用于太陽能電池生產(chǎn)中溫度壓力檢測的仿真實驗教學(xué)研究

王碩南 王永清 張 欣 汪偉捷 孫榮霞

（[1]河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院 河北·保定 071000；[2]廣州市風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)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(yīng)用前景。太陽能電池擴散工藝生產(chǎn)中的溫度壓力是主要被控參數(shù)。為了加深學(xué)生溫度壓力檢測技術(shù)在太陽能電池擴散工藝生產(chǎn)中的應(yīng)用，加強對學(xué)生實際工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，解決電子科學(xué)與技術(shù)、電氣工程及其自動化、自動化等專業(yè)學(xué)生對太陽電池生產(chǎn)控制實訓(xùn)難以開展的現(xiàn)狀，開設(shè)了用于太陽能電池擴散生產(chǎn)工藝中的溫度壓力控制單片機課程設(shè)計。[1]

1 系統(tǒng)構(gòu)成

太陽能電池擴散工藝生產(chǎn)中的溫度控制系統(tǒng)主要包括傳感器檢測、信號調(diào)理、單片機控制、數(shù)字信號顯示等模塊構(gòu)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(diào)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(zhuǎn)換模塊：溫度模擬信號采用 12位 A/D轉(zhuǎn)換器ADC128S102完成數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，以便實現(xiàn)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(shù)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(jié)果見圖1。

圖1 溫度壓力檢測系統(tǒng)仿真運行結(jié)果

信號檢測：（1）溫度檢測，常用熱電偶測溫，基本原理是當(dāng)熱電偶所處的環(huán)境溫度變化時，熱電偶兩端的電壓差發(fā)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(jīng)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(jiān)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(wǎng)絡(luò)，X型應(yīng)變儀集成在一個芯片上，以提供高的輸出電壓，轉(zhuǎn)換的最高檢測氣壓 1MPa，能夠滿足擴散工藝生產(chǎn)中0.25~0.45MPa使用范圍。

信號調(diào)理：本設(shè)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(jīng)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(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再輸入到單片機中。

A/D轉(zhuǎn)換：ADC128S102是一種低功耗、八通道CMOS 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器是基于具有內(nèi)部跟蹤和保持電路的逐次逼近寄存器結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)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(chǎn)的AT89C52單片機，可以在線編程，能夠反復(fù)擦寫Flash存儲器。

仿真實驗：步驟（1）通過Proteus進行電路設(shè)計。（2）根據(jù)電路圖進行程序設(shè)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(tǒng)開始仿真運行。仿真運行實驗圖1中，熱電偶設(shè)定值為1221℃時，通過差動放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)果表明方案控制精度高、能有效地降低開發(fā)成本。[2]

3 實物測試

在通過Proteus軟件完成系統(tǒng)仿真實驗基礎(chǔ)上，進行了實物元器件的安裝、焊接、調(diào)試、系統(tǒng)測試，將測試數(shù)據(jù)繪制成的曲線，見圖2。

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)見圖2所示，溫度誤差保持在±0.25℃范圍，系統(tǒng)溫度測試范圍可以達到-50℃~+1600℃。

圖2 溫度測試曲線圖

4 結(jié)論

通過Proteus軟件完成的溫度壓力檢測系統(tǒng)仿真實驗，滿足了單片機課程設(shè)計的基本要求，能實現(xiàn)溫度壓力實時循環(huán)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(chǎn)在850℃~1300℃溫度使用范圍。壓力檢測電路簡單實用，測試結(jié)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(shè)計是學(xué)生鍛煉工程實踐能力的重要環(huán)節(jié)，能夠完成對學(xué)生實踐能力的基本訓(xùn)練，有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)、分析和解決實際問題的能力。通過自主創(chuàng)新設(shè)計，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不僅鞏固了以前所學(xué)的基本知識，學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的工程實踐經(jīng)驗，學(xué)生了解了從電路圖繪制、程序編寫及編譯、仿真實驗調(diào)試、實物安裝調(diào)試等電子產(chǎn)品開發(fā)的全部過程，通過對Proteus仿真軟件的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生快速掌握開發(fā)產(chǎn)品的方法、減少采購更換各種元器件的開發(fā)成本。同時，使學(xué)生懂得了理論與實際相結(jié)合的重要性，提高了學(xué)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(xué)生的綜合實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。