丁成功，王升鴻

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610)

太陽能與風(fēng)能都是取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源，而且太陽能與風(fēng)能發(fā)電具有無污染和安全性高等許多優(yōu)勢，可以有效緩解能源危機(jī)并減少環(huán)境污染。如果未來能夠克服風(fēng)能與太陽能自身存在的一些問題，在發(fā)電技術(shù)上取得新的技術(shù)突破，人類社會(huì)就能更加科學(xué)、安全、合理與高效地去發(fā)展和利用這些可再生能源。太陽能和風(fēng)能在時(shí)空上具有很好的互補(bǔ)性，因此風(fēng)光互補(bǔ)電源已經(jīng)引起人們的廣泛重視。本文利用單片機(jī)與通訊模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)小型風(fēng)光互補(bǔ)路燈數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過多次試驗(yàn)，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，最終該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線發(fā)送、上位機(jī)顯示等功能，并且運(yùn)行可靠穩(wěn)定[1-6]。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)主要由40 W太陽能電池板、50 W小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制電路、數(shù)據(jù)采集電路、蓄電池、逆變電路、耗能負(fù)載等部分構(gòu)成。其中，光伏電池板接收太陽能輸出直流電能;風(fēng)力發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電能;控制電路對系統(tǒng)的輸入輸出電量進(jìn)行調(diào)節(jié)和分配，對蓄電池進(jìn)行充放電管理等;數(shù)據(jù)采集電路負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵信息;逆變電路把直流電逆變成交流電供給負(fù)載使用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 數(shù)據(jù)采集部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件電路以STC12C5A6032單片機(jī)為核心，對光伏電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流值進(jìn)行檢測，判斷出光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)以及光照強(qiáng)度和風(fēng)力等級;對蓄電池的充放電電壓、電流進(jìn)行檢測，可得知蓄電池所處的工作狀態(tài);對負(fù)載的電壓、電流進(jìn)行檢測，可以確定負(fù)載的瞬時(shí)工作狀態(tài)與累積工作時(shí)間等。最后全部的采集數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，處理結(jié)果通過RS232接口串行通訊傳送給計(jì)算機(jī)，也可以通過SIM300模塊發(fā)送給監(jiān)控中心或用戶，以利于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

2.1 電壓采集電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集電路以宏晶公司生產(chǎn)的內(nèi)置10位A/D轉(zhuǎn)換器的STC12C5A6032單片機(jī)為核心，采用高精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對直流電壓進(jìn)行測量。系統(tǒng)采用的是40 W光伏電池板，最大輸出電壓接近21 V;50 W三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電壓經(jīng)整流后輸出最大直流電壓約為20 V，因此可以采用5只100 kΩ的精密電阻串聯(lián)組成分壓網(wǎng)絡(luò)對光伏電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流后的輸出電壓信號進(jìn)行采集;系統(tǒng)使用的是12 V 40 AH的鉛酸蓄電池，充電時(shí)蓄電池電壓可接近14 V，因此采用4只100 kΩ精密電阻組成分壓網(wǎng)路來采集蓄電池電壓信號。采集電路如圖3所示。

圖3 直流電壓采集電路

2.2 電流采集電路設(shè)計(jì)

電流信號的采集電路主要依靠霍爾電流傳感器來完成。傳感器一般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、次級線圈和放大電路等組成。系統(tǒng)選用南京正角電子科技有限公司生產(chǎn)的霍爾電流傳感器B201X-10，原邊與副邊之間高度絕緣，原邊額定輸入10 A電流，副邊額定輸出10 mA電流，測量電阻用500 Ω精密電阻。系統(tǒng)采用的是50 W的風(fēng)機(jī)，最大輸出電流為4.2 A，故所選傳感器滿足系統(tǒng)要求。電流傳感器將風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板的電流信號轉(zhuǎn)換為適合A/D轉(zhuǎn)換器使用的0～5 V的模擬電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī)。

2.3 通訊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用星?？萍嫉腟IM300GSM/GPRS通訊模塊。SIM300集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，適合于開發(fā)一些基于GSM/GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)和遠(yuǎn)程測量等系統(tǒng)，應(yīng)用范圍十分廣泛。SIM300提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口，與單片機(jī)通信可以使用TXD、RXD、GND這3個(gè)引腳，通過AT指令，單片機(jī)控制SIM300以短消息的方式將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩部分。下位機(jī)軟件主要是數(shù)據(jù)采集部分的A/D轉(zhuǎn)換程序和單片機(jī)控制SIM300發(fā)送數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì);上位機(jī)軟件主要是遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)讀取接收通信模塊收到的短消息及顯示存儲(chǔ)遠(yuǎn)端傳來的系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)，即用VB編寫可視化的系統(tǒng)信息管理界面。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機(jī)以單片機(jī)為核心，因此軟件要求具有靈活通用、實(shí)時(shí)控制、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集程序應(yīng)該在一個(gè)采樣周期內(nèi)處理完畢。下位機(jī)采用C語言編程，軟件主循環(huán)程序流程如圖4所示，其中數(shù)據(jù)采集子程序主要負(fù)責(zé)采集記錄系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)并存儲(chǔ)到相應(yīng)的寄存器中，通信子程序主要負(fù)責(zé)從寄存器中取出數(shù)據(jù)并發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端。

圖4 下位機(jī)軟件主循環(huán)程序流程圖

3.2 上位機(jī)監(jiān)管理軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)數(shù)據(jù)管理軟件采用可視化的應(yīng)用程序開發(fā)工具VB進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以方便獲取系統(tǒng)運(yùn)行信息，如通過采集的數(shù)據(jù)，可以對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓、太陽能電池板輸出電壓、蓄電池兩端電壓、蓄電池的充放電狀態(tài)、風(fēng)力等級、光照強(qiáng)度等模擬量進(jìn)行計(jì)算處理，并根據(jù)實(shí)際需要發(fā)出遠(yuǎn)程操作命令等。

4 結(jié)語

本文利用單片機(jī)與通訊模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)小型風(fēng)光互補(bǔ)路燈數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用無線網(wǎng)絡(luò)將采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端，使用VB設(shè)計(jì)的清晰界面能夠直觀了解風(fēng)光互補(bǔ)路燈的運(yùn)行信息。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線發(fā)送、上位機(jī)顯示等功能，并且運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

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