一种基于单片机和Labview的小型光伏发电监控系统设计

一种基于单片机和Labview的小型光伏发电监控系统设计

吴志强,田卫华

(沈阳工程学院 自动化学院，辽宁 沈阳 110136)

摘要：利用DS18B20测温元件、nRF24L01无线模块、PBH1750FVI光传感器以及高精度数字电位器和电磁继电器等构成外围模块， C8051F350单片机通过Labview的VISA串口模块来采集温度、光强、电压、电流，开发了一种实时采集光伏发电数据并对发电状态进行控制的监控系统。该系统改善了传统单片机和PC机数据采集处理的局限和不足，电路简单、成本低、可靠性高，并且具有友好的人机交互界面，便于操作。

关键词：单片机；Labview；光伏发电；监控系统

作者简介：吴志强(1990-)，男，辽宁沈阳人。

通讯作者：田卫华(1970-)，女，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事控制理论及控制工程方面的研究。

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

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：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技术介绍

简单来说，Labview技术就是一种虚拟仪器技术，它是一种基于计算机技术、用户设计及自定义的技术。它的基本思路是：把控件面板设计系统的显示界面放在Labview前面板，把用函数面板控制前面板上的对象而编写出的，具有一定功能的G语言程序代码放在Labview后面板。代码的编写效率是Labview技术很注重的方面，它以G语言代码改变了人们过去以文本代码书写的这种习惯，在Labview中仅通过拖拽图标就能实现程序的编写，使得整个编程过程变得简单、有效[4]。虚拟仪器的特点与传统仪器对比，如表1所示。

表1　传统仪器与虚拟仪器的对比

本设计是基于Labview软件功能的开发，.vi是采用G代码编写的应用程序后缀，即是一个VI(Virtual Instrument)。一个完整的VI程序由前面板、后面板以及图标连接器三个部分组成。因VI的人机界面与真实的仪器面板很像，所以又被称为前面板，Controls(控制量)和Indicators(显示量)是其主要构成部分。控制量主要用来输入数据，包括开关、刻度盘、文本输入控件等；显示量主要是用来显示程序运行结果，包括图表、指示灯、示波器等。VI的程序执行部分称为后面板，它是图形化的编程面板，图标、框图和连线是其主要组成部分，这些图标、框图和连线实际上是一些常量、变量、函数、子VI等，VI的功能的实现就是按照一定的逻辑关系把它们组合在一起；图标连接器主要功能是用于VI与子VI之间的数据连接。如果做一个形象的比喻，把Labview的VI程序比作一台仪器，那么仪器上用于数据输出、信号控制、结果显示的输入、输出端子、显示窗口及控制开关就是前面板，实现传统仪器功能需求的电路板卡和电子元器件就是后面板。

2测试环境介绍

如图1所示，通过Labview2013串口模块化程序通讯的基本步骤包括：

1)首先对VI端口进行初始化，然后通过对软件里VISAConfigureSerial Port程序来设定串口通信的串口号、波特率、数据位、停止位、数据比特等信息，其中串口号的设置是在Labview中的ISAresourcename中进行的。

2)串口的读写过程，首先是VISARead从串口中读到单片机传回的数据，然后通过VISAWrite串口程序写出读到的数据。因为在Labview软件中串口通信子VI读到的数据只能是字符串，所以在将数据显示在程序的前面板时，必须首先要将字符串转换为字节数组，然后对字节数组的元素进行处理。如果开始的时候要先读入当前的所有字符串，就必须的先执行VISABytesofSerial Port来确定读入的字节数，再把它们输出当作输入到VISARead节点。

3)关闭串口结束整个数据采集过程。

3数据采集控制系统的组成及工作原理

小型光伏发电监控数据采集控制系统主要是由温度传感器、光传感器、数字电位器、电磁继电器、C8051F350单片机、接口电路、Labview虚拟仪器等部分来组成的，它总体的设计方案如图2所示。

更需要警惕的是“粮食银行”涉及粮食生产、流通等众多环节，缺乏规范的规章制度，甚至个别地方加工作坊也挂着“粮食银行”的招牌，发展情况良莠不齐，容易形成风险漏洞，如果出现问题或将形成连锁负面效应。

在小型光伏发电监控系统设计中主要针对的是数据采集处理和数据反馈控制，通过采集到的信号和预期的信号进行比较，然后通过串口发送回单片机再由单片机对相应硬件进行调控。

图1　Labview的串行通信

工作原理：温度传感器、光传感器通过单片机采集相应的数据，并且用C8051F350单片机内部自带的A/D模块来采集电压模拟量并将其转换为数字量，然后利用Labview中自带的VISA串口将数据传回到Labview虚拟仪器数据处理模块中进行处理，最后再通过串口发送控制指令给单片机，并且连续采集数据并将其显示在Labview程序的前面板上。

图2　系统的总体框架

4无线传输模块的设计

为了实时监控光伏系统的工作状态，必须对各项参数进行实时采集，并传输到上位机中进行处理。同时，上位机还可对光伏发电系统进行控制。

由于很多偏远或特殊地区无法采用有线远程监控来实现实时监测和控制，因此，实现不受距离及地域条件限制的无线远程监控有着重要的意义。

采用无线通信方式对光照度和温度进行无线传输，有效地降低了光伏发电系统的布线难度，使数据采集与监视控制系统更加高效。

一般进行远程无线监控时，2.4G无线通信是充当远程数据传输的一种方法，这时就需要在现场部分具备无线数据收发装置。光伏发电监控系统无线通信方式如图3所示。

图3　光伏发电系统无线通信方式

单片机通过光强传感器采集光强值，将光强值通过2.4G通信模块以无线通信的形式发送到上位机进行显示，供操作人员远程监视系统的状态。当无线模块接收到上位机侧发送的控制信号后，将数据传送到单片机，单片机将信号进行处理后，控制数字电位器和继电器执行相应的动作，控制太阳能板执行相应的动作，实现无线控制。

2.4G无线通信模块由Nordic公司的NRF24L01无线通信芯片并结合其外围电路组成。NRF24L01 是一款工作在 2.4~2.5GHz 世界通用 ISM 频段的单片无线收发器芯片 ，可通过SPI写入数据，最高可达10 Mbit/s，而且数据传输速率最高可达2 Mbit/s，这就很好地满足实时的光照度和温度数据传输。

上位机部分由于一般只有串口，无法直接接收NRF24L01发出的2.4G无线信号，所以将采集到的数据送到电脑里又要在上位机端设计1个数据接收的适配器，其原理图如图4所示。

图4　上位机侧无线通信适配器原理

5系统的硬件电路设计

小型光伏发电监控系统的数据采集主要是通过C805lf350单片机和外围采集模块协同来完成的。C8051f350单片机内具有8路24位A/D转换的功能，通过8个引脚AI0-AI7输入8路模拟量，然后通过单片机内的A/D转换模块把它转换为数字量。转换后的数字信号再通过RS-232接口送入到上位机，在上位机上实现数字信号的保存、处理、显示并实时控制。C8051f350单片机最小系统原理图如图5所示。

图6~图7为电磁继电器和X9C103P数字电位器的原理图。上位机接收到光信号后进行处理，处理后的数据进行相应地运算、比较，然后通过上位机发送相应地指令给单片机，单片机接收到上位机发送的指令后，相应地将指令转换为对电磁继电器的控制，来调节光伏板随光强量的变化而变动角度来采集光能。而通过单片机A/D采集到的电流信号发送给上位机，处理后的电流信号值与预定的值进行比较，再通过X9C103P数字电位器来控制电流的大小波动在相应的范围。

图5　C8051F350单片机最小系统原理

图6　电磁继电器控制原理

图7　X9C103P数字电位器原理

6系统的软件设计

Labview的测试系统是利用图形模块化的思想来编写的，它其中的每个功能都是通过一个个模块来实现的，然后再由主控模块来调用各个子模块，最终来实现据采集、处理、显示、保存及控制输出等功能[2，4]。小型光伏发电监控软件系统的构成如图8所示。

图8　软件系统的构成

传统的数据采集方式需要对采集到的数据进行繁琐的数据处理。然而Labview软件可以将采集到的数据通过框图化的程序来进行处理，而且Labview程序界面便于编程、前面板可视化好，极大的提高了数据处理的效率和控制的简便化[5]。

图9　前面板监测控制界面

图9所示为用Labview图形化编程语言编写的数据采集系统前面板。从图中可以看出界面下方有四个手动控制键框图，分别为上移、下移、左移、右移图框，按键框图上面显示的是电压、电流、温度、水平角度等。图框右侧有4个数据显示区分别显示四个方向的温度强度，记为上、下、左、右。

7结语

提出的基于单片机和Labview的小型光伏发电监控系统，在设计电路原理上简单易懂，易于软、硬件实现。在实际运行中通过无线通信传输数据，可靠性高、人机界面友好，便于操作，能够实现对光伏发电状态数据的实时观测和实时调控。所进行的设计改善了传统单片机和PC机在光伏发电检测信号采集处理的局限和不足，在实际应用中具有重要意义。

参考文献

[1]刘艳.基于Labview和Proteus的单片机数据采集系统设计[J].现代电子技术，2013,36(9)：102-104.

[2]吴怀超，周勇.基于虚拟仪器和MSP430单片机的数据采集系统的开发[J].化工自动化及仪表,2011,38(1)：2-5.

[3]张连军，何春俐，常江,等.基于Labview实现数据采集的设计[J].机械管理开发,2010，25(1) ：187-189.

[4]王贵鑫.基于LabVIEW温度对光伏发电系统影响的研究[D].太原：山西大学,2012.

[5]向科峰.基于Labview的数据采集系统设计与实现[J].机械管理开发,2011，26(4)：191-193.

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[7]郭瑞，刘莉莹，王帅杰，等.光伏发电实验系统的设计[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2013,9(4)：198-200.

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

(责任编辑佟金锴校对张凯)