基于STM32與LabVIEW的光伏發電數據監測系統設計

關鍵詞：STM32 單片機；光伏發電系統；數據監測；LabVIEW

中圖分類號：TP277；TH741 文獻標識碼：A

0 引言

隨著科技的發展，能源需求不斷增加，各國面臨著共同的能源挑戰，需要采取積極策略解決能源問題。光伏發電是一種零排放、可持續的可再生能源形式，對于實現碳中和、改善環境具有極其重要的意義[1-3]。

光伏電站需要對光伏發電量進行實時監測，分析系統是否正常運行，實時監測電能質量，包括電壓、電流、頻率、功率因數等參數[4-6]。葉琴瑜[7]研發了基于數字信號處理技術和云服務的光伏并網發電監控系統。嚴莉莉等[8] 設計了基于LabVIEW軟件和無線通信技術的光伏電池組件參數監測系統，系統可實現運行參數的實時顯示、波形顯示和數據存儲。劉代勇等[9] 以太陽輻射傳感器作為太陽能輻射強度監測傳感器，以遙測終端機作為監測數據自動采集的核心，以通用分組無線業務（generalpacket radio service，GPRS）作為數據傳輸方式，設計了一套光伏電站太陽能資源監測系統。

本文基于STM32 單片機與LabVIEW 開發了光伏發電數據監測系統。該監測系統能夠對光伏電池板的工作電壓、電流、光照強度、環境溫濕度、大氣壓強、火災信息等數據進行檢測，并通過串口模塊與上位機LabVIEW 進行軟件通信，從而實現對光伏發電數據的實時監控。

1 系統總體方案設計

本文介紹的光伏發電數據監測系統常應用于光伏電站，安裝位置在光伏電池板下方。系統設計目標是全面監測光伏電池板發電時的關鍵參數，包括電壓、電流、熱斑、光照強度、環境溫濕度以及大氣壓強，并實現火焰報警和上位機實時數據監控等功能。

該系統的設計要求如下。

（1）電壓、電流檢測：確保光伏電池板的電壓、電流穩定，從而保證系統的可靠運行和高效發電。

（2）熱斑檢測：采用分布式多機位方案，及時發現和防范可能引發火災的熱斑問題，保障設備和人員安全。

（3）光照強度檢測：利用成本較低的模塊替代太陽輻射度測量儀器，實現對太陽輻射度的準確監測。

（4）環境溫濕度檢測：監測環境的溫度和濕度變化，確保光伏轉換效率的穩定，保障設備長期可靠運行。

（5）大氣壓強檢測：監測光伏電池板周圍環境大氣壓強的變化，為系統運行提供參考。

（6）火焰檢測：對光伏電池板周圍環境進行火焰檢測，若發現火情，系統能及時報警并采取相應措施。

（7）上位機實時數據監控：通過與上位機通信，實現對系統所有檢測數據進行實時監控，以及數據存儲與分析，為運維人員提供及時有效的數據支持。

該系統的測量模塊包括霍爾電流傳感器模塊、溫度檢測模塊、溫濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊、大氣壓強檢測模塊、火焰檢測模塊。STM32 芯片負責接收處理數據并控制報警模塊，然后將數據上傳上位機，上位機進行數據通信、數據處理、數據顯示、數據存取等操作。

2 系統硬件設計

2.1 MCU 主電路設計

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

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

2.2 數據采集電路設計

光伏電池板通過端口接入， 經R4、R14 分壓至微控制單元（microcontroller unit，MCU）的ADC 口測量電壓； 另一路接入ACS712 的IP+，IP- 接JP2 的負載， 測量電流（VO） 為0 A 時，VO=VCC/2，VO 偏移量為180 mV/A，量程為5 A；被測電流經過電阻分壓接入MCU 的PA1 接口進行公式換算即可得出被測電流數值。熱斑檢測電路有3 個DS18B20 傳感器，分別接入MCU 并測量溫度，反饋光伏電池板熱斑狀態。光照強度檢測電路通過穩壓和電平轉換后，采用集成電路總線（interintegratedcircuit，IIC） 協議與MCU 通信， 其中SCL 接PC14，SDA 接PC15。

2.3 溫濕度、大氣壓強和火焰檢測電路設計

數據輸出口DATA 在接入4.7 kΩ 上拉電阻后與MCU 的PA4 口連接進行串行通信。濕度和溫度數據均使用8 位整數和8 位小數的數據格式，再加上8 位的校驗碼，共計40 位數據。這種數據格式可以保證數據的完整性，且高位先出。

大氣壓強檢測電路由BMP180 芯片、穩壓電路與電平轉換電路組成，芯片通過穩壓電路和電平轉換電路后使用IIC 通信協議與MCU 進行通信，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，無須連接。

火焰檢測電路主要由紅外發射管、電壓比較器、滑動變阻器等構成。紅外發射管檢測火焰，電壓比較器負責閾值的檢驗，當光線亮度低于閾值時，電壓比較器輸出高電平；當光線亮度大于閾值時，電壓比較器輸出低電平。電壓比較器數字輸出口連接MCU 的PC13。滑動變阻器可以改變火焰檢測閾值。

2.4 USB 轉TLL 串口電路設計

USB 轉TLL 串口電路主要由CH340G 芯片電路、降壓電路、指示燈電路組成。芯片電路負責PC 與MCU 之間的電平轉換，芯片電路中的晶振保證了其與MCU 信號的同步；降壓電路將USB 供電轉換為MCU 的工作電壓并帶有電壓保護電路；指示燈電路包含電源指示燈、數據發送指示燈、數據接收指示燈，用于判斷模塊的工作狀態。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計總體可分為下位機程序設計和上位機程序設計兩大部分，下位機程序采用Keil5進行設計；上位機程序使用LabVIEW 實現光伏發電數據監控與存取等功能。軟件總體設計框圖如圖2所示。

STM32 程序初始化包括系統時鐘、定時器、中斷、延時等模塊。在進入while 循環后執行串口和數據采集程序，比較實際值與用戶設定的報警設定值，超過設定值則觸發故障報警模塊。系統上位機程序模塊化，啟動時可選USB 連接，并且設置波特率。用戶確認后，數據經USB 數據接收模塊的處理與校驗，傳至分析模塊進行算法處理，繪制波形圖并存儲數據。

4 系統測試和試驗

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

通過USB 轉TTL 串口模塊連接PCB 與PC，在PC 的上位機軟件上打開光伏發電數據監測系統工程，輸入正確用戶名和密碼即可成功登錄。在數據顯示界面選擇串口和波特率，點擊“確認”按鈕，即開始數據采集等工作。

4.1 電壓電流數據采集調試

將一個光伏電池板接入板上電壓測量接口，電機作為負載接入電流測量接口，再分別使用萬用表與光伏發電數據監測系統同時進行電壓、電流測量，一共測量5 次，每次間隔1 min。監測系統電壓、電流測量結果如圖3 所示，電壓、電流測量數據對比如表1 所示，結果表明系統電壓、電流測量值的相對誤差在5% 以內。

4.2 光照強度數據采集調試

日常生活中， 光線亮度范圍差別較大， 在夏天陽光的直射下室外光照強度可以達到30 000 ～ 100 000 lx， 即使是陰天也可以達到20 000 lx；而室內不開燈環境下的光照強度僅為100 ～ 550 lx。

4.3 環境溫濕度及大氣壓強數據采集調試

環境溫濕度及大氣壓強測量環境處于室內，環境溫濕度數據參考溫濕度計測量的實時數據；大氣壓強數據參考手機天氣APP 的當地實時環境數據。同時使用溫濕度計與光伏發電數據監測系統每隔1 min 測量1 次相關數據，一共測量5 次。環境溫濕度和大氣壓強測量數據如圖4 所示，溫濕度及大氣壓強測量數據對比如表2 所示。測量結果表明系統的溫度與大氣壓強測量的相對誤差在1.2% 以內，濕度測量相對誤差在2.5% 以內。

5 結論

系統采用STM32 單片機采集光伏發電系統及環境參數，通過串口上傳數據至上位機，上位機通過LabVIEW 軟件實現光伏發電電壓電流、熱斑、溫濕度、光照強度、大氣壓強、火焰報警等信息的實時顯示、存儲，實驗選取的參數測量相對誤差在5% 以內。通過長時間的運行進行驗證，該系統運行穩定可靠，適用于中小型光伏電站和家用光伏電站的數據監測。該研究為光伏發電領域的監測提供了一種有效的方案，對于推動光伏發電技術的應用和發展具有積極意義。