摘 要: 提出了基于STM32和LabVIEW的光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法。以STM32作為數據采集器的核心，對系統(tǒng)的光伏板側溫度、光強以及控制器和逆變器的電壓、電流等數據進行采集,并通過RS-232總線將其送到PC中。在上位機利用LabVIEW搭建虛擬監(jiān)測平臺，能實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，便于系統(tǒng)的管理和故障排查。
關鍵詞： 光伏監(jiān)測； STM32； LabVIEW
太陽能作為一種非常重要的可再生能源受到廣泛關注，光伏發(fā)電是目前利用太陽能最直接的一種方式[1-2]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心主要有太陽能板、控制器和逆變器。對系統(tǒng)核心部件進行實時監(jiān)測，采集系統(tǒng)運行的動態(tài)數據，不僅能夠確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行[3]，而且還可通過對數據的處理和分析，以進一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能[4]。
本文以STM32為核心設計了一個光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測裝置，能自動采集光伏系統(tǒng)中光伏板的環(huán)境溫度與光強、控制器側直流電壓與電流以及逆變器側交流電壓、電流、相位和頻率等信息。該裝置將數據A/D轉換后通過RS-232總線送至上位機。上位機的LabVIEW虛擬檢測平臺集數據管理、數據采集、數據分析等功能于一體，能夠對光伏系統(tǒng)的數據進行處理分析。
1 系統(tǒng)總體設計
該系統(tǒng)分硬件采集裝置和上位機管理平臺兩部分。硬件采集裝置包括光強檢測模塊、溫度檢測模塊、電壓電流檢測模塊、STM32核心系統(tǒng)以及液晶顯示模塊等；上位機管理平臺采用虛擬儀器軟件LabVIEW來設計，包括數據管理模塊、數據采集模塊、數據分析模塊、輔助模塊等。系統(tǒng)的整體結構框圖如圖1所示。
2 硬件設計
2.1 直流側電壓、電流測量
由于直流側電壓電流較小，因此采用采樣電阻結合運算放大器的方法監(jiān)測其電流。為盡量減小溫漂，采樣電阻選擇精度較高的康銅電阻。利用兩級差分比例運放并加以電壓跟隨器進行阻抗匹配，使其對被測電路的影響降到最低。電流的測量直接采用電阻分壓法。
2.2 交流側電壓的幅度、相位測量
AD8302集幅度與相位的測量功能于一身，能夠簡化幅相檢測模塊的設計，同時也提高了系統(tǒng)的性能。基于AD8302的測量電路如圖2所示。AD8302的管腳VMAG和VPHS直接與芯片反饋設置輸入管腳MSET和PSET相連，其測量模式工作在默認的斜率和中心點上(精確幅度測量比例系數為30 mV/dB，精確相位測量比例系數為10 mV/°)。
2.3 光伏板光強、溫度測量
光伏板的能量輸出及光強與環(huán)境溫度密切相關，因而對光伏系統(tǒng)做精準的評估時必須精確、可靠地監(jiān)測光強、環(huán)境溫度以及組件溫度。光強模塊采用BH1750FVI數字型光強傳感器集成電路，其接近視覺靈敏度的光譜靈敏度與高分辨率可以檢測較大范圍的光強變化，同時內部集成有A/D可直接輸出對應強度數字值；溫度模塊選用DS18B20溫度傳感器，其適應電壓范圍寬，擁有獨特的單線接口方式，支持多點組網功能可以實現組網多點測溫，溫度分辨率可達到0.062 5℃，可在幾十毫秒內完成溫度信號到數字信號的轉換并將其以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。
2.4 STM32核心系統(tǒng)
STM32系列是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。本監(jiān)測系統(tǒng)選用其中性能較高的增強型STM32F103VET6作為核心器件，時鐘頻率可達72 MHz，具有一流的外設和優(yōu)異的實時性能，利用其內部豐富的功能模塊，無需外擴芯片即可對各模塊采集到的數據信號進行多通道模/數轉換，并可采用JTAG仿真器進行調試。
2.5 RS-232通訊模塊
由于本系統(tǒng)只需要完成短距離內的數據傳送，故選用了RS-232通信芯片MAX232，具體電路如圖3所示。C1~C4及其對應引腳構成電荷泵電路,產生12 V和-12 V電源滿足RS-232串口電平的需要。
3 軟件設計
3.1 嵌入式軟件
屏顯示程序4個主要部分。
主程序主要負責對系統(tǒng)時鐘、GPIO口、彩屏顯示、嵌套中斷的配置以及定時器、ADC和串行通信模塊的初始化。數據采集及處理程序中，由于STM32擁有著豐富的片上外設，STM32F103VET6內部集成有兩個A/D，共16個采樣通道，轉換速度達到1 ?滋s，所以設計采用了STM32自帶的A/D進行數據轉換。A/D采樣完成后會促發(fā)中斷，進而進入A/D中斷服務程序，進行數據的處理。串行通信程序則是通過RS-232總線將處理好的數據傳送給上位機。顯示模塊放棄了使用較普遍的12864液晶，而采用了基于ILI9341控制的彩屏，采用SPI接口與STM32進行通信。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。
3.2 上位機軟件
虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW與硬件緊密結合，具有強大的數據采集功能。作為基于數據流的圖形化編程語言，對數據的操作和計算簡單高效，并且提供了豐富的圖表顯示功能[5]，可將經過STM32集中處理后的光伏系統(tǒng)的參數進行實時存儲并繪制成歷史曲線直觀顯示，還可以利用LabVIEW的網絡功能進行網上發(fā)布，客戶端可以通過瀏覽器對系統(tǒng)進行在線監(jiān)測與維護。
本文將虛擬儀器技術應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的數據監(jiān)測中，借助于LabVIEW強大的軟件支持構建了一個完整的光伏監(jiān)測和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便地對光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電特性及周圍環(huán)境進行實時監(jiān)測，得到可靠的監(jiān)測數據。選擇適合該系統(tǒng)的各監(jiān)測器件并結合STM32與LabVIEW，所設計系統(tǒng)運行穩(wěn)定，界面友好，操作簡單方便，而且具有成本低、使用方便的特點，是一套通用的監(jiān)測系統(tǒng)，具有很好的應用前景。
參考文獻
[1] 張鉦浩,陳虹,靳召東.基于光伏電站數據采集與監(jiān)測儀表的設計[J].電測與儀表,2009,46(12):48-51.
[2] 張旭,亓學廣,李世光,等.基于STM32電力數據采集系統(tǒng)的設計[J].電子測量技術,2010,33(11):90-93.
[3] 朱士虎,王立巍.基于STC12C5408AD光伏并網發(fā)電系統(tǒng)設計[J].電測與儀表,2010,47(3):20-23.
[4] 吳蓉,李真真.太陽能光伏電池測試系統(tǒng)硬件電路設計[J].自動化與儀器儀表,2010(3):156-157.
[5] 謝標楷,沈輝,陳鳴.基于LabVIEW的光伏運行數據庫設計和應用[J].太陽能學報,2010,31(8):994-998.