一種基于單片機(jī)和Labview的小型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳志強(qiáng),田衛(wèi)華

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

摘要：利用DS18B20測(cè)溫元件、nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊、PBH1750FVI光傳感器以及高精度數(shù)字電位器和電磁繼電器等構(gòu)成外圍模塊， C8051F350單片機(jī)通過(guò)Labview的VISA串口模塊來(lái)采集溫度、光強(qiáng)、電壓、電流，開(kāi)發(fā)了一種實(shí)時(shí)采集光伏發(fā)電數(shù)據(jù)并對(duì)發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行控制的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)單片機(jī)和PC機(jī)數(shù)據(jù)采集處理的局限和不足，電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，并且具有友好的人機(jī)交互界面，便于操作。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；Labview；光伏發(fā)電；監(jiān)控系統(tǒng)

作者簡(jiǎn)介：吳志強(qiáng)(1990-)，男，遼寧沈陽(yáng)人。

通訊作者：田衛(wèi)華(1970-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事控制理論及控制工程方面的研究。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.012

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2015)04-0350-05

Abstract：In this paper,temperature measuring element DS18B20,light sensors PBH1750FVI,wireless transmission module nRF24L01,high-precision digital potentiometer and electromagnetic relay peripheral modules together with single chip C8051F350 were used to collect temperature,light intensity,voltage and current,which were displayed in the front panel of Labview,and then a real-time photovoltaic power generation data acquisition and control system was developed.The proposed system could improve the limitation of traditional single-chip microcomputer and PC data acquisition processing with many advantages including the simple circuit,low cost,high reliability and friendly man-machine interface which was easy to operate.

1Labview技術(shù)介紹

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Labview技術(shù)就是一種虛擬儀器技術(shù)，它是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、用戶(hù)設(shè)計(jì)及自定義的技術(shù)。它的基本思路是：把控件面板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的顯示界面放在Labview前面板，把用函數(shù)面板控制前面板上的對(duì)象而編寫(xiě)出的，具有一定功能的G語(yǔ)言程序代碼放在Labview后面板。代碼的編寫(xiě)效率是Labview技術(shù)很注重的方面，它以G語(yǔ)言代碼改變了人們過(guò)去以文本代碼書(shū)寫(xiě)的這種習(xí)慣，在Labview中僅通過(guò)拖拽圖標(biāo)就能實(shí)現(xiàn)程序的編寫(xiě)，使得整個(gè)編程過(guò)程變得簡(jiǎn)單、有效[4]。虛擬儀器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)儀器對(duì)比，如表1所示。

表1　傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的對(duì)比

本設(shè)計(jì)是基于Labview軟件功能的開(kāi)發(fā)，.vi是采用G代碼編寫(xiě)的應(yīng)用程序后綴，即是一個(gè)VI(Virtual Instrument)。一個(gè)完整的VI程序由前面板、后面板以及圖標(biāo)連接器三個(gè)部分組成。因VI的人機(jī)界面與真實(shí)的儀器面板很像，所以又被稱(chēng)為前面板，Controls(控制量)和Indicators(顯示量)是其主要構(gòu)成部分?？刂屏恐饕脕?lái)輸入數(shù)據(jù)，包括開(kāi)關(guān)、刻度盤(pán)、文本輸入控件等；顯示量主要是用來(lái)顯示程序運(yùn)行結(jié)果，包括圖表、指示燈、示波器等。VI的程序執(zhí)行部分稱(chēng)為后面板，它是圖形化的編程面板，圖標(biāo)、框圖和連線(xiàn)是其主要組成部分，這些圖標(biāo)、框圖和連線(xiàn)實(shí)際上是一些常量、變量、函數(shù)、子VI等，VI的功能的實(shí)現(xiàn)就是按照一定的邏輯關(guān)系把它們組合在一起；圖標(biāo)連接器主要功能是用于VI與子VI之間的數(shù)據(jù)連接。如果做一個(gè)形象的比喻，把Labview的VI程序比作一臺(tái)儀器，那么儀器上用于數(shù)據(jù)輸出、信號(hào)控制、結(jié)果顯示的輸入、輸出端子、顯示窗口及控制開(kāi)關(guān)就是前面板，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能需求的電路板卡和電子元器件就是后面板。

2測(cè)試環(huán)境介紹

如圖1所示，通過(guò)Labview2013串口模塊化程序通訊的基本步驟包括：

1)首先對(duì)VI端口進(jìn)行初始化，然后通過(guò)對(duì)軟件里VISAConfigureSerial Port程序來(lái)設(shè)定串口通信的串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、數(shù)據(jù)比特等信息，其中串口號(hào)的設(shè)置是在Labview中的ISAresourcename中進(jìn)行的。

2)串口的讀寫(xiě)過(guò)程，首先是VISARead從串口中讀到單片機(jī)傳回的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)VISAWrite串口程序?qū)懗鲎x到的數(shù)據(jù)。因?yàn)樵贚abview軟件中串口通信子VI讀到的數(shù)據(jù)只能是字符串，所以在將數(shù)據(jù)顯示在程序的前面板時(shí)，必須首先要將字符串轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組，然后對(duì)字節(jié)數(shù)組的元素進(jìn)行處理。如果開(kāi)始的時(shí)候要先讀入當(dāng)前的所有字符串，就必須的先執(zhí)行VISABytesofSerial Port來(lái)確定讀入的字節(jié)數(shù)，再把它們輸出當(dāng)作輸入到VISARead節(jié)點(diǎn)。

3)關(guān)閉串口結(jié)束整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程。

3數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的組成及工作原理

小型光伏發(fā)電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要是由溫度傳感器、光傳感器、數(shù)字電位器、電磁繼電器、C8051F350單片機(jī)、接口電路、Labview虛擬儀器等部分來(lái)組成的，它總體的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

更需要警惕的是“糧食銀行”涉及糧食生產(chǎn)、流通等眾多環(huán)節(jié)，缺乏規(guī)范的規(guī)章制度，甚至個(gè)別地方加工作坊也掛著“糧食銀行”的招牌，發(fā)展情況良莠不齊，容易形成風(fēng)險(xiǎn)漏洞，如果出現(xiàn)問(wèn)題或?qū)⑿纬蛇B鎖負(fù)面效應(yīng)。

在小型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要針對(duì)的是數(shù)據(jù)采集處理和數(shù)據(jù)反饋控制，通過(guò)采集到的信號(hào)和預(yù)期的信號(hào)進(jìn)行比較，然后通過(guò)串口發(fā)送回單片機(jī)再由單片機(jī)對(duì)相應(yīng)硬件進(jìn)行調(diào)控。

圖1　Labview的串行通信

工作原理：溫度傳感器、光傳感器通過(guò)單片機(jī)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且用C8051F350單片機(jī)內(nèi)部自帶的A/D模塊來(lái)采集電壓模擬量并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后利用Labview中自帶的VISA串口將數(shù)據(jù)傳回到Labview虛擬儀器數(shù)據(jù)處理模塊中進(jìn)行處理，最后再通過(guò)串口發(fā)送控制指令給單片機(jī)，并且連續(xù)采集數(shù)據(jù)并將其顯示在Labview程序的前面板上。

圖2　系統(tǒng)的總體框架

4無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)，必須對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行處理。同時(shí)，上位機(jī)還可對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制。

由于很多偏遠(yuǎn)或特殊地區(qū)無(wú)法采用有線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，因此，實(shí)現(xiàn)不受距離及地域條件限制的無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控有著重要的意義。

采用無(wú)線(xiàn)通信方式對(duì)光照度和溫度進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，有效地降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的布線(xiàn)難度，使數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)更加高效。

一般進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)控時(shí)，2.4G無(wú)線(xiàn)通信是充當(dāng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N方法，這時(shí)就需要在現(xiàn)場(chǎng)部分具備無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)裝置。光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信方式如圖3所示。

圖3　光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信方式

單片機(jī)通過(guò)光強(qiáng)傳感器采集光強(qiáng)值，將光強(qiáng)值通過(guò)2.4G通信模塊以無(wú)線(xiàn)通信的形式發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，供操作人員遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)。當(dāng)無(wú)線(xiàn)模塊接收到上位機(jī)側(cè)發(fā)送的控制信號(hào)后，將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)將信號(hào)進(jìn)行處理后，控制數(shù)字電位器和繼電器執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，控制太陽(yáng)能板執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)控制。

2.4G無(wú)線(xiàn)通信模塊由Nordic公司的NRF24L01無(wú)線(xiàn)通信芯片并結(jié)合其外圍電路組成。NRF24L01 是一款工作在 2.4~2.5GHz 世界通用 ISM 頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片 ，可通過(guò)SPI寫(xiě)入數(shù)據(jù)，最高可達(dá)10 Mbit/s，而且數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2 Mbit/s，這就很好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的光照度和溫度數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)部分由于一般只有串口，無(wú)法直接接收NRF24L01發(fā)出的2.4G無(wú)線(xiàn)信號(hào)，所以將采集到的數(shù)據(jù)送到電腦里又要在上位機(jī)端設(shè)計(jì)1個(gè)數(shù)據(jù)接收的適配器，其原理圖如圖4所示。

圖4　上位機(jī)側(cè)無(wú)線(xiàn)通信適配器原理

5系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

小型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要是通過(guò)C805lf350單片機(jī)和外圍采集模塊協(xié)同來(lái)完成的。C8051f350單片機(jī)內(nèi)具有8路24位A/D轉(zhuǎn)換的功能，通過(guò)8個(gè)引腳AI0-AI7輸入8路模擬量，然后通過(guò)單片機(jī)內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換模塊把它轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)再通過(guò)RS-232接口送入到上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的保存、處理、顯示并實(shí)時(shí)控制。C8051f350單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖6~圖7為電磁繼電器和X9C103P數(shù)字電位器的原理圖。上位機(jī)接收到光信號(hào)后進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)地運(yùn)算、比較，然后通過(guò)上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)地指令給單片機(jī)，單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的指令后，相應(yīng)地將指令轉(zhuǎn)換為對(duì)電磁繼電器的控制，來(lái)調(diào)節(jié)光伏板隨光強(qiáng)量的變化而變動(dòng)角度來(lái)采集光能。而通過(guò)單片機(jī)A/D采集到的電流信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)，處理后的電流信號(hào)值與預(yù)定的值進(jìn)行比較，再通過(guò)X9C103P數(shù)字電位器來(lái)控制電流的大小波動(dòng)在相應(yīng)的范圍。

圖5　C8051F350單片機(jī)最小系統(tǒng)原理

圖6　電磁繼電器控制原理

圖7　X9C103P數(shù)字電位器原理

6系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

Labview的測(cè)試系統(tǒng)是利用圖形模塊化的思想來(lái)編寫(xiě)的，它其中的每個(gè)功能都是通過(guò)一個(gè)個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然后再由主控模塊來(lái)調(diào)用各個(gè)子模塊，最終來(lái)實(shí)現(xiàn)據(jù)采集、處理、顯示、保存及控制輸出等功能[2，4]。小型光伏發(fā)電監(jiān)控軟件系統(tǒng)的構(gòu)成如圖8所示。

圖8　軟件系統(tǒng)的構(gòu)成

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繁瑣的數(shù)據(jù)處理。然而Labview軟件可以將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)框圖化的程序來(lái)進(jìn)行處理，而且Labview程序界面便于編程、前面板可視化好，極大的提高了數(shù)據(jù)處理的效率和控制的簡(jiǎn)便化[5]。

圖9　前面板監(jiān)測(cè)控制界面

圖9所示為用Labview圖形化編程語(yǔ)言編寫(xiě)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前面板。從圖中可以看出界面下方有四個(gè)手動(dòng)控制鍵框圖，分別為上移、下移、左移、右移圖框，按鍵框圖上面顯示的是電壓、電流、溫度、水平角度等。圖框右側(cè)有4個(gè)數(shù)據(jù)顯示區(qū)分別顯示四個(gè)方向的溫度強(qiáng)度，記為上、下、左、右。

7結(jié)語(yǔ)

提出的基于單片機(jī)和Labview的小型光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)電路原理上簡(jiǎn)單易懂，易于軟、硬件實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際運(yùn)行中通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信傳輸數(shù)據(jù)，可靠性高、人機(jī)界面友好，便于操作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)控。所進(jìn)行的設(shè)計(jì)改善了傳統(tǒng)單片機(jī)和PC機(jī)在光伏發(fā)電檢測(cè)信號(hào)采集處理的局限和不足，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

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Design of One Small Size Photovoltaic Power Generation Monitoring

System Based on Single-chip Microcomputer and Labview

WU Zhi-qiang,TIAN Wei-hua

(School of Automation Control Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,China)

Key words： single-chip microcomputer;Labview;photovoltaic power generation;monitoring system

(責(zé)任編輯佟金鍇校對(duì)張凱)