用于太阳能电池生产中温度压力检测的仿真实验教学研究
2020-06-09王硕南王永清汪伟捷孙荣霞
王硕南 王永清 张 欣 汪伟捷 孙荣霞
([1]河北大学电子信息工程学院 河北·保定 071000;[2]广州市风标电子技术有限公司 广东·广州 510630)
0 引言
太阳能作为清洁能源,具有十分广阔的应用前景。太阳能电池扩散工艺生产中的温度压力是主要被控参数。为了加深学生温度压力检测技术在太阳能电池扩散工艺生产中的应用,加强对学生实际工程应用能力的培养,解决电子科学与技术、电气工程及其自动化、自动化等专业学生对太阳电池生产控制实训难以开展的现状,开设了用于太阳能电池扩散生产工艺中的温度压力控制单片机课程设计。[1]
1 系统构成
太阳能电池扩散工艺生产中的温度控制系统主要包括传感器检测、信号调理、单片机控制、数字信号显示等模块构成。
信号检测模块:包括温度及压力检测。由于太阳电池扩散工艺中温度比较高,本研究采用K型铠装热电偶TCK进行温度检测。另外,采用MPX4250气压传感器进行扩散气体的气压检测。
信号调理模块:采用仪表放大器进行放大差模信号,抑制共模信号,减少输入噪声的影响。
A/D转换模块:温度模拟信号采用 12位 A/D转换器ADC128S102完成数字信号的转换,以便实现单片机控制。
控制核心模块:采用AT89C52单片机控制输入信号的采集及输出显示。
输出显示模块:采用LCD1602液晶显示器实时显示检测的温度及压力信号数值。
2 仿真实验
通过Proteus软件、单片机控制热电偶、压力传感器完成温度气压检测仿真实验,实验结果见图1。
图1 温度压力检测系统仿真运行结果
信号检测:(1)温度检测,常用热电偶测温,基本原理是当热电偶所处的环境温度变化时,热电偶两端的电压差发生变化。由于热电偶两端的电动势信号是毫伏级微小信号,不易直接测量,K热电偶1000℃时的毫伏值为 41.276。因此需要经过差动放大电路放大,再进行电压值进行测量。(2)压力检测,通过 MPX4250压力传感器完成气体压力监测,分辨率为18.8mV/kPa,这种压力传感器是将双极运算放大器和薄膜电阻网络,X型应变仪集成在一个芯片上,以提供高的输出电压,转换的最高检测气压 1MPa,能够满足扩散工艺生产中0.25~0.45MPa使用范围。
信号调理:本设计采用仪表放大器,进行差模信号放大,抑制共模信号,减少输入噪声的影响。经差动放大器放大的电压信号是模拟量,放大的电压信号需将经过模数转换器转换为数字信号再输入到单片机中。
A/D转换:ADC128S102是一种低功耗、八通道CMOS 12位模数转换器,该转换器是基于具有内部跟踪和保持电路的逐次逼近寄存器结构。转换器温度分辨率为0.25℃,可读取最高温度达+1600℃。
微机控制:控制器采用ATMEL公司生产的AT89C52单片机,可以在线编程,能够反复擦写Flash存储器。
仿真实验:步骤(1)通过Proteus进行电路设计。(2)根据电路图进行程序设计。(3)运用Keil软件进行程序的编写编译,采用C语言编写程序。(4)把程序在Keil上生成.c和.hex文件,把生成的.hex文件通过Proteus把程序加载到单片机中。(5)点仿真运行按钮,系统开始仿真运行。仿真运行实验图1中,热电偶设定值为1221℃时,通过差动放大器、模数转换、单片机控制,最终在LCD液晶屏上显示测量温度为1221℃。压力设定值和显示值均为0.51MPa。满足正常使用在0.25~0.45MPa压力范围。仿真实验结果表明方案控制精度高、能有效地降低开发成本。[2]
3 实物测试
在通过Proteus软件完成系统仿真实验基础上,进行了实物元器件的安装、焊接、调试、系统测试,将测试数据绘制成的曲线,见图2。
数据分析:温度采集用铠装热电偶温度传感器,检测通过红外图像分析仪进行测试,测试数据见图2所示,温度误差保持在±0.25℃范围,系统温度测试范围可以达到-50℃~+1600℃。
图2 温度测试曲线图
4 结论
通过Proteus软件完成的温度压力检测系统仿真实验,满足了单片机课程设计的基本要求,能实现温度压力实时循环检测的目的。采用的TCK热电偶温度传感器具有测量精度高,测量范围广,满足正常生产在850℃~1300℃温度使用范围。压力检测电路简单实用,测试结果能够满足太阳电池扩散工艺正常使用在0.25~0.45MPa压力范围。
通过单片机课程设计是学生锻炼工程实践能力的重要环节,能够完成对学生实践能力的基本训练,有助于培养学生综合运用所学知识发现、分析和解决实际问题的能力。通过自主创新设计,激发了学生的学习兴趣,不仅巩固了以前所学的基本知识,学到了很多在书本上所没有学到过的工程实践经验,学生了解了从电路图绘制、程序编写及编译、仿真实验调试、实物安装调试等电子产品开发的全部过程,通过对Proteus仿真软件的学习,有助于学生快速掌握开发产品的方法、减少采购更换各种元器件的开发成本。同时,使学生懂得了理论与实际相结合的重要性,提高了学生的实际动手能力和独立思考问题、解决工程实践问题的能力,加强了对学生的综合实践创新能力的培养。