太阳总辐射仪的研制.doc

太阳总辐射仪的研制唐慧强摘要： 介绍了一种采用信号处理器的太阳总辐射仪的设计方法。由于信号处理器对辐射传感器的非线性及温度系数进行了合理的补偿，使仪表取得了较高的精度。采用了低功耗的信号处理器及外围电路，使整个仪器的功耗极低，可用硅光电池供电。关键词： 太阳总辐射仪温度补偿光电池地球对太阳辐射的收支平衡情况是决定全球气温变化趋势的根本原因，尽管由于海洋、极地积雪等的调节作用，使这种变化趋势变得缓和。因此，对全球太阳辐射的观测，并求取全年或多年的辐射平衡情况，不失为预测全球气温变化的一种有效手段。目前气象、气候观测中，对日照时间的观测，仍普遍采用乔唐等日照计，其原理是利用直接太阳辐射在涂有感光剂的日照纸上留下的感光迹线来求算日照时间。由于感光迹线的模糊与不连续，较难累计出准确的日照时间。对太阳总辐射，则利用辐射传感器再加接电流电压表或制成普通数字仪表来测量。由于较难进行温度及非线性补偿，因此测量精度不很理想。本文提出了一种测量直接太阳辐射铅直分量与天空散射(包括天空反射)的总辐射仪，利用内置的信号处理器进行运算、处理，从而可达到较高的辐射测量精度，并通过大于辐射阈值的时间累计来求算日照时间。本仪表采用了低功耗的电路设计，使太阳能电池供电成为现实。1电路的组成及工作原理1.1电源及其变换辐射仪中采用硅光电池及可充电的镍镉电池构成电源。白天辐射较强时，由于硅光电池转换成的电能大于仪表消耗的能量，多余部分对镍镉电池充电。晚上或辐射较弱时，由备用的镍镉电池供电，以保证正常测量操作及正确的时钟走时。硅光电池组由四个2CR型硅光电池组成，总输出电压在2V左右，通过二极管给镍镉电池充电。此电压较低，仍不适合电路工作需要，因此，利用MAX866升压电路，把输出电压提升并稳压至3.3V，以供整个电路工作。具体电路如图1所示。图1电源及升压电路1.2传感器本仪表采用EPPLEY公司的PSP型精密总辐射传感器，此传感器根据Parson黑色涂料吸收辐射产生热效应后的温升值来确定辐射强度，温升值采用热电堆测得。由于热电堆存在温度系数，所以采用热敏电阻来补偿，如图2所示。图2PSP型传感器的内部结构采用这种传统的补偿方法后仍有1左右的温度系数，所以对传感器进行了改动：断开电阻RL。则通过A、B端可测得由于辐射热效应而引起的温差热电势，通过A、D端测得热敏电阻，以此来进行全面的温度补偿。保留与热敏电阻RT相并联RS，可减小阻值变化范围，这样有利于程控电流源的供电及信号处理器对温度的测量。1.3CPU及外围电路变送器中采用了TI公司的TSS400AFN-S1型微功耗传感器信号处理器,它具有四通道12位的A/D转换器、LCD接口、在片RAM、多个输入输出口及连接EEPROM的I2C总线接口,采用功能强大的宏指令进行编程，A/D转换器工作时也只有0.3mA的电流。信号处理器的外围电路连接比较简洁，如图3所示。图3信号处理器与外围电路辐射传感器的热电堆输出较小，在一个太阳常数(1360W/m2)的辐射下，仅输出13mV的电压，最强太阳总辐射时输出电压也在20mV以内。因此，采用由低功耗精密运算放大器MAX495组成的同相放大器，设置80倍增益，把最大信号放大到A/D转换器对应的满量程1.6V，并送信号处理器内A/D转换器的通道A1转换成数字信号。温度补偿用热敏电阻通过信号处理器内可编程恒流源供电，通过编程让恒流源流向A2通道。恒流源的大小可通过外接电阻Rext来调节，其值为0.24SVDD/Rext。选取适当的Rext值，使热敏电阻在最大阻值(与最低温度-40相对应)时的压降，接近A/D转换器的满量程。此压降通过信号处理器的通道A2来测得，并可直接作为补偿的参量而不必转换为实际温度值或RT的阻值。辐射及温度的A/D转换结果存放于内置的RAM中。由宏指令编制的程序则固化于通过I2C总线与信号处理器相连的EEPROM存储器24C04中。7位的液晶显示器可直接与信号处理器相连。这样，由信号处理器对A/D转换值进行处理，以得到实际辐射测量值，并通过液晶显示器显示出来。为方便数据传送，本仪器设计了一个准RS-232接口1，以方便和计算机等具有标准RS-232接口的设备进行通信。2数据处理与编程 除辐射传感器中黑色涂料的辐射吸收率、传感器玻璃罩的透明度与不均匀、热电堆的非线性等引起的误差外，放大电路、A/D转换器等也具有非线性，因此需进行非线性补偿。同时，传感器等具有温度系数，且随温度的不同，非线性也不相同，故还需进行温度补偿。修正的方法是：用一标准的总辐射仪与其进行比较，在5个较均匀分布的温度下分别进行多个辐射校正点的测量，并建立一插值表格，利用二维线性插值方法2同时对温度及非线性误差进行补偿，处理后的结果即可通过显示器显示出来。信号处理器通过编程可形成一时钟，可用来进行日照时间累计、定时测量，并在通信时传送数据的同时传送测量时间。由于信号处理器无内置串行接口，故通过编程利用输出口K2按RS-232格式以一定速率逐位地输出。仪表系统软件由TSS400-S1的宏编程语言(SMPL)进行编程，主要包括初始化、时钟、键识别、通道切换与A/D转换、温度与非线性补偿、日照时间累计、结果显示、通信等程序部分。3结果分析由于本仪表中，采用低功耗元器件及合理的设计，使仪表在3.3V供电时电流小于2mA，即消耗不足4mA的光电池或镍镉电池电流。而一片面积为1cm2的硅光电池在阳光直射时可提供25mA左右的电流，所以利用硅光电池能满足供电需要。对温度系数及非线性误差进行补偿后，达到了较高的精度。水平放置的本仪表及标准仪表，在中午至傍晚六个多小时从强到弱变化的太阳总辐射下进行对比分析，其偏差不大于0.3%，因此只要传感器有足够好的长期稳