基于C8051F单片机的太阳电池测试系统

黎步银，张云龙

(华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074)

0 引言

目前，多数太阳电池检测设备使用PC进行数据采集和处理，使得检测设备体积庞大无法实现室外作业，且价格、运营和维护成本都很高[1]。针对这些问题，开发一款易于便携、价格低廉且性能强大的检测设备已迫不及待。文中摒弃PC作为核心的思路，选用嵌入式处理器作为数据采集和处理核心，开发了可以满足多数厂商和高校实验室测试要求的智能便携的太阳电池测试系统。

1 原理

太阳电池测试系统使用C8051F060单片机作为控制核心，图1为系统原理框图，系统主要由采集单元、串口通信单元、显示单元和主控单元4部分组成。

系统启动后，MCU开始工作，首先DAC从0开始，等差递增地输出电压，驱动工作在线性区的电子负载的阻值进行线性变化，太阳电池回路中取样电阻的电压和电流就会发生相应的变化，ADC0和ADC1分别采集回路中取样电阻的电压和电流信号。通过采集的辐照度和温度信号，运用补偿算法将ADC采集的数据进行补偿和修正，然后运用拟合算法将修正的数据拟合成曲线，即I-V曲线。最后通过上位机程序将I-V曲线输出到PC或者直接输出到LCM。

图1 系统原理框图

2 硬件电路设计

系统的硬件电路主要包括主控单元电路、电子负载及补偿电路、A/D采样电路、温度及光辐照度采集电路4部分。

2．1主控单元电路

主控单元控制ADC进行数据采集、DAC调节电子负载的变化，并将接收的ADC采样数据进行处理，最后通过串口通信将其传给上位机和LCM。主控单元主要有主控MCU、显示模块和串口通信模块，如图2、图3所示。

C8051F060是完全集成的混合信号片上系统型MCU，最高工作时钟可以达到25 MHz，对采集的数据能进行快速的处理和拟合；片内集成了2通道12位DAC，使用内部基准电压时，分辨率可以达到0.59 mV，而且有多种DAC输出更新模式，方便用户选择最适合的模式；片内集成了2通道16位ADC，最高采样速度可以达到1 M/s，完全满足系统对电压和电流在采样时间的要求；I/O端口不仅兼容5 V电压，而且每个I/O的最大灌/拉电流都能达到100 mA，可直接驱动数码管和继电器等，简化了硬件电路设计；片上集成了UART、SPI和SMBus等数据接口，方便了后续系统的升级[2]。

图2 主控MCU

图3 显示和串口通信模块

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MAX3232作为串口通信的芯片。显示运用了YM12864R 汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形。

2．2电子负载及补偿电路

为了实现负载的程控操作，选用IRF1010E作为电子负载的核心元件，当MOSFET工作在可变电阻区时，

VDS≤(VGS-VT)

(1)

其V-I特性可近似表示为：

(2)

(3)

iD≈2Kn(VGS-VT)VDS

(4)

由此可以求出当VGS一定时，在可变电阻区内，原点附近的输出电阻Rdso为：

(5)

式(5)表明Rdso是一个受VGS控制的可变电阻[3]。

图4为电子负载原理图。

图4 电子负载原理图

(6)

式中A为差分放大增益。

Vt=V2-V1

(7)

式中Vt为太阳电池两端的电压。

由式(6)和式(7)可知：

V0=Vt×A

(8)

由上式可知，太阳电池两端的电压直接由TL082测得，与其他因素无关。

由电路的相关定理可知：

Vda=V0

(9)

被测太阳电池两端的电压自动跟随直到C8051F单片机DAC的输出电压相等，相当于DAC控制了太阳电池两端的电压。所以当DAC为一定值时，Q1阻值无限大，这时可以测得太阳电池的开路电压；但是在回路中由于存在导线电阻R1和R2、取样电阻R和Q1，无法使得回路中电阻为零，所以无法测得太阳电池的短路电流。

由于上述原因，在测试回路中加入了补偿电源，太阳电池两端的电压为：V=VDS+VR+VR1+VR2-Ve，选定合适的补偿电源，调节VDS使得V=VDS+VR+VR1+VR2-Ve=0，这时，测得流过取样电阻的电流就是太阳电池的短路电流[4]。

2．3A/D采样电路

C8051F060单片机包含2路16位分辨率、1 MSPS的逐次逼近寄存器型ADC，其中集成了DMA接口、可编程窗口检测器和跟踪保持电路。两路ADC不仅可以配置为独立的单端模式还能组成一个差分对。通过特殊功能寄存器用软件可以控制DMA接口、窗口检测器和数据转换方式。两路ADC的电压基准有外部基准和内部基准可供选择。两路ADC和跟踪保持电路都能够被独立使能或禁止[2]。

系统采用两路ADC，分别采集太阳电池的电压和电流信号，基准电压选取内部基准电压，两路ADC都是16位分辨率，所以1个ADC的值为2.43/216≈0.000 037；系统还采用两路DAC，输出连续变化的电压控制太阳电池电压的变化，基准电压选取内部基准电压，两路DAC都是12位分辨率，所以1个DAC的值为2.43/212≈0.000 59。

系统中，太阳电池、IRF1010E、取样电阻、补偿电源构成了一个负反馈回路。U1A和U2A都是差分放大，U1B和U2B是开环放大。如图5所示，当系统工作在电压模式时，太阳电池的正负两端分别接到U1A的同相输入端和反相输入端，通过差分放大，输出分成平行的两路，一路作为ADC0(电压采集)的输入，另一路作为U1B的同相输入端，通过和DAC0的比较，输出接到IRF1010E的栅极，调节其阻值。取样电阻(1 Ω)的两端分别接到U2A的同相和反相端，通过差分放大，输出作为ADC1(电流采集)的输入；当系统工作在电流模式时，与电压模式唯一的不同在于：IRF1010E的栅极电压是由ADC1和DAC1通过比较之后控制的。

图5 太阳电池电压电流采集电路

2．4温度及光辐照度采集电路

系统对温度的测试范围为0～120 ℃，且要求便携、操作简单，所以选用DS18B20作为温度采集的主要器件。如图6所示，工作电压为5 V，无需单独设计电源，2脚接到MCU的I/O，就可以对温度信号直接进行读取。

图6 温度/辐照度采集电路

根据国际标准IEC 60904-9的规定，太阳电池的测试条件是：温度25 ℃、辐照度1 000 W/m2、光谱AM1.5。在非标准条件下必须转化到标准条件，所以辐照度的测试非常重要。

标准太阳电池有光伏和光导两种工作模式。当标准太阳电池工作在光伏模式时，电池处于短路状态，此时流过电池的电流和辐照度成正比；当标准太阳电池工作在光导模式时，电池切换速度较快，但是线性受到一定的影响。由于待测信号十分微弱，暗电流的影响对测试结果十分明显，所以使标准太阳电池工作在光伏模式[5]。辐照度采集电路如图6所示。

3 软件设计

系统软件包括2部分：上位机程序和单片机程序。上位机程序是利用Visual C++ 6．0中MFC完成的，主要功能是利用MSCOMM控件实现单片机与PC端的通讯，在上位机设计有选择测试周期和测试模式等按钮，还添加了图形显示控件，可以显示和保存测试结果。

单片机程序如图7所示，主要任务是控制单片机完成电压和电流的采集，然后进行辐照度和温度的采集，最后完成数据处理并进行曲线拟合[6]，将I-V曲线和特性参数显示出来。

图7 系统软件流程图

为了使系统更加人性化和处理数据更便捷，增加了上位机程序，这样可以在PC端更加方便地处理和分析这些数据。系统设置了2种工作模式，当在实验室或者方便使用PC的环境下，首先在PC端选择测试模式和测试周期，然后按下上位机界面的开始按钮，系统就开始测试；当在室外或者只需测试曲线和测试结果的环境下，直接按下硬件电路中的开始按钮，系统就开始正常地采集和测试，与前一种工作模式区别在于：不用判断是否与PC通信成功，测试的曲线和结果直接显示在LCM上，但看不到测试的大量数据。

4 实例分析

利用研制成功的太阳电池测试系统对一块太阳电池进行测试，温度在25 ℃，测试模式选用电压模式[7]，测试周期选择1 s，连续测试次数选择10次，测试的I-V曲线和P-V曲线如图8所示。

图8 I-V及P-V曲线

根据太阳电池的I-V曲线和P-V曲线可以直观地分析出太阳电池的性能，如开路电压、短路电流、最大功率、并/串联电阻、填充因子、转化效率等。表1是对同一块样片测量10次的测试参数。

表1 样片测试参数

从表1可以看出开路电压和短路电流的稳定性较好，串联电阻稳定性也不错，但并联电阻波动较大，还需改进估值算法提高其稳定性。由于P-V曲线的修正系数使得最大功率较小，从而影响了填充因子和转换效率，还需多次校正才能提高其一致性。

5 结束语

系统使用C8051F060单片机作为控制MCU，2路16位精准的ADC采样起到了关键的作用，选用IRF1010E作为电子负载的核心器件，使得方案设备体积小，成本低，适用性强。系统可单独使用，也可和PC配合使用。采用Visual C++ 6．0设计上位机程序[8]，界面简洁，功能全面。通过实际测试，精度高，可以满足厂商和高校实验室对太阳电池测试的精度要求。

参考文献：

[1]王佑．欧盟启动光伏反倾销调查[DB/OL]．(2012-09-07) [2013-08-20]．http：//finance．ifeng．com/news/special/gfcykj/20120907/6999120．shtml．

[2]SILICON LABS．C8051F060/1/2/3/4/5/6/7Mixed Signal ISP Flash MCU Family：SILICON LABS．2004．

[3]康华光．电子技术基础模拟部分．5版．北京：高等教育出版社．2006：199-223．

[4]王志明．在线太阳电池测试系统关键技术研究：[学位论文]．上海：上海大学，2009．

[5]许伟民，何湘鄂，赵红兵，等．太阳能电池的原理及种类．发电设备，2011，25(2)：137-140．

[6]PHANG J C H，DANIEL S H C．A review of curve fitting error criteria for solarcellI-V characteristics．Solar Cells，1986，18(1)：1-12．

[7]HU B X，LI B Y．Reflection-type single long-pulse solar simulator for high-efficiency crystalline silicon photovoltaic modules．Review of Scientific Instruments，2011，82(6)：1-5．

[8]龚建伟，熊光明．Visual C++/Turbo C 串口通信编程实践．北京：电子工业出版社，2004：16-141．

作者简介：黎步银(1966-)，教授，博士，主要从事仪器仪表等方面的研究。E-mail：libuyin@sohu．com

张云龙(1988-)，硕士研究生，主要从事仪器仪表等方面的研究。E-mail：hk_zyl@163．com