太阳总辐射仪的研制

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。
图 1 电源及升压电路
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, 图 2 PSP 型传感器的 以此来进行全面的 温度补偿。保 内部结构 留与热敏电阻 RT 相并联 R S, 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. 3 CPU 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 EEP ROM 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。 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。
1 徐君毅 , 张友德 , 俞宝洪等 . 单片计算机原 理与应用 . 上海科 学技术出版社 , 1988; 4 2 孙涵 芳 . 最 佳 非 等 距 线 性 插 值 基 点 选 取 法 1984; ( 3) 航 空 学 报, ( 收稿日期 : 1998 06 12)
( 上接第 39 页) DCB 07H, 06H, 05H, 03H, 03H, 03H, 03H, 02H DCB 02H, 01H, 07H, 07H, 07H, 06H, 06H, 04H DCB 02H, 02H, 02H, 02H, 01H, 01H, 01H, 07H DCB 07H, 07H, 06H, 05H, 04H, 01H, 01H, 01H DCB 01H, 00H, 00H, 00H, 07H, 07H, 07H, 06H DCB 04H, 03H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H DCB 00H
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 期稳定性时, 就可保证较高的总辐射观测精度。 参考文献 3
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结论 模糊控制气动伺服系统使用后获得了令人满意的效 果。
电子技术应用 1999 年第 1 期
四通电脑应用
美国德州工控机 62577230
62577231
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电话: ( 029) 2234544/ 2225544
电子技术应用 1999 年第 1 期
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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。
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笔者认为模糊控制对于未知模型的系统具有很大的 实用价值, 对于其它类型的系统也有参考作用, 具体到每 个特定的系统可以通过模糊推理和总结经验修改查询表 参数, 但此种方法具有普遍适用性。 参考文献
1 王培庄 , 李振兴 出版社 , 1996 王磊 , 王为民 社 , 1997 刘复华 8098 单片机及其应用系统设计 版社 , 1992 ( 收稿日期 : 1998 07 30) 北京 : 清华大学出 模糊控制理论及应用 北京 : 国防 工业出版 模糊系统理论与模糊计 算机 北京 : 科学
通信与电视
太阳总辐射仪的研制
南京气象学院计算机与信息工程系( 210044) 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
图3 信号处理器与外围电路
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。
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 I2 C 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。
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。 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。 42 西安科兴工控 承接测控工程
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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。