摘  要: 提出了基于STM32和LabVIEW的光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。以STM32作為數(shù)據(jù)采集器的核心，對(duì)系統(tǒng)的光伏板側(cè)溫度、光強(qiáng)以及控制器和逆變器的電壓、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并通過RS-232總線將其送到PC中。在上位機(jī)利用LabVIEW搭建虛擬監(jiān)測平臺(tái)，能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，便于系統(tǒng)的管理和故障排查。
關(guān)鍵詞： 光伏監(jiān)測； STM32； LabVIEW

    太陽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，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)長期穩(wěn)定運(yùn)行[3]，而且還可通過對(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RS-232總線送至上位機(jī)。上位機(jī)的LabVIEW虛擬檢測平臺(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)檢測模塊、溫度檢測模塊、電壓電流檢測模塊、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)被測電路的影響降到最低。電流的測量直接采用電阻分壓法。
2.2 交流側(cè)電壓的幅度、相位測量
    AD8302集幅度與相位的測量功能于一身，能夠簡化幅相檢測模塊的設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的性能?；贏D8302的測量電路如圖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，其測量模式工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上(精確幅度測量比例系數(shù)為30 mV/dB，精確相位測量比例系數(shù)為10 mV/°)。

2.3 光伏板光強(qiáng)、溫度測量
     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，其接近視覺靈敏度的光譜靈敏度與高分辨率可以檢測較大范圍的光強(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“一線總線”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)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。本監(jiān)測系統(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電源滿足RS-232串口電平的需要。

3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 嵌入式軟件
     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 ?滋s，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RS-232總線將處理好的數(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)流的圖形化編程語言，對(duì)數(shù)據(jù)的操作和計(jì)算簡單高效，并且提供了豐富的圖表顯示功能[5]，可將經(jīng)過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，客戶端可以通過瀏覽器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測與維護(hù)。
    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)電特性及周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。選擇適合該系統(tǒng)的各監(jiān)測器件并結(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)測系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。
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