基于單片機的光伏檢測設計

金 磊，吳紅梅，謝華北，張正超

（西藏農牧學院 西藏土木水利電力工程技術研究中心重點實驗室，西藏 林芝 860000）

近幾年，全世界的分布式發電產業發展越來越快，其中太陽能發電成為清潔能源發電的一個熱門；由于太陽能發電不僅環保，而且屬于可再生能源，能有效緩解能源危機問題，同時安裝不受地理位置限制，規模大小可隨意調整，像西藏、新疆等地有著天然的地理位置對光伏發電提供很好的建立條件，可以建立很多示范工程，太陽能發電給人們的生活帶來各種各樣的便捷，有很好的經濟效益，既可以獨立地對某一地區的人們進行生活供電，也可以并入電網把多余電能提供給大電網產生經濟效益，提高電能質量；新能源的利用，有效減少碳排放量，減小溫室效應,為各個國家帶來長足的發展[1]。尤其是太陽能發電產業大大減少我國火力發電對煤炭的使用，進而使得環境能得到有效改善，減少對環境的污染。此外，隨著各國對不可再生能源的需求量變得越來越大，人類必須要開發一些如太陽能和風能等新能源，我國要加大力度研究新能源發電技術，其中光伏發電有很大的應用前景，很多專家指出太陽能發電技術成為現今社會極其重要的新能源發電技術[2]。研究人員要把握住機遇大力發展太陽能產業。

我國光伏發電技術發展十分迅速，要加大力度對光伏電池板進行研究和對電池板發電效率的關注，特別是發電參數檢測研究方面[3]。光伏發電是太陽能利用的主要形式之一，光伏電池板的生產是光伏產業的重要一環，所以需要對光伏電池板的維護[4]。由于我國微電網技術的發展需求，一個完整的分布式發電系統，尤其是光伏發電系統需要微電網技術保證光伏系統穩定運行，輸出合格的電能，微電網技術中的監測技術是整個微網系統的重要一環，監測技術能及時地把分布式電源的信息如輸出電壓、電流等信息上傳到網絡，使得工作人員及時得到反饋的信息對電源進行維護修理，微電網監測技術同時涉及通信技術和光伏檢測技術，本文著重研究監測技術中針對太陽能電池板發電輸出的電壓電流信號的檢測。同時微電網發電系統尤其是光伏作為分布式電源，其存在各種各樣的問題，發電具有隨機性和波動性，輸出電能效率不高，也更加無法實現實時檢測，出現問題無法及時修理，因此必須發展檢測技術應對光伏發電技術的這些缺點[5-6]。

1 單片機

隨著科技的發展，人們的生活越來越趨向于智能化，工業生產能力也更加依賴于智能化，其中人工智能領域、航空航天領域、電器生產方面和電力工業等都非常需要應用自動控制技術。而單片機技術就是應用非常廣泛的自動控制技術之一，單片機如圖1所示。

圖1 單片機

日常生活中，智能屏幕的人臉識別功能中含有單片機技術，土壤的溫濕度檢測、光伏的自動追光裝置和光伏輸出電壓的檢測中都應用了單片機，其可以連接各種各樣的硬件，使得各個功能能夠很好地配合運行。單片機內部可編程，涉及到利用語言實現人機交互，例如光伏物聯網檢測系統，通過編程語言實現對模擬信號的計算與處理，然后通過通信技術將所檢測到的數據傳輸到遠程電腦當中實現人工遠程操作即人機交互的實現；語音識別煙霧分別是通過語音傳輸和煙霧傳感器（圖2）傳輸到單片機中，利用所編程語言對信號進行分析處理，最終會得到機器人的語音識別顯示文字和煙霧識別警示如圖3所示。以往的計算機過于龐大導致應用成本大，并且設計不方便，而單片機作為單片微型計算機，具有設計硬件電路方便、消耗電能小、反應迅速等許多優點。單片機是一個芯片的集成，其芯片內部集成了CPU、ROM和A/D轉換等應用模塊，而STC12C5A60S2是一種穩定的單片機種類，價格便宜且能對數據很好地分析處理，較好地接受電流電壓信號并對信號處理輸出準確的信號值[7]。

圖2 煙霧傳感器

圖3 單片機的煙霧警報應用

該設計所使用的STC12C5A60S2系列單片機是由STC公司生產的增強型8051單片機，速度比普通的8051快6～12倍，具有低功耗，性能穩定，響應速度快，程序存儲空間大等優點[8]。這使得整個光伏檢測系統的性能有很大提升，得出的數據會變得更為準確。

2 顯示模塊

USART-HMI顯示模塊可自行發光，即使逆光也不受影響，屏幕文字和數字信號顯示清晰，亮度適宜，處理信號及接受信號能力強，能清晰地顯示電壓和電流文字及其數值，散熱能力強，攜帶方便，有較好的應用效果[9]。同時此屏幕的接受信號能力很強，存儲空間大，反應靈敏迅速，本設計主要顯示的是光伏板輸出電壓電流信號和蓄電池輸出電壓電流信號，W代表功率單位，A代表電流單位，U代表電壓單位，在屏幕上一目了然。

在USART-HMI上可以觀察到電壓電流數據會不斷地實時更新，方便使用者能夠清晰觀察到光伏電路輸出的電流數據變化[10]，如圖4所示。

圖4 顯示模塊

3 軟件開發

軟件開發采用Keil軟件C語言編寫程序代碼，使用Keil軟件完成源程序代碼的調試及編譯，主要含主程序、電壓電流檢測子程序及顯示子程序等，首先對各個端口和顯示屏進行初始化，從光伏電池板輸出的電壓電流信號和蓄電池輸出端的電壓電流信號通過單片機的輸入接口進入內部所設置的軟件程序，把電信號轉換成數字信號并且計算出輸出的電流電壓值，通過輸出接口在顯示屏中就可以很方便地觀察所需數據[11-13]。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

部分程序如下：

4 檢測電路設計

太陽能發電量和發電效率很大程度取決于光照強度，但是光照強度由于陰雨天氣、溫度等因素的影響，光伏電池板的輸出電能質量會受到一定程度的影響。當需要對光伏電池板輸出電能質量進行查驗，減少攜帶檢測裝置的麻煩，能更加方便檢測發電設備的運行狀況，設計一套檢測系統來進行實時檢測。本系統應用包括硬件和軟件2部分[14]。通過使用100 W的光伏電池板作為被檢測電源，蓄電池容量20 Ah為硬件電路提供電能，測試負載使用電機來進行測試。檢測系統運行原理如下。

首先利用光伏電池板將光能轉換為電能為整個系統供電，鉛酸蓄電池作為整個光伏系統的儲能器件給其他檢測模塊供電，負載使用有刷電機消耗電能形成完整回路。

其次使用STC12C5A60S2單片機作為控制電路的核心，對所接受的信號進行處理，還配備開關按鍵復位電路。其中電壓采集信號通過霍爾電流傳感器，然后流經采樣電阻轉換成電壓信號傳輸進入單片機進行信號處理把模擬信號準換成數字信號。

最終通過輸出端接口將光伏電池板檢測出的電壓和電流信號輸入顯示屏當中，可以觀測到顯示屏中光伏輸出電壓13.5 V，電池電壓13.4 V。光伏檢測系設計流程如圖6所示，硬件實物如圖7所示。

圖6 光伏檢測設計

圖7 硬件實物設計

5 結束語

本系統采用STC12C5A60S2單片機作為控制芯片，同時在單片機內部設計A/D轉換模塊用以檢測電流電壓信號，比較以往在單片機外部所用的A/D模塊更為方便，反應更加靈敏迅速，優化了硬件電路設計。選擇Keil軟件進行編程含有電壓電流檢測程序和顯示程序，顯示程序最終把所檢測的電壓電流數據進行采集，并輸送到顯示屏中。最終設計并搭建出硬件設施對光伏電池的電壓電流進行檢測，具有一定的實用價值。與此同時，通過把光伏檢測技術與互聯網技術相結合，把通信技術與硬件單片機技術結合，并應用在電能質量檢測上，可方便人員及時觀測，如若發現問題可以迅速讓有關人員維修，能大大提高用電的可靠性，這是一個研究的熱點。所以光伏檢測技術的研究與設計為未來的能源與網絡互聯打下堅實基礎，具有很大發展潛力與價值。