联网监控智能分配光伏电源管理系统的设计

刘莲，蓝国财，邓福林，梁琦，李沛敏，周紫茵，康家荣

（广西民族师范学院，广西崇左，532200）

0 引言

我国是一个人口大国，资源耗用量较大，如何提高能源利用率，减少不必要能耗，成为当前重点研究内容。而太阳能作为—种绿色生态能源，具有高效、无污染、不受地域限制等优点，但是目前国内光伏发电系统都存在一定的问题，如发电量过低、转换效率低、蓄电池充电异常、蓄电池蓄能过低、输出功率过高、电池温度过高、无法实时观测电池充放电等一系列问题，这就使得家庭光伏发电管理系统不能完全普及。为解决这一系列问题本文提出一款基于GD32F450ZGT6 单片机为主控核心的家庭光伏发电管理系统，通过实验证明该系统能够实现对光伏发电电流、电压、温度的有效监控，以保证光伏发电系统稳定可靠地工作和对用户的财产的保护。

1 系统设计

本设计系统由硬件设计和软件设计组成其硬件设计主要由温度检测系统、WiFi 模块、SIM 卡模块、LCD 显示屏、GD32F450ZGT6 主控、太阳能板组合输入、输出转换电路组合而成。软件设计包含手机APP 开发和单片机程序相结合。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件设计

■2.1 GD32F450ZGT6 单片机

GD32F450ZGT6 单 片机内核是由ARM Cotex-M4 可 通 最 大CPU 最 大 主频率为200MHz，可工作电压范围是2.6V~3.6V，芯片的时钟可以由内部RC 振荡电路产生或者通过 外 部4MHz~32MHz 输入，进入芯片内部的时钟系统后将时钟分频、倍频后供给各个外设系统，该芯片有丰富的外设系统，如ADC（模数转换器）可实现对输出电压、电流的检测，并通过显示器显示，并且芯片具有LCD 外设接口，通过硬件支持，可以实现以较高的刷新率实时显示系统界面。

■2.2 温度传感器

在整个设备的大功率转换电路部分如输入电压转换部分的MOS 管，每块电池的表面和输出转换电路区域和电压转换芯片上均放置温度传感器，随系统各个点的温度实现实时监控时刻保证系统的稳定性和安全性。考虑到转换电路的温度属于高di/dt 电路，所以根据欧姆定律，其所产生的热量将会在电路上产生约30℃的温升大约使得功率转换电路达到50℃左右。但是如果电流过大，产生的温度过高，将会使得电路损坏严重的更会引发起火，所以本设备同时在所有电池上安装温度传感器，如果存在4 块电池将会安装4个温度传感器探头，以此类推。

■2.3 太阳能板组合输入

太阳能板的电源转换芯片选型上采用了来自南芯公司的SC8721，这是一颗超高效率，集成了4 颗功率管的同步Buck-Boost 转换器，SC8721的输出电压能够高于，等于或低于输入电压。并且SC8721 拥有超宽的输入及输出电压范围，输入输出电压范围能够达到2.7 ～25V，并且拥有较大的输入输出电流能力。SC8721 转换电路图如图2所示。

图2 SC8721转换电路图

■2.4 WiFi 模块

无线通信模块是使用WiFi 连接主控芯片再由显示屏显现或是在手机上监控用电量，再通过短信模块SIM 卡传输。在此设计中是运用在WiFi 连接主系统，无需接入有线网络，做到添加联网功能。ESP8266 是一款低功耗性价比好的嵌入式无线网络控制核心处理器，可满足此设计的联网监控智能分配光伏电源管理系统应用的需求。WiFi 模块电路原理图如图3所示。

图3 WiFi模块电路原理图

■2.5 LCD 显示屏

本设计采用4.3的LCD 显示屏，显示器的分辨率为800×480，可以显示整个系统的各项电力参数如当前光伏板的输入功率，电池的输出/输入电流，电池电压和温度，输出电力的实时电流和电压以及功率等一系列重要的系统参数，并通过触摸面板与用户实现系统的交互，电容触摸点数最多5 点同时触摸，可供用户设定温度报警的上下报警阈值，电池类型选择，电池电压保护阈值以及功率限制阈值等一系列系统参数。支持24位并口通讯方案，可接纳电源3 ～5V的正极，工作环境温度可在-20℃~70℃,存储温度为-30℃~80℃。这款LCD 显示屏在省,电省能方面可显示有大优势,所以本设计采用这款4.3 寸的LCD 显示屏。

■2.6 SIM 模块

SIM 模块通过用户插入SIM 卡实现发送短信、接收短信、接听电话和拨出电话等功能，模块具有小体积，低功耗的优点，在本设计中，使用模块的短信发送功能，可以在设备异常以及各类需要通知用户的情况下向其发送通知短信实现实时报警功能。SIM 短信模块工作流程图如图4所示。

图4 SIM短信模块工作流程图

■2.7 输出转换电路

输出转换电路由SC8721 切换方向从电池输出到用电器如逆变器，手机充电器等一系列负载设备，输出电路的性能可以在电池性能允许的情况下支持最大输出DC24V20A 共计480W的功率输出。

3 软件设计

本设计包含硬件程序设计和软件程序设计。硬件程序设计是基于主控芯片GD32F450ZGT6的C 语言程序设计，软件设计则是采用App Inventor 图形化编程。

■3.1 GD32 主控程序设计

GD32 主控主要负责接收BMS 电池管理系统、电流检测、电压检测、温度转换的数据和将接收到的数据进行转换后通过WiFi 模块上传到手机客户端。最后根据设计需求通过编写程序实现其对应功能，下面分别对这几点进行阐述。单片机程序流程如图5所示。

图5 单片机程序流程图

3.1.1 BMS 电池管理系统

电池管理系统包含了电池温度检测、电池过充过放检测和库仑计容量计算，电池温度检测通过在每个电池上放置温度传感器探头，将每个温度传感器采集到的温度通过BMS 电池管理系统芯片的串口发送到本设计主控芯片中，主控芯片将接收到的电池温度与设定的电池温度进行对比，当电池温度过高时系统自动切断电流的输出并上报主控芯片，实时保护电池以及保证用户的生命财产安全，过充过放保护电路将实时监控每一块电池的电压当电压低于或高出阈值将会触发保护切断电源输出，极大地延长了电池的寿命；库仑计通过实时对电池的电流以及方向进行积分，通过一段时间自主学习可以获取到电池组的真实容量以供系统进行功率评估。BMS 电池管理系统程序流程如图6所示。

图6 BMS电池管理系统程序流程图

3.1.2 电流检测

利用欧姆定律在电源输入或输出端口的正极通路上放置一个阻值为毫欧级别的采样电阻，并使用运算放大器通过差分检测的方式将电流信号转换为电压信号输出到主控芯片，在程序上将检测回来的ADC 外设采样电压信号转换为数字量，并经过一系列转换和滤波后得到真实电流值并通过LCD 屏显示给用户查看，当电流的阈值高于设定的安全值时，主控芯片给SIM 短信模块发送指定的AT 指令驱动短信模块发送短信通知用户，同时主控芯片控制对应的转换电路限制功率或者关闭电流通道。

3.1.3 电压检测

主控芯片的ADC 转换器最大可检测的输入电压只有1V 左右，但是各个转换器的节点电压均大于10V，所以需要经过分压电路后将衰减后的电压送至主控芯片，本设计使用50倍衰减电路将电压转换为原始电压的1/50，通过运算放大器跟随后输出到主控芯片ADC 外设，主控芯片开启定时器以1ms 为周期对外设ADC的数据实时采集，将采集回来的数据按照数据手册的公式进行转换后显示到LCD 显示屏上，以此实现对各个点的电压监控。

3.1.4 温度检测

该温度检测是专门检测光伏板温度的，主控芯片通过定时器扫描的方式使温度传感器以一定时间周期轮流检测每一个探头放置点的温度，当每个点的温度超出其设定的上下限阈值时将会产生系统报警并采用但不限于限制功率，关闭电路等一系列保护措施保证设备的安全性。

比如常态下电池温度30℃左右，设备一切运转正常，但是如果电池温度升高超过了50℃，系统通过以MOS 管搭建的电路限制流经电池的电路的电流，温度越高主控芯片对其所在的电流通路的电流限制越高，当温度超过上限阈值系统将会直接切断通过电流并产生声光报警并通过SIM 模块向用户发送异常报警信息提醒用户进行设备检查。

■3.2 手机APP 设计

App Inventor 是一款完全在线图形化的手机APP 开发网站，这款在线手机APP 开发网站极大程度便捷了开发人员和初学者。程序编写只需要把对应的代码块拼接到一起即可完成程序的编写，不需要花太多的时间去学习和钻研这个程序如何编写。本设计通过在该网站开发手机APP的页面和程序编写，第一步是先把通讯接口配置为WiFi 模式，第二步配置屏幕的水平布局，然后把对应的按钮、标签和输入文本框拖到前面配置好的水平布局中，根据项目需求修改标签名字和按钮名字即可完成手机APP的页面布局。最后一步就是编程，该程序最核心的地方就是和下位机进行通信及如何将下位机发送过来的大量数据显示到手机APP 上。程序编写比较简单就是把对应的代码板块按照本设计工作的逻辑依次拼接到一起即可。本设计采用该网站开发了一款智能分配光伏电源管理平台APP，方便用户实时查看光伏电源管理系统的各项数据。手机APP 页面设计如图7所示。

图7 手机APP页面设计

4 系统测试

用户进入手机APP 连接好WiFi 后可直观地看到，光伏板的电压和电流、蓄电池的电压、电流、温度和当前系统是否已经联网等信息，同时用户可以在管理后台查看充电数据和自主设定电池温度的上下限阈值等操作，这款手机APP的数据会根据光伏电源管理系统的变化实时刷新。手机APP 测试效果图如图8所示。

图8 手机APP 测试效果图

5 结语

本文详细介绍了联网监控智能分配光伏电源管理系统，该设计体积小巧，支持多种光伏板的接入方式，并且支持连接互联网，以实现用户对光伏发电系统的实时监控，系统会根据所收集到的信息进行风险事件预警。采用温度传感器实时检测设备温度以及元器件发热情况，保证系统的安全运行。延长系统使用寿命以及保证系统的安全性。由此让使用光伏发电家庭更加安全、便捷地管理光伏发电系统。