基于STM32和LabVIEW的光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

周紅標(biāo),劉 艷,殷榮華,丁友威

(淮陰工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安223003)

太陽(yáng)能作為一種非常重要的可再生能源受到廣泛關(guān)注，光伏發(fā)電是目前利用太陽(yáng)能最直接的一種方式[1-2]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心主要有太陽(yáng)能板、控制器和逆變器。對(duì)系統(tǒng)核心部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，不僅能夠確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[3]，而且還可通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析，以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能[4]。

本文以STM32為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置，能自動(dòng)采集光伏系統(tǒng)中光伏板的環(huán)境溫度與光強(qiáng)、控制器側(cè)直流電壓與電流以及逆變器側(cè)交流電壓、電流、相位和頻率等信息。該裝置將數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)RS-232總線(xiàn)送至上位機(jī)。上位機(jī)的LabVIEW虛擬檢測(cè)平臺(tái)集數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等功能于一體，能夠?qū)夥到y(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分硬件采集裝置和上位機(jī)管理平臺(tái)兩部分。硬件采集裝置包括光強(qiáng)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、電壓電流檢測(cè)模塊、STM32核心系統(tǒng)以及液晶顯示模塊等；上位機(jī)管理平臺(tái)采用虛擬儀器軟件LabVIEW來(lái)設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、輔助模塊等。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 直流側(cè)電壓、電流測(cè)量

由于直流側(cè)電壓電流較小，因此采用采樣電阻結(jié)合運(yùn)算放大器的方法監(jiān)測(cè)其電流。為盡量減小溫漂，采樣電阻選擇精度較高的康銅電阻。利用兩級(jí)差分比例運(yùn)放并加以電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，使其對(duì)被測(cè)電路的影響降到最低。電流的測(cè)量直接采用電阻分壓法。

2.2 交流側(cè)電壓的幅度、相位測(cè)量

AD8302集幅度與相位的測(cè)量功能于一身，能夠簡(jiǎn)化幅相檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的性能?；贏D8302的測(cè)量電路如圖2所示。AD8302的管腳VMAG和VPHS直接與芯片反饋設(shè)置輸入管腳MSET和PSET相連，其測(cè)量模式工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上(精確幅度測(cè)量比例系數(shù)為30 mV/dB，精確相位測(cè)量比例系數(shù)為 10 mV/°)。

在低頻條件下,對(duì)幅度和相位進(jìn)行測(cè)量的方程式如下：

在幅度測(cè)量方程中,RFLSLP代表的斜率為600 mV/°或30 mV/dB,在中心點(diǎn)900 mV處,其增益為0 dB,-30 dB～30 dB的增益范圍對(duì)應(yīng)于0 V～1.8 V的輸出電壓范圍；而在相位測(cè)量方程中，RFIΦ代表的斜率為 10 mV/°,中心點(diǎn) 900 mV所對(duì)應(yīng)的相位為 90°,0°～180°的相位范圍對(duì)應(yīng)于1.8 V～0 V的輸出電壓范圍。

2.3 光伏板光強(qiáng)、溫度測(cè)量

光伏板的能量輸出及光強(qiáng)與環(huán)境溫度密切相關(guān)，因而對(duì)光伏系統(tǒng)做精準(zhǔn)的評(píng)估時(shí)必須精確、可靠地監(jiān)測(cè)光強(qiáng)、環(huán)境溫度以及組件溫度。光強(qiáng)模塊采用BH1750FVI數(shù)字型光強(qiáng)傳感器集成電路，其接近視覺(jué)靈敏度的光譜靈敏度與高分辨率可以檢測(cè)較大范圍的光強(qiáng)變化，同時(shí)內(nèi)部集成有A/D可直接輸出對(duì)應(yīng)強(qiáng)度數(shù)字值；溫度模塊選用DS18B20溫度傳感器，其適應(yīng)電壓范圍寬，擁有獨(dú)特的單線(xiàn)接口方式，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫，溫度分辨率可達(dá)到 0.062 5℃，可在幾十毫秒內(nèi)完成溫度信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換并將其以 “一線(xiàn)總線(xiàn)”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送 CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

2.4 STM32核心系統(tǒng)

STM32系列是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用其中性能較高的增強(qiáng)型STM32F103VET6作為核心器件，時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，具有一流的外設(shè)和優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能，利用其內(nèi)部豐富的功能模塊，無(wú)需外擴(kuò)芯片即可對(duì)各模塊采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并可采用JTAG仿真器進(jìn)行調(diào)試。

2.5 RS-232通訊模塊

由于本系統(tǒng)只需要完成短距離內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送，故選用了RS-232通信芯片MAX232，具體電路如圖3所示。C1～C4及其對(duì)應(yīng)引腳構(gòu)成電荷泵電路,產(chǎn)生12 V和-12 V電源滿(mǎn)足RS-232串口電平的需要。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式軟件

本系統(tǒng)采用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為經(jīng)典的Keil4。應(yīng)用程序包括主程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、串行通信程序、彩屏顯示程序4個(gè)主要部分。

主程序主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口、彩屏顯示、嵌套中斷的配置以及定時(shí)器、ADC和串行通信模塊的初始化。數(shù)據(jù)采集及處理程序中，由于STM32擁有著豐富的片上外設(shè)，STM32F103VET6內(nèi)部集成有兩個(gè)A/D，共 16個(gè)采樣通道，轉(zhuǎn)換速度達(dá)到 1 μs，所以設(shè)計(jì)采用了STM32自帶的A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。A/D采樣完成后會(huì)促發(fā)中斷，進(jìn)而進(jìn)入A/D中斷服務(wù)程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。串行通信程序則是通過(guò)RS-232總線(xiàn)將處理好的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。顯示模塊放棄了使用較普遍的12864液晶，而采用了基于ILI9341控制的彩屏，采用SPI接口與STM32進(jìn)行通信。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

3.2 上位機(jī)軟件

虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW與硬件緊密結(jié)合，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能。作為基于數(shù)據(jù)流的圖形化編程語(yǔ)言，對(duì)數(shù)據(jù)的操作和計(jì)算簡(jiǎn)單高效，并且提供了豐富的圖表顯示功能[5]，可將經(jīng)過(guò)STM32集中處理后的光伏系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并繪制成歷史曲線(xiàn)直觀顯示，還可以利用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行網(wǎng)上發(fā)布，客戶(hù)端可以通過(guò)瀏覽器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與維護(hù)。

圖4 主程序流程圖

本文將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中，借助于LabVIEW強(qiáng)大的軟件支持構(gòu)建了一個(gè)完整的光伏監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便地對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電特性及周?chē)h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。選擇適合該系統(tǒng)的各監(jiān)測(cè)器件并結(jié)合STM32與 LabVIEW，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，而且具有成本低、使用方便的特點(diǎn)，是一套通用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]張鉦浩,陳虹,靳召東.基于光伏電站數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)儀表的設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2009,46(12)：48-51.

[2]張旭,亓學(xué)廣,李世光,等.基于 STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2010,33(11)：90-93.

[3]朱士虎,王立巍.基于STC12C5408AD光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè) 計(jì)[J].電 測(cè) 與 儀 表,2010,47(3)：20-23.

[4]吳蓉,李真真.太陽(yáng)能光伏電池測(cè)試系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2010(3)：156-157.

[5]謝標(biāo)楷,沈輝,陳鳴.基于LabVIEW 的光伏運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2010,31(8)：994-998.