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1、-光伏电池板数据采集和测试系统设计毕业论文-第 32 页 编号：清华大学本科毕业论文光伏电池板数据采集和测试系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设
2、计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日
3、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要基于虚拟仪器光伏电池组件的测试系统采用灯光照射和过滤器为光伏电池板设备提供了一个模拟的太阳光，抛物面发射装置实现高均匀度的模拟太阳光，从而避免了因稳态的温度对测试的影响。测试组件时环境温度要求在25。利用虚拟仪器技术，利用多功
4、能数据采集卡等设备，建立了光伏电池性能测试平台，对光伏电池性能参数进行测试。 论文在分析任务、技术指标及系统功能的基础上，设计了系统总体方案，并且从硬件和软件两个方面对系统整体的实现过程进行了详细的介绍。首先介绍了太阳能电池发电的原理以及数据采集卡的选择。选用NI公司的LabVIEW软件控制数据采集卡实现对光伏电池电压、电流数据的采集、显示及存储等功能，并对所测数据进行分析处理。最终能对组件进行功率测试，测试组件是否符合要求。最后对自己所设计出来的界面进行调试，虽然没有真正的组件测试，但是可以利用LabVIEW中的函数信号发生器仿真电压、电流，然后得到电压、电流曲线，图像、功率曲线，进而找到最
5、佳功率点。关键词：数据采集；信号调理；最佳功率点；LabVIEWAbstractThe testing system, which is based on photovoltaic cell module using virtual instrument, provides stimulated sunlight for photovoltaic equipment by using lights and filters. A parabolic launch device succeeds in stimulating solar light of high uniformity so th
6、at the steady temperature will have no influence on the test. When tested, the ambient temperature should be 25. The photovoltaic cell performance testing platform is established to test parameters of the photovoltaic cell performance, making use of the virtual instrument technology and data collect
7、ion card with multi-function and other equipment.This paper, on the basis of analysis the task, technical index and system function, designs an overall scheme of the system and makes a detailed introduction of the whole implementation process of the system from two aspects of hardware and software.
8、Firstly, it introduces the principle of the solar power generation and the selection of data acquisition card. The use of NI Companys LabVIEW, by controling the data acquisition card, can make it possible to collect, display, and store the solar battery voltage, to analyse and process the measured d
9、ata. Its ultimate purpose is to achieve power sub-file and test if the testing components meet those requirements. Finally, the interface that has been designed will be debugged. Although there is no real module testing, the optimal power point can be found by using the function signal generator in
10、the LabVIEW to stimulate the voltage and current to get their curves, the graph, and the power curve.Key words: data acquisition; signal regulation; the optimal power point; LabVIEW目 录1 绪论11.1光伏电池领域现状与发展趋势11.2 虚拟仪器的概述21.3 本文研究的内容和目的21.4 本文研究的意义32 光伏板模型及电磁特性42.1 光伏电池的结构和原理42.2 光伏系统的状态分析52.2.1 电池的伏安特性
11、曲线52.2.2 功率匹配72.3 光伏电池的检测参数83 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程103.1 光伏电池板数据采集和测试系统总体结构103.2 光伏电池板数据采集系统103.3 光伏电池板数据采集和测试系统硬件设计113.3.1 传感器的选择113.3.2 数据采集卡的选择133.3.3 USB7360数据采集卡143.4 光伏电池板数据采集和测试中虚拟仪器的软件平台163.4.1 LabVIEW软件介绍163.4.2 LabVIEW的操作模板203.4.3 光伏电池板数据采集和测试中软件设计的层次结构233.4.4 光伏电池板数据采集和测试中软件设计的程序结构234 光伏电池
12、板数据采集和性能测试系统的软件界面设计及流程304.1 软件界面设计思想304.2 子程序的调用314.3 转换效率的检测334.4 最大功率344.5 串联电阻和并联电阻的检测344.6 填充因子的检测364.7 滤波子程序364.8 整体界面的显示375 结论38参考文献39致谢401 绪论1.1 光伏电池领域现状与发展趋势太阳能光伏发电产业在上世纪末本世纪初受到了世界各国的重视。目前光伏发电居世界各国前列的是日本、德国和美国。世界各国纷纷立法，制定鼓励政策，提出发展规划，大力扶持，推广应用，促进了光伏产业飞速发展，使其成为近十年来增速最快的能源产业之一。19982008年全球光伏发电产量
13、的年平均增长率(CAGR)以两位数增加，19982003年的CAGR为30，20032008年的CAGR为44。光伏发电的安装量从2003年的245MW猛增到2008年的1460MW，年平均增长率达43。其中德国为80，美国为35，日本为25，欧洲其他地区为43，世界其他地区为13810。光伏发电产业在未来十年仍将保持调整发展的势头。在德、日、美等40多个积极发展太阳能产业的政府的推动下，目前太阳能终端用户的需求量大大超过了产能增长。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30
14、以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上1112。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。我国光伏发电产业的大发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目、政府项目的启动和市场的拉动。近5年来，中国光伏电池产量年增长速度达到了100一300，光伏电池产量占全球产量的比例也由2005年1.07增长至2011年的近15。商业化晶体硅太阳
15、能电池的效率也从3年前的13-14提高到16-171317。总体来看，中国太阳能电池的国际市场份额和技术竞争力大幅提高。在产业布局上，中国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。随着光伏技术的发展，上世纪七十年代，我国投入了相当大的人力和物力，建立了太阳电池测量实验室，开始了太阳电池的标定与测试技术的研究工作。主要的测试设备包括国产和进口的A级太阳模拟器，用于电性能测量并开发了基于锁相放大技术的太阳能电池光谱响应测量系统。然而太阳电池的量值统一在全世界也是一个待解的难题。我国的电池检测设备1992年以前除少数企业引进少量
16、进口设备以外，均采用比较粗糙而且落后的方法对产品进行测试。此时，一些公司、科研院所相继进入电池检测领域。其中引进计算机集散控制系统来实施批量大规模的电池测试。以DKl00为代表的电池综合测控系统实现了对电池检测和分选的自动化。我国的电池测试行业一直在持续不断的发展，但与国际先进水平相比还存在着一定的差距。电池性能的检测是通过检测设备实现的，因此，提高检测技术，提高检测系统的适用性、稳定性、可靠性对电池产品质量水平的提高与电池行业的发展至关重要。同时作为新兴的行业，太阳能电池产品的种类和性能变化非常快，与之相适应的太阳能电池测试技术却没有能够立即跟上。例如，多结太阳能电池测试技术。近几年我国研制
17、出各种多结太阳能电池新品，对于多结太阳能电池，如果还采用传统的太阳能电池测试设备，必将产生无法估量的测试误差。随着新兴的虚拟仪器技术的发展以及其在各行各业的应用，本文利用虚拟仪器技术建立了一整套光伏电池数据采集和检测装置，对于光伏电池的生产以及在应用时进行数据采集和检测，系统具有很好的可扩展性，适用性和稳定性。1.2 虚拟仪器的概述虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。作为虚拟技术的重要组成部分虚拟仪器(Virtual Instrument)是目前各国研究的热点之一。美国国家仪器公司(National Instrument简称
18、NI)于20世纪70年代中期提出虚拟仪器的概念。虚拟仪器是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、调用显示及文件管理等智能功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。传统仪器通常由信号的采集，信号的分析，信号的输出3部分组成；虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。 1.3 本文研究的内容和目的光伏发电是通过光伏电池实现光电直接转换的过程，是太阳能开发利用的重要途径之一，在世界范围内受到高度重视。我国光伏发电市场需求旺盛，光伏发
19、电系统被应用在多个领域。目前大多的太阳能组件测试系统多为人工施加负载，很难求出太阳能电池组件的最佳功率点，也不能自动画出太阳能电池组件的曲线，也不能随着温度、光强、光谱的变化而自动修正到标准状态。本文所设计的基于虚拟仪器下的光伏电池组件测试平台利用了反向偏压电子负载的形式，可在极短时间内同时测出多个点的电压、电流值，并且给出光伏电池组件由实时数据修正到标准状态下的电池功率。电压-电流关系曲线(曲线)在工程科学中是极其重要而又常用的关系曲线，尤其对于光伏电池的研究。随着虚拟仪器技术的迅速发展，有必要建立一个基于虚拟仪器的光伏电池性能测试技术平台。本论文研究内容主要是利用多功能数据采集卡建立一个光
20、伏电池性能测试平台，对光伏电池性能参数进行测试，以此来分析光伏电池的工作特性，在此过程中实现通过LabVIEW软件编程对数据采集卡的控制等。利用LabVIEW以及其它相关软件对所测试数据进行分析处理，完成数据采集、参数设置、数据显示及存储等功能。通过LabVIEW软件的数据处理功能，对光伏电池功率的范围和组件进行标定。1.4 本文研究的意义能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自上世纪50年代以来，能源安全一直面临着挑战，存在着十分危险的潜在危机，能源危机的重要表现之一便是不断出现的电力紧张。在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，人们渴望用“取之不尽，用之不竭”的可再生能源来代替
21、资源有限、污染环境的常规能源。以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术，能满足人类的需要。太阳能光伏发电作为一种既清洁又环保的绿色能源，是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。光伏电池输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某个输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值。光伏发电装置的实际输出功率随光照强度的变化而变化，白天光照强度最强时，发电装置输出功率最大，夜晚几乎无光照，输出功率基本为零。所以除设备故障因素以外，发电装置输出功率随日照、天气、季节、温度等自然因素而变化，输出功
22、率极不稳定。因此，对光伏电池的特性特别是输出特性进行研究非常必要。2 光伏板模型及电磁特性2.1 光伏电池的结构和原理光伏电池是一种对光有响应并能将光能转换成电能的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，砷化镓，非晶硅，硒铟铜等，但是它们的发电原理基本相同，以晶体硅为例来描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能
23、的过程。硅光伏电池的基本材料为P型单晶硅，厚度为0.30.5mm左右。上表面为N型区，构成一个PN结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。当入射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N区，PN结空间电荷区和P区中激发出光生电子空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N区，光生空穴留于P区，在PN结的两侧形成正负电荷的积累，产生光尘电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N区，负载中就有功率输出。光伏电池各
24、区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区产生阳光电流对短波长的紫光(或紫外光)敏感，约占总光源电流的510(随N+区厚度而变)，PN结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5左右。电池基体区域产生的光电流对红外光敏感，约占8090，是光生电流的主要组成部分。光伏电池可用恒流源、PN结二极管D、串联电阻和并联电阻组成的电路来表示，如图2-1所示，电路为光伏电池的等效电路图。电源图2-1 光伏电池的等效电路光伏电池的光电流；内部P-N二极管的电流和电压；由于表面不均匀和光伏电池棱角电流损失，所以有一个并联损失电阻；由于硅片的轨道电阻和接触，接头损失，所以有一个串联的损失电阻；太阳能产生的电流和电压；
25、负载电阻，电流，电压；其中，。其中为光伏电池的光电流，它的值正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度；为内部PN结二极管的电流和电压，被称为暗电流，所谓暗电流是指光伏电池在无光照时，由外电压作用下PN结内流过的单向电流，它的大小反映出在当时环境温度下，光伏电池PN结自身能产生的总扩散电流的变化情况。硅型光伏电池在无光照情况下的基本行为特性类似于一个普通二极管。为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组成。为并联电阻，它主要是有电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的PN结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成。为太阳能产生的电流和电压；负
26、载电阻、电流、电压。其中，。2.2 光伏系统的状态分析2.2.1 电池的伏安特性曲线光伏电池接上负载之后，负载中就有电流流过，该电流称为光伏电池的工作电流，也称为输出电流或者负载电流。负载两端的电压称为光伏电池的工作电压。一个理想的光伏电池，串联电阻很小，而并联电阻很大。由于和是分别串联和并联在电路中的，所以进行理想的电路计算时，这两个电阻可以忽略不计，此时，流过负载的电流为： (2-1)采用单二极管模型，理想情况下光伏电池的电压一电流特性即伏安特性可以写为: (2-2)式(2-1)、(2-2)中，为光伏电池的暗电流或漏电流，单位为A：为PN结的反向饱和暗电流，单位为A：为电子电荷()，单位为
27、C；为玻尔兹曼常数()；为热力学温度，单位为K；n为常数因子(正偏电压大时n值为1，正偏电压小时n值为2)；e为自然对数的底。在短路状态下，=0，可得到短路电流；在开路状态下，且=0时，电压表示为，用式表示为： (2-3)式(23)是开路电压的表达式，表明要提高光伏电池的开路电压，必须提高短路电流和反向饱和电流的比值。 根据式(22)、(23)作图，可得到光伏电池的伏一安特性曲线，如图22所示，同时也可称为IU曲线。图2-2 伏安特性曲线在现实当中，光伏电池并不处于理想状态，必须考虑到串联电阻和并联电阻，对应图2-1光伏电池的等效电路，可以列出光伏电池两端的电压与电流的关系如下面的关系式： (
28、2-4)当电路处于开路时，负载电流=0，此时的开路电压由式2-4可得到如下关系式： (2-5)当电池两端短路时，即=O时，此时负载电压为零，此时的电流为短路电流，由式2-4可得到如下关系式： (2-6)2.2.2 功率匹配在一定的光照强度下，光伏电池的输出功率随着负载的增大，在电流基本不变的前题下，随着输出电压的逐渐增大，输出功率也随之增大，体现了光伏电池恒流源的特性。而如果负载继续增大，电压和电流都开始急剧下降，而功率最大的那个点，就是光伏电池的最大功率点。根据光伏电池的这种工作特性，在选择光伏电池的负载时，就需要选择匹配的负载电阻使得负载电阻整体上大概等于光伏电池的内阻。这样才可以获得最大
29、的功率输出，提高太阳能的利用效率。下图2-3是光伏电池的输出功率与电阻、电流、电压的关系。R图2-3 输出功率与负载、电流、电压的关系2.3 光伏电池的检测参数(1) 开路电压开路电压，即将光伏电池置于1000W/的光源照射下，在两端开路时，光伏电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。(2) 短路电流短路电流，就是将光伏电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过光伏电池两端的电流。测量短路电流的方法，是用内阻小于1的电流表接在光伏电池的两端。(3) 最大输出功率光伏电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到光伏电池的伏安特
30、性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号和。表示:。(4) 填充因子光伏电池的另一个重要参数是填充因子FF，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比： (2-7)FF是衡量光伏电池输出特性的重要指标，是代表光伏电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示光伏电池的输出功率越大。FF的值始终小于l。(5) 串联电阻并联电阻串并联电阻对填充因子有很大的影响，同时电池的短路电流只受串联电阻的影响，而开路电压只受并联电阻的影响。如图2-4所示，串联的电阻越大，短路电流下
31、降的越多，填充因子也随之减少的越多；并联的电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降的越多，填充因子也随之也下降的越多。所以减少串联电阻和增大并联电压对于提高电池的填充因子和能量转换有重大作用。这一结论对于光伏电池的制造以及光伏特性的改善有重要的作用。图2-4 串并联电阻对填充因子的影响4(6) 转换效率光伏电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻式的最大能量转换效率，等于光伏电池的输出功率与入射到光伏电池表面的能量之比： (2-8)地面用光伏电池的测试标准为：大气质量为AMl.5时的光谱分布，入射的太阳辐照度为1000W/，温度为25，在此条件下光伏电池的输出功率定义为光伏电池的峰瓦数，
32、用符号表示为Wp(peak watt)。光伏电池的光电转换率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。(7) 电池温度温度对系统的运行和元件的寿命有这很大的影响，它是光伏电池的重要参数之一，温度因素在很大程度上影响着电池的效率和使用年限。在给定光强下，光伏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。3 光伏电池板数据采集和测试系统开发设计过程3.1 光伏电池板数据采集和测试系统总体结构系统的总体结构图如上图3-1所示，太阳光照射到光伏电池板上。
33、光伏电池板产生电流电压，因为电流电压为标准信号，不需要传感器，电流信号经过电压转换电路，电压经过分压电路，之后可以直接通过数据采集卡进行采集。同时温度传感器采集光伏电地板的温度，温度信号也通过数据采集卡进行采集。电流电压以及温度信号经采集卡传到电脑上的LabVIEW软件系统进行数据处理和保存，经处理和保存过的数据在测试系统中再次被调用，同时通过日射强度计来采集光照强度，以此来分析光伏电池的特性。 LABVIEWPC太阳光伏电池板数据采集卡数据采集特性分析光伏电池板面积日射强度计温度传感电流电压温度图3-1 系统总体结构图3.2 光伏电池板数据采集系统数据采集(Data AcQuisition，
34、DAQ)是从传感器和其他待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自己定义的测量系统。一个完整的DAQ系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等，如图3-2所示：被测对象传感器信号PCLABVIEW软件数据采集卡DAQ USB调理信号 图3-2 典型的基于PC的数据采集(DAQ)系统(1) 传感器和变换器传感器感应物理信息并生成可测量的电信号。例如热电偶、电阻式测温计(RTD)、热敏电阻器和IC传感器可以把温度转变成ADC可测量的模拟信号。其他例子包括应力计、流速传感器、压力传感器
35、等，它们可以相应地测量应力、流速或压力。在所有这些情况下，传感器可以生成和它们所检测的物理量呈比例的电信号。常见的信号类型有5类，其中模拟信号包括直流(DC)信号、时域信号和频域信号；数字信号包括通断和脉冲序列两种类型。但这5种信号并不互相排斥，它只是电信号的5种测量角度而已。对同一个信号可以采用多种测量角度。(2) 信号调理从传感器得到的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信号调理等。3.3 光伏电池板数据采集和测试系统硬件设计本检测系统的硬件主要有一台电脑，数据采集
36、卡USB7360，温度传感器，日射强度计，万用表，可变电阻、电线组成。3.3.1 传感器的选择在温度检测系统中，根据具体系统对传感器的选择很重要，它是系统设计的第一步，传感器的性能直接影响系统的性能。在本系统中，根据系统的设计要求选用温度传感器AD590。AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型温度传感器这种传感器在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在510V之间变化，其电流只是在1uA以下作微小变化。AD590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1u
37、A。AD590的主要技术指标：(1) 测温范围为-55+150； (2) 电源电压范围为4V30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏； (3) 输出电阻为710m； (4) 精度高，AD590在-55+150范围内，非线性误差仅为0.3。AD590在应用时，是一个恒流源，它将温度值转换为电流值，而此系统在设计时将此电流值再转换为电压值。它的调理电路如图3-3所示，AD590的输出电流为： A (3-1)其中为摄氏温度，因此量测的电压为: V (3-2)为了将电压量测试出来又需使输出电流不分流出来，使用电压跟随器，其输出电压等于输入电压。由于一般电源供应较多元
38、件之后，电源是带噪声的，因此使用齐纳二极管作为稳压零件，再利用可变电阻分压，其输出电压需调整至2.73V。接下来使用差动放大器。此调理电路原理图如下图3-3所示：20k20k图3-3 传感器AD590调理电路根据放大器的工作原理可得出式3-3，3-4： (3-3) (3-4)由式3-3，3-4可得: V (3-5)当所测温度为-3080时，给出电压为-1.54V，适应本测试系统中数据采集卡的数据采集范围-5+5V。3.3.2 数据采集卡的选择由于在通用计算机和数据采集卡设备的基础上建立起来的虚拟仪器具有良好的功能扩展性，随着计算机技术的发展，越来越多的工程师采用基于PC系统的数据采集系统来完成
39、测试测量任务。一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入，模拟输出，数字I/0，计数器/计时器等。当采集卡测量模拟信号时，必须考虑信号的输入模式(单端输入或差分输入)、分辨率、输入范围、采样范围、采样速率、精度和噪声等因素，如果信号的特性不满足直接利用采集卡进行测量，一般还需要对信号进行调理。模拟输入简称模入，是采集卡的最基本的功能。它一般由多路开关(MUX)，放大器(Amplifier)，采样保持电路(S/H)以及模数转换器(ADC)来实现。一个模拟信号通过上述各部分后可以转化为数字信号。ADC的性能和参数直接影响着采集数据的质量，应根据实际测量所需要的精度来选择合适的ADC。模拟输入主要考虑的基
40、本参数包括通道数、采样速率、分辨率和输入范围等。(1) 通道数对于采用单端和差分两种输入方式的设备，模拟输入通道数可以分为单端输入通道数和差分输入通道数。在单端输入中，输入信号均以共同的地线为基准。这种输入方法主要应用于输入信号电压较高(高于1V)，信号源到模拟输入硬件的导线较短(低于4.5m)，且所有的输入信号共用一个基准地线。如果信号达不到这些标准，此时应该用差分输入。对于差分输入，每一个输入信号都有自有的基准地线；由于共模噪声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。(2) 采样速率这一参数决定了每秒钟进行模数转换的次数。一个高采样速率可以在给定时间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。
41、(3) 分辨率模数转换器用来表示模拟信号的位数即是分辨率。分辨率越高，信号范围被分割成的区间数目越多，因此，能探测到得电压变量就越小。例如，3位模数转换把输入范围细分为2的三次方，即8份，二进制数从000到111分别代表每一份。如果把分辨率增加到16位，模/数转换的细分数值就可以从8增加到2的十六次方，即65536，它就可以更准确的表示原始信号。(4) 输入范围输入范围是ADC可以量化的最小和最大的电压。数据采集卡提供了可选择的输入范围，它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。在本检测系统中对数据采集卡的考虑包括一下几点： 多通道模拟输入； 电压的输入量程； 一定的精度要求； 满足连续采
42、集； 考虑到经费，尽量选择性价比高的。本系统采用的是北京中泰研创科技有限公司自己研发USB7360型数据采集卡。它满足了本系统的要求，而且价格低廉，减少了项目成本。3.3.3 USB7360数据采集卡经过选择比较，系统选用的是北京中泰研创科技有限公司自行研发的USB7360系列数据采集卡。(1) USB7360采集卡的特点USB数据采集卡是各种应用的理想之选，从简单的数据记录到嵌入式OEM系统，非常广泛。因此，USB数据采集卡设备从低价位、单功能到高速、16位多功能，应有尽有。因为USB接口的广泛普及，可以在台式机或笔记本计算机上自由开发应用程序而不论最终使用何种平台。USB接口技术在计算机接
43、口领域应该称是划时代的技术。它的出现，让设备接入有了一个统一和规范。让计算机的外围设备可以随时移除，有着良好的移动和迁移性能。所以，数据采集卡、数据采集仪、数据采集模块都容入了USB接口。让使用数据采样时更方便、更具有可移植性。USB7360多功能数据采集卡适用于提供了USB接口的PC系列微机。具有真正的热插拔、即插即用(PnP)功能。其操作系统可选用目前流行的Windows系列、高稳定性的Unix等多种操作系统以及专业数据采集分析系统LabVIEW及LabwindowsCVI等软件环境。在硬件的安装上非常简单，使用时只需将USB7360的USB接口插入计算机内任何一个USB接口插座中，其模入、模出、I/0信号、脉冲输入及脉冲输出信号均由模块上的双排针插头与外部信号源及设备连接。模入部分，用户可根据实际需要选择单端或双端输入方式，其A/D转换启动方式可以选用程控频率触发。A/D转换后的数据结果通过先进先出存储器(FIFO)缓存后由USB总线读出。模出部分，用户可根据控制对象的需要选择不同的量程。开关量部分，本模块有16路数字量输入和16路数字量输出接口，光隔16路输出可配接PS002继电器板。计数部分，本模块有3路16位字长的计数器。(2) 主要