基于Labview的太阳能电池温度采集和数据保存系统_杨刚

－２４８－中国科技信息 ２００８ 年第 ２ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊａｎ．２００８基础及前沿研究ｓ ，对于本系统中这种频率不高的应用场合，是完全适用的。二、信号采集系统的硬件设计（一）传感器及调理电路的硬件设计温度是太阳能电池的重要参数之一，在给定光强下，太阳能电池工作温度的升高将影响电池的输出功率。电池的输出功率和效率随温度升高而减少，每升高 １℃，效率约下降 ０．４％，使用寿命也降低。对于温度的测量，通常使用的传感器为铂电阻（ＰＴ１００） ，由于在 ０～８５０℃时其阻值满足以下公式Ｒ Ｔ ＝Ｒ ０ （１＋ α ｔ＋ｂｔ ２ ） （１）其中，Ｒ ｏ 为 ＰＴ１００ 在 ０℃时的阻值，理论上为 １００ Ωａ 一阶温度系数α＝３．９０８１０ －３ｂ 二阶温度系数 ｂ＝－５．８０２ １０ －７太阳能电池的工作温度不会很高，因此可以认为其在一定范围内具有良好的线性，也就是说可以忽略二次项的影响，认为 Ｒ Ｔ 只与 ｔ 的一次方有关，即Ｒ Ｔ ＝Ｒ ０ （１＋ α ｔ） （２）利用电桥将电阻的变化转变为电信号的变化，再经过放大器放大使信号能够被采集卡采集。 本系统使用如图２所示的三线基于 Ｌａｂｖｉｅｗ 的太阳能电池温度采集和数据保存系统杨刚 黎冠文 中山大学理工学院 ５１０００６摘 要温度影响着系统和元件的运行状况和运行寿命，对于太阳能电池而言，温度因素在很大程度上影响着电池的效率和使用年限，因此其在很多情况下是必须考虑和测试的重要因素。以 Ｌａｂｖｉｅｗ 图形编程软件作为开发平台，结合计算机和数据采集卡的硬件支持，可以实现温度信号的采集以及数据保存的目的，并拥有非常友好的用户界面。关键词Ｌ ａ ｂ ｖ ｉ ｅ ｗ ；温度信号采集；数据保存；软件设计一 、 引 言Ｌａｂｖｉｅｗ 程序又被称作虚拟仪器，是一种建立在以 ＰＣ 机为核心的硬件平台上，但功能可由用户自己定义的计算机测试系统，它的表现形式和功能类似普通的仪器，但 Ｌａｂｖｉｅｗ 程序可以很方便的改变仪器及其设置。使用虚拟仪器进行测试工作，相对传统的仪器，其利用软件实现了硬件内容，无须购买硬件设备，应用灵活，可以大大缩短系统研制周期，因此在测控领域中有了广泛的应用。虚拟仪器以Ｌａｂｖｉｅｗ 为软件开发平台，Ｌａｂｖｉｅｗ 软件是美国ＮＩ公司出品的一种虚拟仪器软件开发工具，也是一种图形化的编程语言，用于快速创建灵活的、可升级的测量和控制程序。使用 Ｎ Ｉ Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ ，我们可以很方便的采集到实际信号，并对其进行分析得出有用信息，然后将测量结果通过直观化的显示、报告和网络实现共享。系统的结构如图 １ 所示。本系统所使用的采集卡为 ＵＳＢ６００８ 数据采集卡，ＵＳＢ６００８ 是美国 ＮＩ 公司生产的 ＵＳＢ 接口的数据采集卡，具有 ８ 个 １２ 位模拟输入端口，２ 个模拟输出端口，并且附带了计数器和数字 Ｉ／Ｏ，其输入电压的范围为 １０Ｖ，且最高采样频率为 １０ｋｂ／ 图 ２ 三线制温度传感器电路表 １ 温度传感电路输出电压随温度变化表图 １ 虚拟仪器硬件结构制温度传感器。电路中，铂电阻与 Ｒ １ ～Ｒ ３ 组成电桥，Ｒ Ｗ １ ～Ｒ Ｗ ３ 是导线的等效电阻。在所使用的三线制温度传感器中，如果电缆中导线的种类和长度都相同，则导线电阻 Ｒ Ｗ１和 Ｒ Ｗ ２ 相等，温度系数也是一样的，因此， 即使电缆的长度改变， 温度系数也会一起跟着改变进行温度补偿，不会影响测量结果。 由于测试系统一般放在室内， 传感器则放在室外， 室内到室外的引线可能很长，因此使用三线制可以很好地去除长电缆对电阻的影响。经电桥输出的差分信号经过两级同相比例放大电路进行放大，以便输入数据采集卡。电路理论推导如下（３）－２４９－（４）（５）联立上面（３ ）－（５ ）式经得（６）将各阻值代入上式，可以得到０．１２５４ｔ （７）这就是输出电压与温度的关系式，在理想情况下， 其应不含常数项， 然而， 实际上，由于电阻的误差以及放大器线性度不一定精确，电压 Ｕ Ｏ 与温度 ｔ 的关系要通过实验测定。在太阳能电池工作的范围内测量温度和电路输出电压的关系，具体数据见表 １。被计算机采集后，需要在计算机中把电信号的大小转换成温度的大小，因此需要求得 ｔ～Ｕ ０ 的关系，因此，以电压做因变量，温度做自变量，得到如下关系ｔ＝ｂＵ ０ ＋ α （８）其中截距 ａ＝－６．２３０６回归系数ｂ＝８．７６４５相关系数ｒ＝０．９８５０相关系数很高（ｒ ≈ １） ，表明 ｔ 和 Ｕ ０高度相关， 因此在计算机软件编程中，只要将电信号进行如上的线性变化就可以实现温度的采集和显示。三、系统软件设计经三线制温度传感器和调理电路采集过来的温度信号转变成电信号输入到数据采集卡 ＵＳＢ６００８ 中，该数据采集卡和计算机通过 ＵＳＢ 接口相连，可以通过 Ｌａｂｖｉｅｗ里的数据采集助手把信号传输到计算机中。软件设计的工作主要是将采集到的温度信号进行实时显示并把数据自动分日期保存下来。软件设计实现过程如图 ３ 所示。（一）软件部分主要设计步骤１ ．确定采样频率。温度是一个平缓变化的量，每秒采集一次就能做到非常精确，所以在 Ｄ Ａ Ｑ 采集助手中设置其采样率为 １ＨＺ，得到的每组十个数据并以数组的形式向下级程序输出。２ ．确定显示温度的时间间隔。考虑实际中的应用，我们对一分钟内采集到的６０ 个数据求平均值，即输出过去一分钟里的平均温度。这样能兼顾到系统的灵敏性又不致使保存的数据文件过于庞大。３ ．用软件设计出满足要求的程序，其界面如图 ４ 所示。启动状态，连续运行时，连续运行指示灯亮，当前时间处显示采集的次数以及采集的时间。实时温度处可以读出过去一分钟里的平均温度，下有模拟的温度计直 观 显 示 。左 边 的 图 表 可 以 显 示 一 天（０ ０ ０ ０ ２ ４ ０ ０ ）的温度变化趋势。若想停止当前信号采集，只需按下右上停止按钮即可。系统会完成最后一次采集和保存，在一分钟内实现停机。可见，采集到的信号显示的很直观而且系统具有非常强的可操控性。（二）所有显示出来的温度信号数据都可以通过程序自动保存下来。保存的方式是每晚零时自动创建以当天日期为文件名的 Ｅｘｃｅｌ 表格，以确保重要的资料不会丢失以及方便以后有需要时读取。图 ５ 是系统连续运行一段时间后，自动记录并保存下来的一组温度数据。如第一行数据表示当天第 １０８２次采集并显示是发生在 １ ６ １ ７ ，当时的温度是 ２９．３７℃。保存下来的温度数据条理清晰，可读性强，信息量大，并且可用于后续分析与反馈控制。四 、 结 语本系统在实现计算机对温度的自动采集、 实时显示、 趋势一览和数据保存方面做出了十分可喜的尝试，借助于 Ｌａｂｖｉｅｗ 强大的软件支持，形成运行稳定而且界面友好的测控系统。 在应用上， 本系统经测定可以很好地完成在太阳能电池运行温度的观测和保存工作，并且在测量太阳能电池的其他的运行特征时可以很方便地进行扩充。另外，在其他涉及温度的工业和测控领域，本系统也有比较大的应用价值。图 ３ 软件设计流程图 图 ４ 温度采样系统界面图 ５ 温度采集保存数据参考文献［１］何希才， 刘红梅．传感器应用接口电路［Ｍ］．第七版．北京 机械工业出版社．１９９７，４９－７６［２］杨乐平．ＬａｂＶＩＥＷ程序设计与应用［Ｍ］．第二版．北京电子工业出版社．２００５．［３］雷振山． ＬａｂＶＩＥＷ ７ Ｅｘｐｒｅｓｓ实用技术教程［Ｍ］．第一版．北京 中国铁道出版社．２００４，４［４］李文军， 田瑞利， 易利鹏．基于ＬａｂＶＩＥＷ的数据采集与信号处理系统［Ｊ］．现代电子技术．２００５， ２０ １０ －１１