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        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

        2020-06-09 09:50:56王碩南王永清汪偉捷孫榮霞
        科教導(dǎo)刊 2020年8期
        關(guān)鍵詞:熱電偶單片機模塊

        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)。

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