 河北·保定 071000；[2]廣州市風標電子技術有限公司 廣東·廣州 510630）

0 引言

太陽能作為清潔能源，具有十分廣闊的應用前景。太陽能電池擴散工藝生產中的溫度壓力是主要被控參數。為了加深學生溫度壓力檢測技術在太陽能電池擴散工藝生產中的應用，加強對學生實際工程應用能力的培養，解決電子科學與技術、電氣工程及其自動化、自動化等專業學生對太陽電池生產控制實訓難以開展的現狀，開設了用于太陽能電池擴散生產工藝中的溫度壓力控制單片機課程設計。[1]

1 系統構成

太陽能電池擴散工藝生產中的溫度控制系統主要包括傳感器檢測、信號調理、單片機控制、數字信號顯示等模塊構成。

信號檢測模塊：包括溫度及壓力檢測。由于太陽電池擴散工藝中溫度比較高，本研究采用K型鎧裝熱電偶TCK進行溫度檢測。另外，采用MPX4250氣壓傳感器進行擴散氣體的氣壓檢測。

信號調理模塊：采用儀表放大器進行放大差模信號，抑制共模信號，減少輸入噪聲的影響。

A/D轉換模塊：溫度模擬信號采用 12位 A/D轉換器ADC128S102完成數字信號的轉換，以便實現單片機控制。

控制核心模塊：采用AT89C52單片機控制輸入信號的采集及輸出顯示。

輸出顯示模塊：采用LCD1602液晶顯示器實時顯示檢測的溫度及壓力信號數值。

2 仿真實驗

通過Proteus軟件、單片機控制熱電偶、壓力傳感器完成溫度氣壓檢測仿真實驗，實驗結果見圖1。

圖1 溫度壓力檢測系統仿真運行結果

信號檢測：（1）溫度檢測，常用熱電偶測溫，基本原理是當熱電偶所處的環境溫度變化時，熱電偶兩端的電壓差發生變化。由于熱電偶兩端的電動勢信號是毫伏級微小信號，不易直接測量，K熱電偶1000℃時的毫伏值為 41.276。因此需要經過差動放大電路放大，再進行電壓值進行測量。（2）壓力檢測，通過 MPX4250壓力傳感器完成氣體壓力監測,分辨率為18.8mV/kPa，這種壓力傳感器是將雙極運算放大器和薄膜電阻網絡，X型應變儀集成在一個芯片上，以提供高的輸出電壓，轉換的最高檢測氣壓 1MPa，能夠滿足擴散工藝生產中0.25~0.45MPa使用范圍。

信號調理：本設計采用儀表放大器，進行差模信號放大，抑制共模信號，減少輸入噪聲的影響。經差動放大器放大的電壓信號是模擬量，放大的電壓信號需將經過模數轉換器轉換為數字信號再輸入到單片機中。

A/D轉換：ADC128S102是一種低功耗、八通道CMOS 12位模數轉換器，該轉換器是基于具有內部跟蹤和保持電路的逐次逼近寄存器結構。轉換器溫度分辨率為0.25℃，可讀取最高溫度達+1600℃。

微機控制：控制器采用ATMEL公司生產的AT89C52單片機，可以在線編程，能夠反復擦寫Flash存儲器。

仿真實驗：步驟（1）通過Proteus進行電路設計。（2）根據電路圖進行程序設計。（3）運用Keil軟件進行程序的編寫編譯，采用C語言編寫程序。（4）把程序在Keil上生成.c和.hex文件，把生成的.hex文件通過Proteus把程序加載到單片機中。（5）點仿真運行按鈕，系統開始仿真運行。仿真運行實驗圖1中，熱電偶設定值為1221℃時，通過差動放大器、模數轉換、單片機控制，最終在LCD液晶屏上顯示測量溫度為1221℃。壓力設定值和顯示值均為0.51MPa。滿足正常使用在0.25～0.45MPa壓力范圍。仿真實驗結果表明方案控制精度高、能有效地降低開發成本。[2]

3 實物測試

在通過Proteus軟件完成系統仿真實驗基礎上，進行了實物元器件的安裝、焊接、調試、系統測試，將測試數據繪制成的曲線，見圖2。

數據分析：溫度采集用鎧裝熱電偶溫度傳感器，檢測通過紅外圖像分析儀進行測試，測試數據見圖2所示，溫度誤差保持在±0.25℃范圍，系統溫度測試范圍可以達到-50℃~+1600℃。

圖2 溫度測試曲線圖

4 結論

通過Proteus軟件完成的溫度壓力檢測系統仿真實驗，滿足了單片機課程設計的基本要求，能實現溫度壓力實時循環檢測的目的。采用的TCK熱電偶溫度傳感器具有測量精度高，測量范圍廣，滿足正常生產在850℃~1300℃溫度使用范圍。壓力檢測電路簡單實用，測試結果能夠滿足太陽電池擴散工藝正常使用在0.25~0.45MPa壓力范圍。

通過單片機課程設計是學生鍛煉工程實踐能力的重要環節，能夠完成對學生實踐能力的基本訓練，有助于培養學生綜合運用所學知識發現、分析和解決實際問題的能力。通過自主創新設計，激發了學生的學習興趣，不僅鞏固了以前所學的基本知識，學到了很多在書本上所沒有學到過的工程實踐經驗，學生了解了從電路圖繪制、程序編寫及編譯、仿真實驗調試、實物安裝調試等電子產品開發的全部過程，通過對Proteus仿真軟件的學習，有助于學生快速掌握開發產品的方法、減少采購更換各種元器件的開發成本。同時，使學生懂得了理論與實際相結合的重要性，提高了學生的實際動手能力和獨立思考問題、解決工程實踐問題的能力，加強了對學生的綜合實踐創新能力的培養。