基于Zigbee技术的太阳辐射计的设计

　　0　引言

　　太阳辐射计是用来测量太阳辐射光谱特性的仪器,可用于同时测量不同波长的太阳直接辐射、天空散射辐射、地面反射辐射或太阳总辐射等辐射量。到达地面的太阳辐射是太阳直接辐射和太阳散射的总和,在地表辐射的交换中,它是辐射能量的收入部分。这对地表辐射平衡、地气能量交换,以及各地天气气候的形成都起着决定性作用。

　　目前,国内对太阳辐照度等此类气象数据的传输主要采用有线通信的模式,甚至有些地区仍依靠人工观测来采集数据,其观测时效慢,观测密度小,无法满足未来无接缝预报的需要。此外,无论是国内还是国外生产的太阳辐射计,都存在价格高,功耗较高的问题。该设计是将Zigbee无线通信技术以及一款高精度的A/D转换器成功运用在太阳辐射计检测电路中,为太阳辐射计的数据采集网络化传输、低功耗、低成本奠定了基础,从而成功解决上述问题。

　　该设计由太阳辐射传感器、半导体温度传感器、高精度∑-Δ型模数转换器ADS1218以及一个集MCU与无线收发于一体的芯片 JENNIC5121组成。由于硅太阳电池作为太阳辐射传感器的短路电流与辐照度成线性关系,满足了弱日射(十几W /m2)到最大日射(1 353 W /m2)之间有着较好的线性度,这种太阳辐射计可实现对一天中瞬时太阳直接辐射的测量。

　　1　系统的硬件设计

　　1. 1　电源模块

　　设计中需要+5 V和3·3 V电压源对JENNIC5121芯片以及其外围电路进行供电[1],而LM317作为输出电压可变的集成稳压电路,使用方便并且原理简单,其输出电压变化范围在1·25~37 V之间。设计从外端接入12 V的输入电压,根据公式设定R1为720Ω,R2为240Ω.

　　从而得到+5 V的电压,不仅为ADS1218以及AD590提供电压源,还作为产生3·3 V电压的稳压块LM317的输入电压。电源模块硬件原理图如图1所示。

　　1. 2　光电池的结构、原理

　　光电池是一种利用光生伏特效应把光直接转换成电能的半导体器件。采用硅光电池作为太阳辐射传感器具有线形度好,灵敏度高,响应速度快,性价比高的特点。文中选用的硅光电池2CR1133对300~1 100 nm光谱均有较高的灵敏。其光谱响应曲线与地球表面的太阳光谱曲线吻合较好。硅太阳电池的短路电流与辐照度成线性[2]。光电池的短路电流是指外界负载相对于光电池内阻而言是很小的,该设计经过试验,硅光电池的负载电阻选为20Ω.与硅太阳电池短路电流成正比的太阳辐射信号经转换为电压信号后送入模数转换器ADS1218的3号通道内。由于ADS1218自带可编程增益放大器,该设计利用ADS1218的可编程增益放大器,将光电池输出的电压信号放大到 ADS1218的满量程电压范围。