基于MSP430单片机的太阳光辐照测量系统设计

摆存曦,任勇,董安有,张迪,葛益娴

基于MSP430单片机的太阳光辐照测量系统设计

摆存曦1,任勇1,董安有2,张迪1,葛益娴3*

1. 国网宁夏电力科学研究院, 宁夏 银川 750002 2. 国网宁夏电力有限公司, 宁夏 银川 750002 3. 南京信息工程大学, 江苏 南京 210044

本文设计了一种基于MSP430单片机的太阳辐照测量系统。系统以MSP430单片机为硬件核心控制器，采用硅光电池将光照度转换为电流，经过电流-电压转换放大电路，实现微电流转换放大，使用MSP430自带的12位A/D转换器进行处理，并且通过NRF905无线收发模块实现数据无线传输。利用麦夸特(Levenberg-Marquardt)算法对测试数据进行拟合，结果表明，该系统使用灵活、功耗低、电路简洁，LM算法拟合后的数据更接近标准数据，对于合理有效地利用太阳能具有重要的意义。

辐照测量; 单片机; 系统设计

能源是人类发展的物质基础，同时，也是人类文明发展的基础。随着社会经济高速发展，人类对能源需求将不断扩大，太阳光伏能源以其暂无枯竭、低耗污染、安全可靠等有点，逐渐成为我国近年来能源供给的重要方式[1-2]。2017年我国装机容量为53.06 GW，累计装机已达达到130.25 GW，新增和累计装机容量均为世界第一。全年光伏发电总量为1182亿KWh，占我国全年总发电量的1.8%[3]。

随着建站、运营工作的不断增强，如何科学、合理的利用太阳能将成为今后光伏电站建设发展的重要问题，其中太阳辐照强度将建站选址的重要参考指标[4-6]。本文以16位单片机MSP430为硬件核心控制器，采用硅光电池将光照度转换为电流，并经过放大、A/D转换、处理、传输实现测量结果展现。数据分析过程中利用麦夸特(Levenberg-Marquardt)算法对测试数据进行拟合，结果表明，该系统使用灵活、功耗低、电路简洁。

1 系统总体方案设计

LM算法拟合后的数据更接近标准数据，对于合理有效地利用太阳能具有重要的意义。本设计以MSP430系列单片机F149为核心控制器[7]，利用光电传感器件，将太阳光照度转换为方便测量和读取的电信号量，通过理论分析，得出电信号量和太阳光辐照度之间的转换关系式。系统总体设计方案如图1所示：光电传感器模块采集光照度量，经过放大、滤波模块，利用MSP430自带的A/D转换进行处理，并且通过LCD显示模块显示以及无线通信模块实现无线传输。

图1 系统设计框图

图2 微电流转换放大电路

2 系统硬件电路设计

2.1 光电传感器模块

为了满足太阳光光谱的响应范围，保证光电探测器的短路电流和入射光照度成线性关系，本系统设计的光电传感器模块采用滨松公司生产的PD638C系列的硅光电池，该传感器响应时间快，灵敏度高。

2.2 前置放大模块

光电传感器的作用是将光信号转化为电信号，但得到的电流信号噪声大且无法直接测量，需将其送入前置放大器进行预处理。前置放大电路的作用是将转变的电信号进行适当放大和处理，并尽量降低噪声。为了防止因反馈电阻过高引起的电路的自激振荡，提高电路的稳定性，我们在反馈支路中添加滤波电容，提高电路的信噪比，为下级电路提供一个良好的待处理信号。

PD638C系列的硅光电池产生的光生电流很小，在弱光照射条件下产生的光生电流只有µA级，而放大器的偏置电流很容易对此光生电流造成影响，因此要选择偏置电流尽可能小的运放，按照要求要在nA或者fA级别。并且运放要满足较高共模抑制比，从而减小电路本身带来的噪声。结合上述要求，同时为了节约成本，本设计采用以动态自动校零原理为核心的芯片ICL7650[8]。该器件是一种高精度的电流型运算放大器，开环增益=130 dB，输入阻抗=1012 Ω，偏置电流为±0.5 pA，输入失调电压最大为50 µV，共模抑制比为130 dB。如图2所示微电流转换放大电路。

2.3 滤波电路模块

前置放大电路输出的信号仍含有许多噪声，需要在后面加上滤波调理电路。测量电路最后需要输出直流电压信号，因此滤波电路选用低通滤波器[9]，同时保证电路的稳定性。本文采用巴特沃斯二阶有源低通滤波电路，没有正反馈，具体电路如图3所示。

图 3 二阶低通滤波器

图 4 电源模块

图 5 主程序流程图

2.4 无线通信模块

为使数据的读取更加方便，本设计采用NRF905无线收发模块，该芯片特点是抗干扰能力强；传输速度高，可达50 kbps；最多可内设125频道，满足多点通信地址控制；功耗低，1.9~3.6伏工作电压，使用灵活，可以直接配合单片机进行工作，软件编程简易灵活。

2.5 电源模块

根据实际需要本装置需要在室外，因此，需要一个便携式的、稳定的电源进行供电。前置放大电路、滤波电路以及MSP430单片机需要的供电电压为±5 V，同时在电源的设计上考虑电压到电路板上需要采取适当的稳压或降压处理，采用330 μf、10 μf、100 μf电解电容以及0.1 μf瓷片电容实现电源的滤波稳压。LM7805和ICL7660组成的电源模块的的原理图如4所示，输出电压o=±5 V。

3 系统软件设计

本设计整体程序主要分成以下几个部分：模块初始化、A/D转换、数据处理、无线传送、液晶显示、数据拟合等。各部分工作通过主程序来协调完成。系统的主程序可以执行各个程序，完成数据初始化，使用定时器对其它模块程序的运行进行统一管理。其流程图如图5所示。

系统电路上电以后，首先完成系统初始化设置，然后响应A/D中断进行A/D转换，同时打开定时器中断，在定时器中断响应时进入相应的中断服务程序，完成后返回。

经过A/D转换和处理过后得到的数据存储在MSP430的ADC的数据寄存器ADC12MEMn里，这些数据是数字码，根据采样方式进行转换，模拟输入量Vin与ADC的关系如下式：

通过模拟电压Vin和光照度之间的关系来计算太阳光辐照度。假设前置放大器中的反馈电阻为Rf，滤波电路的放大倍数为Kp，传感器的响应度为S，则光照度功率P和模拟电压之间的关系为：

根据公式（2），系统测试得到的in可以求出传感器接收到的光功率。光功率和对应的辐照度值转换系数为，即=·。转换系数可以通过查表得到，在400~1100 nm范围内以1 nm为单位波长间隔，约为2.738，从而可以求得太阳辐照度=2.738×。的具体值由测量光谱范围和所取单位波长间隔的大小决定，所以对于不同的光源环境、不同的波长间隔所对应的的值也不相同。

4 系统测试与数据处理

4.1 系统测试

太阳光照射光电池产生微弱的电流，通过前置放大电路、滤波调理电路处理后送入单片机，然后经由单片机A/D转化平均值处理、数据转换，最终得到光辐照功率。系统测试装置如图6所示。

图 6 系统测试装置

4.2 数据处理

经过本文设计的测试系统测得的数据和真实值具有较大的偏差，需要进一步通过数据拟合的方式来减小误差，提高测量值的准确性。测试数据由本装置测量提供，实验室光谱射线模拟系统在相同条件下测得的数据作为真实数据。为了提高数据合理性、广泛性，每隔半小时测量一次，如图7所示，测试数据与真实数据之间存在着比较大的偏差。

麦夸特(Levenberg-Marquardt)算法是解决非线性问题的有效方法[10]，具有收敛快和逼近精度高的优点，本系统即采用该算法对系统测试的数据进行曲线拟合，用公式（3）进行拟合，拟合曲线如图8所示。

=+*+*2+*3+*4+*5(3)

其中，=5 146.109 428 012 33，=-74.627 662 992 080 3，=0.431 451 961 229 782，=-0.001 171 426 073 672 43，=1.519 363 848 283 9E-6，=-7.556 181 363 944 45E-10

经LM算法拟合过的数据与真实数据之间的关系如图9所示，从图9可以看出，两者之间误差很小，拟合算法得到的数据比较符合真实数据，有效的减少了系统硬件电路带来的误差。

图 7 测试数据与真实数据比较

图 8 LM算法拟合曲线

图 9 拟合数据与真实数据比较

5 结语

本文以MSP430系列单片机F149为核心控制器，利用光电传感器设计并实现了一套太阳光辐照度检测装置。通过系统软硬件的设计，使得本太阳光辐照度检测装置体积小巧、成本实惠而且功耗低。利用LM算法拟合，拟合算法得到的数据比较符合真实数据，有效的减少了系统硬件电路带来的误差。对于合理有效地利用太阳能具有重要的研究意义。

[1] 贾军,魏洁云.新能源产业技术网络的结构特征及其演变分析[J].情报杂志,2018,37(2):57-62

[2] 孔凡太,戴松元.我国太阳能光伏产业现状及未来展望[J].中国工程科学,2016,18(4):51-54

[3] 国家能源总局.2017年度新能源并网运行情况[Z].国家能源局在京召开例行新闻发布会,2018

[4] 唐明,胡勇,何霄鹏,等.大型并网光伏电站监控系统设计与实现[J].电气自动化,2015,37(3):49-51

[5] 张鑫.分布式光伏电站远程智能监控系统设计[J].现代电子技术,2017,40(4):172-175

[6] 修波,黄莉,牛进军,等.光伏电站远程监控系统的构建与发展[J].电脑知识与技术,2017,13(21):222-223

[7] 葛益娴,杨博,张加宏,等.基于MSP430单片机的低功耗智能轮胎监测系统设计[J].科学技术与工程,2013,13(16):4529-4533

[8] 郑培超,于斌,刘克铭,等.硅光二极管光电检测电路的研究与设计[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2013,25(4):484-488

[9] 林开司,张露,林开武.巴特沃斯低通滤波器优化设计与仿真研究[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2014,31(6):58-62

[10] 葛益娴,彭波,张鹏,等.基于ANSYS仿真的阳极键合薄膜型变量的研究[J].半导体光电,2017,38(2):212-215

Design for the Sunlight Irradiation Measurement System Based on MSP430 Microcontroller

BAI Cun-xi1, REN Yong1, DONG An-you2, ZHANG Di1, GE Yi-xian3*

1.750002,2.750002,3.210044,

A solar radiation measurement system based on MSP430 microcontroller is designed in this paper. This system uses the MSP430 microcontroller as the hardware core controller, and uses a silicon photocell to convert the illuminance into current. Through the current-voltage conversion amplifier circuit, the micro current conversion amplification is realized. The internal 12-bit A/D converter of MSP430 is adopted for processing. And through the NRF905 wireless transceiver module to achieve wireless data transmission. Levenberg-Marquardt algorithm is used to fit the test data. The results show that the system is flexible, low power consumption and simple circuit. The data fitted by the LM algorithm is closer to the standard data, which is of great significance for the rational and effective use of solar energy.

Irradiation measurement; microcontroller; systemic design

TN98-34; TP216

A

1000-2324(2019)04-0634-04

2018-06-18

2018-07-01

国家自然科学基金资助项目(61307061)

摆存曦(1976-),男,本科,高级工程师,主要研究方向:电力系统调控运行技术. E-mail:baicunxi@dky.nx.sgcc.com.cn

Author for correspondence. E-mail:geyixian820925@163.com