基于觸摸屏的光伏系統(tǒng)顯控裝置設(shè)計(jì)

郭 棟，戴永軍，馬尚行

（1.浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310018；2.浙江嘉科新能源科技有限公司 浙江 嘉興314000）

基于觸摸屏的光伏系統(tǒng)顯控裝置設(shè)計(jì)

郭 棟1，戴永軍2，馬尚行2

（1.浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310018；2.浙江嘉科新能源科技有限公司 浙江 嘉興314000）

文中闡述了觸摸屏在光伏逆變器中的應(yīng)用，以STM32為主控芯片，結(jié)合DWIN工業(yè)串口觸摸屏，設(shè)計(jì)了針對(duì)光伏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示及控制裝置。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)控制，顯示光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)。實(shí)踐結(jié)果表明，該裝置顯示直觀，通信穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確并且操作簡(jiǎn)單，有較好的實(shí)用價(jià)值。

觸摸屏；光伏系統(tǒng)；顯控裝置；STM32

本世紀(jì)初，隨著能源危機(jī)加劇和環(huán)境污染問題日益突出，人類社會(huì)對(duì)太陽(yáng)能利用的需求越來(lái)越迫切，所以光伏系統(tǒng)必將迎來(lái)大發(fā)展。現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)大多采用獨(dú)立控制柜或者電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和控制，直接導(dǎo)致了光伏系統(tǒng)的人機(jī)界面控制復(fù)雜，成本過高[1]。為此，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了基于觸摸屏的光伏系統(tǒng)顯控裝置，實(shí)現(xiàn)了良好的光伏系統(tǒng)人機(jī)交互。

1　光伏系統(tǒng)顯控裝置設(shè)計(jì)

1.1交互對(duì)象介紹

與電力網(wǎng)相連接的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)稱為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠在陽(yáng)光充足時(shí)發(fā)出的電除了自用還向電網(wǎng)輸出，在自發(fā)電（含蓄電池或者超級(jí)電容存儲(chǔ)的電能）不夠用時(shí)再?gòu)碾娋W(wǎng)引入電補(bǔ)充使用[2]。

逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的變流裝置。光伏逆變器就是應(yīng)用在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器，是光伏系統(tǒng)中的一個(gè)核心部件。光伏系統(tǒng)的大部分運(yùn)行參數(shù)都可以從逆變器中獲得，比如：直流工作電壓、充電電流、太陽(yáng)能方陣輸入路數(shù)，逆變交流電壓、電流、輸出功率、發(fā)電量、故障信息和保護(hù)狀態(tài)。運(yùn)行過程中的光伏電池和電網(wǎng)供電的狀態(tài)切換控制可以由逆變器接受控制命令來(lái)實(shí)施，太陽(yáng)能電池和蓄電池的充放電控制也可通過逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以設(shè)計(jì)友好的顯示界面，并與光伏逆變器進(jìn)行人機(jī)交互，可以方便的監(jiān)控和記錄整個(gè)光伏系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。不但讓操作者更簡(jiǎn)單、更正確、更迅速的操作整個(gè)系統(tǒng)，而且使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

1.2觸摸屏用作顯示控制的優(yōu)勢(shì)

光伏逆變器的顯控裝置實(shí)現(xiàn)人和光伏發(fā)電系統(tǒng)信息交互，完成對(duì)光伏逆變器的工作參數(shù)采集、數(shù)據(jù)顯示和控制命令的輸入。在顯示和控制操作方面，觸摸屏對(duì)比傳統(tǒng)的液晶屏加按鍵組成的交互界面有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，它不但可以通過軟件顯示一般的信號(hào)燈，可以靈活的設(shè)置操作按鈕和轉(zhuǎn)換開關(guān)，而且能夠?qū)崟r(shí)刷新動(dòng)態(tài)圖表數(shù)據(jù)[3-4]。本裝置采用DWIN公司的K600系列觸摸屏，為65K色高品質(zhì)9.7寸屏，用戶變量存儲(chǔ)達(dá)56K，方便用戶使用。此觸摸屏為工業(yè)串口指令屏，用戶只需要通過串口與觸摸屏進(jìn)行通信，給終端發(fā)送相關(guān)的操作指令，即可實(shí)現(xiàn)與windows相媲美的人機(jī)界面。觸摸屏強(qiáng)大功能和優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于環(huán)境條件惡劣的光伏系統(tǒng)中。

1.3主控芯片選擇

本裝置對(duì)主控芯片要求有以下3點(diǎn)：

1）至少包含兩個(gè)UART，一個(gè)與觸摸屏進(jìn)行通信，一個(gè)與光伏系統(tǒng)中逆變器進(jìn)行通信。

2）帶有的I2C總線和SPI總線，通過這兩類總線與各種現(xiàn)場(chǎng)傳感器通信，采集電量狀態(tài)，以及光伏系統(tǒng)環(huán)境信息。

3）對(duì)運(yùn)行速度和穩(wěn)定性有較高要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送和接收，保證對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制，并且及時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)。

綜上，本課采用基于Contex-M3架構(gòu)的STM32F103ZET6作為主控芯片，芯片資源完全滿足裝置設(shè)計(jì)需要，性價(jià)比高，并且實(shí)時(shí)性能出色，穩(wěn)定性好，易于開發(fā)。

2　總體硬件設(shè)計(jì)

硬件以觸摸屏作為交互界面核心，由ST公司的STM32F103ZET6芯片及其外圍電路組成主控板，硬件設(shè)計(jì)包括RS232總線接口電路、I2C接口和SPI接口以及電能計(jì)量模塊等。

2.1STM32硬件設(shè)計(jì)

溫濕度采集采用DHT11采集模塊，光強(qiáng)度信息采集采用BH17501FVI光照傳感器模塊，這兩種模塊均采用帶I2C接口的數(shù)字傳感器，可以準(zhǔn)確的輸出光伏系統(tǒng)周圍環(huán)境信息。

STM32F103ZET6芯片帶有 5個(gè) UART口，可以采用UART1與光伏逆變器通信，獲取逆變器運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。采用UART0與液晶屏進(jìn)行顯示和觸控的數(shù)據(jù)交互，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至觸摸屏，接受操作者通過觸控屏發(fā)出的控制命令[5-8]。stm32硬件與外設(shè)組成框圖如圖1所示。

圖1　stm32主控與外設(shè)硬件連接框圖

2.2ATT7026A硬件設(shè)計(jì)

ATT7026A是一顆電能計(jì)量專用該芯片，集成了6路二階delta-sigma的ADC，以及參考電壓電路、功率因數(shù)和頻率測(cè)量等電路。芯片內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理器，可以采集各類電量信息，包括電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率等。ATT7026A提供了一個(gè)SPI接口，方便與stm32主控板進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的傳遞。電能計(jì)量模塊電路圖如圖2所示。

圖2　電能計(jì)量模塊ATT7026A電路設(shè)計(jì)

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1STM32程序設(shè)計(jì)

顯控裝置的核心功能主要通過采集控制板上處理器STM32F103ZET6來(lái)實(shí)現(xiàn)，主程序中，主要完成3類通信接口UART、SPI和I2C的通信狀態(tài)處理。主程序流程如圖3所示。

圖3　顯控裝置主程序流程圖

由程序流程圖可以看出，stm32串口程序處理中主要處理四種串口的命令或者數(shù)據(jù)。UART0處理觸摸屏顯示數(shù)據(jù)發(fā)送、觸控命令接收；UART1負(fù)責(zé)逆變器工作狀態(tài)控制、接收逆變器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)[9-11]。這4種串口程序處理通過相關(guān)子程序?qū)崿F(xiàn)，如電流顯示子程序如下：

其中unsigned char data為采集到的電流值。

采集信息封裝在while循環(huán)中，采集電量、溫濕度、光強(qiáng)度信息。

判斷任務(wù)是液晶觸摸信號(hào)，控制信號(hào)、環(huán)境信息或者是逆變器數(shù)據(jù)刷新時(shí)間到達(dá)。信息類型通過處理器進(jìn)行協(xié)議解析，再完成任務(wù)處理。任務(wù)判斷部分涉及到兩個(gè)UART的數(shù)據(jù)接受和發(fā)送的控制，一般有兩種處理方式：查詢和中斷。使用查詢方式傳輸會(huì)使占用CPU時(shí)間相對(duì)較多，因此采用中斷響應(yīng)的方式。STM32內(nèi)部自帶中斷向量配置模塊，可以方便的設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)。在中斷配置上，使UART1處于高優(yōu)先級(jí)，方便及時(shí)控制逆變器[12]。控制板處理器底層使用ST公司的固件庫(kù)，提高了開發(fā)效率。

3.2基于迪文觸控界面制作軟件設(shè)計(jì)成人機(jī)界面

人機(jī)界面主要包括交互控制、實(shí)時(shí)顯示和歷史信息3部分組成。其中主界面可以調(diào)用各個(gè)子界面。

3.2.1交互控制子界面

本界面包括以下兩方面內(nèi)容：

1）系統(tǒng)啟動(dòng)和停止運(yùn)行控制，太陽(yáng)能電池板和蓄電池的充放電優(yōu)先級(jí)控制，工作模式切換等功能性設(shè)置[13]。

2）設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：最大輸出功率，實(shí)時(shí)時(shí)間，系統(tǒng)的通信地址以及通信波特率。

3.2.2實(shí)時(shí)顯示子界面

實(shí)時(shí)顯示子界面以數(shù)字和圖表方式直觀顯示各類運(yùn)行參數(shù)和狀況。顯示信息主要有：太陽(yáng)能電池陣列和蓄電池的直流電壓、電流，周圍環(huán)境溫度和光線強(qiáng)度，光伏逆變器的輸出電壓、電流等[14-19]。運(yùn)行狀態(tài)信息主要有：開關(guān)機(jī)狀態(tài)、工作模式狀態(tài)、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)換效率、實(shí)時(shí)時(shí)間、過壓和欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)、出錯(cuò)狀態(tài)等。

3.2.3歷史信息子界面

歷史信息子界面保存了系統(tǒng)的歷史信息主要包括：

1）故障信類型、發(fā)生故障的時(shí)間和故障次數(shù)。2）報(bào)警類型、報(bào)警時(shí)間和報(bào)警次數(shù)。3）單日發(fā)電量、總發(fā)電量和運(yùn)行時(shí)間。方便用戶的統(tǒng)計(jì)和了解光伏系統(tǒng)的性能和狀態(tài)[16]。組成框圖如圖4所示。

圖4　人機(jī)界面總體功能結(jié)構(gòu)框

4　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

搭建光伏系統(tǒng)，并對(duì)顯控裝置終端進(jìn)行性能測(cè)試。包括功能性測(cè)試，控制響應(yīng)時(shí)間，數(shù)據(jù)誤差，數(shù)據(jù)刷新頻率，界面切換流暢性等。運(yùn)行界面如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置能夠達(dá)到預(yù)期效果，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5　光伏顯控裝置交互界面

5　結(jié)束語(yǔ)

基于觸摸屏的光伏系統(tǒng)顯控裝置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明、成本低、人機(jī)交互直觀，方便。不但可以顯示電壓、電流等光伏組件運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)控制光伏逆變器工作狀態(tài)，而且能夠顯示環(huán)境溫濕度，光強(qiáng)度等信息，優(yōu)化光伏系統(tǒng)的運(yùn)行。本裝置可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)的普及，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]阮濱，于蒙.一種基于DSP的逆變控制器電路設(shè)計(jì)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2016（2）:28-29.

[2]壽挺，張思建.小型并網(wǎng)光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].中國(guó)電力，2012（9）：60-63.

[3]呂明，呂延.觸摸屏的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及市場(chǎng)前景[J].機(jī)床電器，2012（3）：4-7.

[4]梁明亮，張惠敏，徐冰.基于ARM微處理器的液晶觸摸屏的接口設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（3）：691-693.

[5]楊艷，張志陽(yáng).基于STM32_CC2530的光伏逆變器遠(yuǎn)程監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014（11）：95-96.

[6]張從鵬，趙康康.基于STM32的串口服務(wù)器系統(tǒng)開發(fā)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016（1）：73-75.

[7]郭勇，何軍.STM32單片機(jī)多串口通信仿真測(cè)試技術(shù)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（7）：72-75.

[8]湯澤坤，唐培和，徐奕奕.基于Stm32的光伏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（4）：54-59.

[9]肖漢生，張健，劉惺惺，等.分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方式的比較[J].農(nóng)村電氣化，2015（11）：52-53.

[10]梁新田，徐志華.基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代建筑電氣，2015（4）：15-18.

[11]張明濤，杜威達(dá)，謝東周，等.基于嵌入式平臺(tái)的分布式光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2015（3）：3-6.

[12]耿衛(wèi)東，王立萍，王俊，等.光伏發(fā)電控制器的液晶顯示設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示，2012（6）：780-784.

[13]王艷春，徐麗偉，惠鵬飛.光伏電站遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（8）：132-135.

[14]夏帥，國(guó)芳.模擬光伏并網(wǎng)逆變器的人機(jī)界面設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012（11）：1526-1528.

[15]余峰，張志華，張鵬，等.光伏并網(wǎng)逆變器人機(jī)界面設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2011（8）：60-62.

[16]林芳，洪忠河，徐銀霰.小功率光伏系統(tǒng)參數(shù)處理與人機(jī)界面設(shè)計(jì)[J].農(nóng)村電氣化，2015（10）：51-53.

[17]楊店飛,郭宇杰,沈桂鵬.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏組件故障類型診斷[J].陜西電力,2016(2):15-21.

[18]秦曉波.基于兩種直流側(cè)卸荷電路的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRT對(duì)比分析[J].陜西電力,2016(7):20-24.

[19]秦天像,楊天虎,任小勇.基于DSP控制的光伏發(fā)電逆變并網(wǎng)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016(4):125-128.

Design of display and control device for photovoltaic system based on touch screen

GUO Dong1，DAI Yong-jun2，MA Shang-xing2
（1.Zhejiang University of Water Resources and Electric and Power，Hangzhou 310018，China；2.Zhejiang Jia KeAmperex Technology Limited，Jiaxing 314000，China）

This paper describes the application of touch screen in photovoltaic inverter.STM32 as the main chip，combined with DWIN industrial serial touch screen，designed for photovoltaic system data display and control device.The design is simple and reliable，and it can control the working state of PV system，and display the running state and the related parameters of the photovoltaic system.The practical results show that the device has the advantages of direct visualization，stable and reliable communication，accurate data and simple operation，and has good practical value.

touch screen；photovoltaic system；display and control device；stm32

TN99

A

1674－6236（2016）22-0064-03

2016-04-08稿件編號(hào)：201604080

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2014AA052005）

郭 棟（1987—），男，山東濰坊人，碩士研究生。研究方向：電力電子技術(shù)及自動(dòng)控制。