關(guān)鍵詞：STM32 單片機(jī)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TP277；TH741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著科技的發(fā)展，能源需求不斷增加，各國(guó)面臨著共同的能源挑戰(zhàn)，需要采取積極策略解決能源問(wèn)題。光伏發(fā)電是一種零排放、可持續(xù)的可再生能源形式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和、改善環(huán)境具有極其重要的意義[1-3]。

光伏電站需要對(duì)光伏發(fā)電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量，包括電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)[4-6]。葉琴瑜[7]研發(fā)了基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和云服務(wù)的光伏并網(wǎng)發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)。嚴(yán)莉莉等[8] 設(shè)計(jì)了基于LabVIEW軟件和無(wú)線通信技術(shù)的光伏電池組件參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、波形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。劉代勇等[9] 以太陽(yáng)輻射傳感器作為太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度監(jiān)測(cè)傳感器，以遙測(cè)終端機(jī)作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的核心，以通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（generalpacket radio service，GPRS）作為數(shù)據(jù)傳輸方式，設(shè)計(jì)了一套光伏電站太陽(yáng)能資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文基于STM32 單片機(jī)與LabVIEW 開(kāi)發(fā)了光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)夥姵匕宓墓ぷ麟妷骸㈦娏?、光照?qiáng)度、環(huán)境溫濕度、大氣壓強(qiáng)、火災(zāi)信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)串口模塊與上位機(jī)LabVIEW 進(jìn)行軟件通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文介紹的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常應(yīng)用于光伏電站，安裝位置在光伏電池板下方。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是全面監(jiān)測(cè)光伏電池板發(fā)電時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)，包括電壓、電流、熱斑、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫濕度以及大氣壓強(qiáng)，并實(shí)現(xiàn)火焰報(bào)警和上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下。

（1）電壓、電流檢測(cè)：確保光伏電池板的電壓、電流穩(wěn)定，從而保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和高效發(fā)電。

（2）熱斑檢測(cè)：采用分布式多機(jī)位方案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和防范可能引發(fā)火災(zāi)的熱斑問(wèn)題，保障設(shè)備和人員安全。

（3）光照強(qiáng)度檢測(cè)：利用成本較低的模塊替代太陽(yáng)輻射度測(cè)量?jī)x器，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)輻射度的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

（4）環(huán)境溫濕度檢測(cè)：監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度和濕度變化，確保光伏轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定，保障設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

（5）大氣壓強(qiáng)檢測(cè)：監(jiān)測(cè)光伏電池板周圍環(huán)境大氣壓強(qiáng)的變化，為系統(tǒng)運(yùn)行提供參考。

（6）火焰檢測(cè)：對(duì)光伏電池板周圍環(huán)境進(jìn)行火焰檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)火情，系統(tǒng)能及時(shí)報(bào)警并采取相應(yīng)措施。

（7）上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控：通過(guò)與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)所有檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，為運(yùn)維人員提供及時(shí)有效的數(shù)據(jù)支持。

該系統(tǒng)的測(cè)量模塊包括霍爾電流傳感器模塊、溫度檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊、火焰檢測(cè)模塊。STM32 芯片負(fù)責(zé)接收處理數(shù)據(jù)并控制報(bào)警模塊，然后將數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存取等操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU 主電路設(shè)計(jì)

STM32 芯片工作電壓為2 ～ 3.6 V，48 個(gè)引腳中有37 個(gè)為通用輸入/ 輸出（general-purpose input/output，GPIO）口。配備兩個(gè)12 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）、7 個(gè)定時(shí)器、多個(gè)通信接口。主電路原理如圖1 所示。

電源電路主要由供電電路和穩(wěn)壓電路組成。供電電路使用USB 接口供電、5 V 電源輸出；穩(wěn)壓電路使用一款固定輸出的高性能線性穩(wěn)壓器芯片，具有超高的電源抑制比和極低的壓差。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

光伏電池板通過(guò)端口接入， 經(jīng)R4、R14 分壓至微控制單元（microcontroller unit，MCU）的ADC 口測(cè)量電壓； 另一路接入ACS712 的IP+，IP- 接JP2 的負(fù)載， 測(cè)量電流（VO） 為0 A 時(shí)，VO=VCC/2，VO 偏移量為180 mV/A，量程為5 A；被測(cè)電流經(jīng)過(guò)電阻分壓接入MCU 的PA1 接口進(jìn)行公式換算即可得出被測(cè)電流數(shù)值。熱斑檢測(cè)電路有3 個(gè)DS18B20 傳感器，分別接入MCU 并測(cè)量溫度，反饋光伏電池板熱斑狀態(tài)。光照強(qiáng)度檢測(cè)電路通過(guò)穩(wěn)壓和電平轉(zhuǎn)換后，采用集成電路總線（interintegratedcircuit，IIC） 協(xié)議與MCU 通信， 其中SCL 接PC14，SDA 接PC15。

2.3 溫濕度、大氣壓強(qiáng)和火焰檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)輸出口DATA 在接入4.7 kΩ 上拉電阻后與MCU 的PA4 口連接進(jìn)行串行通信。濕度和溫度數(shù)據(jù)均使用8 位整數(shù)和8 位小數(shù)的數(shù)據(jù)格式，再加上8 位的校驗(yàn)碼，共計(jì)40 位數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)格式可以保證數(shù)據(jù)的完整性，且高位先出。

大氣壓強(qiáng)檢測(cè)電路由BMP180 芯片、穩(wěn)壓電路與電平轉(zhuǎn)換電路組成，芯片通過(guò)穩(wěn)壓電路和電平轉(zhuǎn)換電路后使用IIC 通信協(xié)議與MCU 進(jìn)行通信，其中SCL 引腳與MCU 的PB6 連接，SDA 引腳與MCU 的PB7 連接，CSB 和SDO 懸空，無(wú)須連接。

火焰檢測(cè)電路主要由紅外發(fā)射管、電壓比較器、滑動(dòng)變阻器等構(gòu)成。紅外發(fā)射管檢測(cè)火焰，電壓比較器負(fù)責(zé)閾值的檢驗(yàn)，當(dāng)光線亮度低于閾值時(shí)，電壓比較器輸出高電平；當(dāng)光線亮度大于閾值時(shí)，電壓比較器輸出低電平。電壓比較器數(shù)字輸出口連接MCU 的PC13?；瑒?dòng)變阻器可以改變火焰檢測(cè)閾值。

2.4 USB 轉(zhuǎn)TLL 串口電路設(shè)計(jì)

USB 轉(zhuǎn)TLL 串口電路主要由CH340G 芯片電路、降壓電路、指示燈電路組成。芯片電路負(fù)責(zé)PC 與MCU 之間的電平轉(zhuǎn)換，芯片電路中的晶振保證了其與MCU 信號(hào)的同步；降壓電路將USB 供電轉(zhuǎn)換為MCU 的工作電壓并帶有電壓保護(hù)電路；指示燈電路包含電源指示燈、數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈、數(shù)據(jù)接收指示燈，用于判斷模塊的工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)總體可分為下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)兩大部分，下位機(jī)程序采用Keil5進(jìn)行設(shè)計(jì)；上位機(jī)程序使用LabVIEW 實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)控與存取等功能。軟件總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

STM32 程序初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、中斷、延時(shí)等模塊。在進(jìn)入while 循環(huán)后執(zhí)行串口和數(shù)據(jù)采集程序，比較實(shí)際值與用戶設(shè)定的報(bào)警設(shè)定值，超過(guò)設(shè)定值則觸發(fā)故障報(bào)警模塊。系統(tǒng)上位機(jī)程序模塊化，啟動(dòng)時(shí)可選USB 連接，并且設(shè)置波特率。用戶確認(rèn)后，數(shù)據(jù)經(jīng)USB 數(shù)據(jù)接收模塊的處理與校驗(yàn)，傳至分析模塊進(jìn)行算法處理，繪制波形圖并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試和試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)下位機(jī)印刷線路板（printed circuit board，PCB）之前，需要全面了解所使用元器件的尺寸、規(guī)格和面積等信息。在擺放元器件的位置時(shí)，需要合理安排，特別是要考慮到增強(qiáng)電磁兼容性、增強(qiáng)抗干擾能力、減少短接線、降低交叉干擾、優(yōu)化電源和接地路徑等因素，以保證設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。

通過(guò)USB 轉(zhuǎn)TTL 串口模塊連接PCB 與PC，在PC 的上位機(jī)軟件上打開(kāi)光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程，輸入正確用戶名和密碼即可成功登錄。在數(shù)據(jù)顯示界面選擇串口和波特率，點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕，即開(kāi)始數(shù)據(jù)采集等工作。

4.1 電壓電流數(shù)據(jù)采集調(diào)試

將一個(gè)光伏電池板接入板上電壓測(cè)量接口，電機(jī)作為負(fù)載接入電流測(cè)量接口，再分別使用萬(wàn)用表與光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行電壓、電流測(cè)量，一共測(cè)量5 次，每次間隔1 min。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電壓、電流測(cè)量結(jié)果如圖3 所示，電壓、電流測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示，結(jié)果表明系統(tǒng)電壓、電流測(cè)量值的相對(duì)誤差在5% 以內(nèi)。

4.2 光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集調(diào)試

日常生活中， 光線亮度范圍差別較大， 在夏天陽(yáng)光的直射下室外光照強(qiáng)度可以達(dá)到30 000 ～ 100 000 lx， 即使是陰天也可以達(dá)到20 000 lx；而室內(nèi)不開(kāi)燈環(huán)境下的光照強(qiáng)度僅為100 ～ 550 lx。

4.3 環(huán)境溫濕度及大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集調(diào)試

環(huán)境溫濕度及大氣壓強(qiáng)測(cè)量環(huán)境處于室內(nèi)，環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)參考溫濕度計(jì)測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)參考手機(jī)天氣APP 的當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。同時(shí)使用溫濕度計(jì)與光伏發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每隔1 min 測(cè)量1 次相關(guān)數(shù)據(jù)，一共測(cè)量5 次。環(huán)境溫濕度和大氣壓強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4 所示，溫濕度及大氣壓強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如表2 所示。測(cè)量結(jié)果表明系統(tǒng)的溫度與大氣壓強(qiáng)測(cè)量的相對(duì)誤差在1.2% 以內(nèi)，濕度測(cè)量相對(duì)誤差在2.5% 以內(nèi)。

5 結(jié)論

系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)采集光伏發(fā)電系統(tǒng)及環(huán)境參數(shù)，通過(guò)串口上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電電壓電流、熱斑、溫濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓強(qiáng)、火焰報(bào)警等信息的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)選取的參數(shù)測(cè)量相對(duì)誤差在5% 以內(nèi)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行進(jìn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于中小型光伏電站和家用光伏電站的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。該研究為光伏發(fā)電領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)提供了一種有效的方案，對(duì)于推動(dòng)光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有積極意義。