基于AVR單片機(jī)的太陽能發(fā)電量檢測裝置的設(shè)計(jì)

摘要：發(fā)電量檢測是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。本文設(shè)計(jì)了一種精度更高，功耗、成本更低的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為控制器，避免了數(shù)模轉(zhuǎn)換器等引起的能量消耗并最大程度地簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)引入了霍爾電流傳感器，可以幾乎無損耗地將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：太陽能發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)，太陽能發(fā)電量能夠?qū)崟r(shí)顯示在顯示屏上，且誤差率不超過5%。

太陽能的利用已經(jīng)成為化解能源危機(jī)的一條途徑。因而，國內(nèi)外的相關(guān)科研、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)部門都在積極致力于太陽能相關(guān)設(shè)備的研究和開發(fā)，并取得了相當(dāng)?shù)某删团c發(fā)展。如高層建筑的太陽能與建筑的一體化可以滿足生活熱水、制冷、采暖需求;太陽能電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排;太陽能在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用如太陽能施肥-噴藥-體機(jī)不僅環(huán)保，還解決了農(nóng)村地區(qū)交通不便等問題。目前，太陽能源的利用主要分為：太陽能發(fā)電和蓄能。太陽能發(fā)電是新興的可再生能源技術(shù)，目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化作用的主要是太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱發(fā)電。太陽能蓄能除了利用蓄電池存儲(chǔ)電能之外，還可以利用太陽能直接加熱冷水供給需用熱水用戶，這是我們都熟知的一項(xiàng)太陽能利用途徑，現(xiàn)在樓宇建筑中集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)中很多都采用了太陽能熱水系統(tǒng)和技術(shù);還可以將太陽能產(chǎn)生的多余電能引水上山，把低處水庫的引上高處的水庫，將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能，在需用電能的時(shí)候，再將勢能通過水利發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化成電能。太陽能發(fā)電是最直接的途徑，但是由于太陽能電池板的轉(zhuǎn)化效率比較低，目前砷化鎵太陽能電池理論上能達(dá)到28.8%，而一般太陽能電池轉(zhuǎn)化率僅在20%左右。因而，太陽能發(fā)電系統(tǒng)又有新的研究進(jìn)展。如目前研究利用聚焦的太陽能加熱工質(zhì)水，將水加熱為蒸汽，在推動(dòng)汽輪機(jī)時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

太陽能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是：1)能源可再生;2)真正低碳清潔能源;3)不受資源分布地域的限制。為此，結(jié)合目前情況我們提出了一種適用于小辦公區(qū)域或別墅使用的小用戶太陽能發(fā)電及配電系統(tǒng)，其主要目的是根據(jù)太陽能發(fā)電量實(shí)現(xiàn)家用電器按優(yōu)先級(jí)別自主完成設(shè)定的工作，然后將電能轉(zhuǎn)換成熱能和空氣能儲(chǔ)備，最大可能的實(shí)現(xiàn)太陽能利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電與市電互相切換，以避免太陽能發(fā)電不足時(shí)保證區(qū)域的正常用電。該小用戶太陽能發(fā)電及配電系統(tǒng)包括：太陽能電池板、發(fā)電量檢測、蓄電池組、逆變器和保護(hù)電路等等，其中發(fā)電量檢測是關(guān)鍵部分，它提供整個(gè)太陽能發(fā)電量的信息，是整個(gè)系統(tǒng)可靠工作的基礎(chǔ)，因此系統(tǒng)的要求是準(zhǔn)確檢測、工作可靠。

1 太陽能發(fā)電量檢測裝置

1.1 太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)

目前，有人提出基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)，此系統(tǒng)分為3部分：傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、主控節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且用戶和工作人員可以很方便的通過3G或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行查詢，為分析、控制和設(shè)計(jì)、改善發(fā)電系統(tǒng)的性能提供依據(jù)。但是，此系統(tǒng)工程造價(jià)昂貴，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，并不適合小用戶太陽能發(fā)電系統(tǒng)。而現(xiàn)在普遍流行的是一種以AT89S52單片機(jī)為控制器的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)，這個(gè)裝置系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、免維護(hù)、耗電量小而且能夠有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控太陽能電池的發(fā)電量，這不失為一個(gè)比較優(yōu)良的檢測系統(tǒng)，但是由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以加入了A/D轉(zhuǎn)換器等模塊，而A/D等模塊的驅(qū)動(dòng)也需要能源，這在無形中也會(huì)造成不必要的能源消耗。結(jié)合這些系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)一套基于AVR單片機(jī)的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)的思路。與前面的發(fā)電量檢測系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)簡單方便，工程造價(jià)比較低，準(zhǔn)確性也比較高，能廣泛適用于小用戶太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

1.2 太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的主要功能是：以AVR單片機(jī)為控制器，對(duì)太陽能電池發(fā)電量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)地顯示在液晶顯示屏上。一般，獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件、充電控制器(內(nèi)含MPPT模塊)、顯示模塊，電壓衰減模塊，電壓放大模塊，蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。我們的設(shè)計(jì)構(gòu)思如圖1?？傠娐钒ㄌ柲茈姵匕澹妷核p電路，電壓放大電路，霍爾電流傳感器，光合太陽能充電控制器，LCD1602顯示器，以及AVR單片機(jī)。

1.2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

為了便于前期的檢測本系統(tǒng)，可以采用雙電源：220 V轉(zhuǎn)5V電源和蓄電池經(jīng)穩(wěn)壓變壓電源。1)220 V轉(zhuǎn)5 V電源，通常外接電源電壓不穩(wěn)定需要經(jīng)過濾波穩(wěn)壓后才能供給單片機(jī)，使之能更加可靠地運(yùn)行。2)蓄電池電源，本系統(tǒng)是長期使用并且獨(dú)立發(fā)電的，而十電池壽命有限，所以長期工作狀態(tài)中不宜用于電池供電，系統(tǒng)內(nèi)部的蓄電池供電為最佳選擇。在設(shè)計(jì)中單片機(jī)和LCD1602需要+5 V電壓，霍爾電流傳感器需要±15 V電壓。設(shè)計(jì)中采用7805，7815，7915三端穩(wěn)壓集成電路來分別提供+5 V，+15 V和-15 V電壓。

1.2.2 單片機(jī)電路

ATmega32單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega32的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以再一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。

1.2.3 I/V轉(zhuǎn)換模塊和V/V轉(zhuǎn)換模塊

單片機(jī)只能處理0～5 V的電壓信號(hào)，所以需要將太陽能電池板或蓄電池所釋放的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。太陽能電池板的輸出電壓規(guī)格是0～20 V，電流為0～5 A，因此必須將電流值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。此電路包括霍爾電流傳感器，電阻以及集成運(yùn)算放大器OP07。霍爾電流傳感器是此轉(zhuǎn)換電路的核心，功率計(jì)要求在盡可能不影響電池板電能輸出的情況下才能檢測其功率，所以I/V轉(zhuǎn)換的功耗要盡可能的低，電路中采用的是TBC10SY型霍爾電流傳感器，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，在消耗相當(dāng)少電能的情況下將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。TBC 10SY雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器的初、次級(jí)之間是絕緣的，具有超強(qiáng)抗干擾能力;用于測量直流、交流和脈動(dòng)電流。當(dāng)待測電流從傳感器穿過，即可在輸出端測得電壓大小。I/V轉(zhuǎn)換電路如圖2。

雖然霍爾電流傳感器能夠無損耗的轉(zhuǎn)換電流電壓，但太陽能電池板輸出電流較小且經(jīng)過霍爾電流傳感器之后輸出電壓僅為幾十毫伏，很難測準(zhǔn)，所以要經(jīng)過OP07集成運(yùn)算放大器來放大。OP07芯片是一種低噪聲非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。因?yàn)镺P07具有較低的輸入失調(diào)電壓(對(duì)于OP07A最大25μV)，所以O(shè)P07在很多場合不需要額外的調(diào)零動(dòng)作。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低(OP07A為±2 nA)與開環(huán)增益高(對(duì)于OP07A為300V/mV)等特點(diǎn)，這種低失調(diào)，高開環(huán)增益的特性，這使得OP07特別適合用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。正反饋放大電路如圖3。

因?yàn)閷?shí)時(shí)功率的測量需要同時(shí)采集到電壓值和電流值。而太陽能電池板電壓為0～22 V，以及單片機(jī)的處理電壓均為0～5 V。所以太陽能電池板和蓄電池的輸出電壓以及電流經(jīng)過霍爾電流傳感器按比例轉(zhuǎn)換得出電壓值必須要衰減或放大到0～5 V。根據(jù)電壓電阻之間的線性關(guān)系，將0～14 A按比例轉(zhuǎn)換為0～5 V，電壓0～20V按比例轉(zhuǎn)換為0～5V。衰減電路如圖4。

1.2.4 LCD1602顯示電路

本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示屏顯示，其具有體積小、功耗低、界面大方等優(yōu)點(diǎn)，這里使用YB1602液晶屏，1602顯示模塊用點(diǎn)陣圖形顯示字符，顯示模式分為2行16個(gè)字符。

1.2.5 充電控制器

由于在工作時(shí)，隨著光照溫度等因素不斷變化，必然會(huì)導(dǎo)致端電壓急劇變化。此時(shí)就需要充電控制器了。充電控制器，一方面能夠延長蓄電池的使用壽命，另一方面在充電過程中還能減少損耗，保護(hù)蓄電池充電過量造成損害。系統(tǒng)采用以MPPT控制器為核心的充電控制電路。

1.2.6 發(fā)電量檢測軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括：LCD1602顯示程序，AD轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)主程序。

由此可知，工作原理為：太陽能電池板接受光照時(shí)產(chǎn)生電壓和電流信號(hào)，通過太陽能充電控制器對(duì)蓄電池充電，蓄電池經(jīng)過穩(wěn)壓電路位單片機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓，電池板產(chǎn)生的電壓和電流分別經(jīng)過V/V、I/V轉(zhuǎn)換電路并衰減或放大使其電壓不超過5 V，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部處理將功率值實(shí)時(shí)顯示在LCD1602液晶屏上。

1.3 系統(tǒng)的調(diào)試

1.3.1 性能要求

1)電量檢測裝置能夠測量0.5～999.0 W的功率且平均誤差率<5%。

2)太陽能電池板規(guī)格：最大功率160 W;最大輸出電壓22V;最大輸出電流6A。

3)蓄電池規(guī)格：型號(hào)6-DZ-12;額定電壓12 V;額定容量12 Ah。

1.3.2 軟硬件設(shè)置

電量測量電路中太陽能電池電壓衰減倍數(shù)為1/4.5，霍爾電流傳感器輸入電流與輸出電壓比為4，電壓放大電路放大倍數(shù)為4。

2 太陽能發(fā)電量檢測裝置的系統(tǒng)測試

太陽能電池板在太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電力電子裝置的實(shí)驗(yàn)室研究中扮演了相當(dāng)重要的角色。但是當(dāng)日照強(qiáng)度很低或者夜晚的時(shí)候，太陽能電池陣列失去了輸出功率。這時(shí)，研究工作就受到了外界條件的限制，我們可以通過模擬太陽能電池的方法來解決這個(gè)問題。

整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際檢驗(yàn)需要在特定的條件下才能進(jìn)行，太陽能電池的工作效能與光強(qiáng)，外界環(huán)境溫度，陽光照射角度，陽光的光譜分布等因素有關(guān)。所以測量太陽能電池的輸出功率必須按照IEC TC-82的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)為：AM(air-mass大氣質(zhì)量)=1.5，光的輸入功率=1 000W/m2，測試溫度為25℃

由于條件限制，在實(shí)驗(yàn)室情況下，采用電壓源電流源模擬太陽能電池測得數(shù)據(jù)如圖6。

如圖所示，實(shí)際值越小測量值的誤差越大，比如輸出電壓為3 V時(shí)，實(shí)際值與測量值的誤差達(dá)到了77%，當(dāng)輸出電壓為6 V時(shí)，實(shí)際值與測量值的誤差達(dá)到了44%，但是當(dāng)實(shí)際功率超過6 W的時(shí)候，誤差率就不超過5%了。實(shí)際中，太陽能電池的有效工作時(shí)的發(fā)電功率在120 W左右，所以系統(tǒng)能很好的完成太陽能發(fā)電量的檢測。

整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試均是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，用實(shí)驗(yàn)室電源模擬太陽能電池，雖然不能很好的表現(xiàn)出太陽能電池的原始性能，且有些特征表現(xiàn)的也過于理想化，所以會(huì)有很大的局限性。但設(shè)計(jì)的重點(diǎn)不在于測量太陽能電池板的性能，而是要檢驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行功率檢測的精確度，因此是能夠反應(yīng)設(shè)計(jì)效果的。從測量結(jié)果來看發(fā)電量檢測達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)論

文中提出并設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的太陽能發(fā)電量檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)⑺鶞y得值實(shí)時(shí)顯示在液晶屏幕上。由實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果分析可知，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，能夠?qū)崟r(shí)并精確地顯示太陽能發(fā)電量以及用電器用電量，可以為調(diào)配電力提供有力的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)還減少了一些不必要的能量消耗，這對(duì)于太陽能最大程度化的利用具有較重大意義。而且此系統(tǒng)裝置器件壽命較長，耐用可靠，并且具有通用性，還可以靈活應(yīng)用于其他數(shù)據(jù)采集的工程領(lǐng)域。