基于单片机的光伏检测设计

金 磊，吴红梅，谢华北，张正超

（西藏农牧学院 西藏土木水利电力工程技术研究中心重点实验室，西藏 林芝 860000）

近几年，全世界的分布式发电产业发展越来越快，其中太阳能发电成为清洁能源发电的一个热门；由于太阳能发电不仅环保，而且属于可再生能源，能有效缓解能源危机问题，同时安装不受地理位置限制，规模大小可随意调整，像西藏、新疆等地有着天然的地理位置对光伏发电提供很好的建立条件，可以建立很多示范工程，太阳能发电给人们的生活带来各种各样的便捷，有很好的经济效益，既可以独立地对某一地区的人们进行生活供电，也可以并入电网把多余电能提供给大电网产生经济效益，提高电能质量；新能源的利用，有效减少碳排放量，减小温室效应,为各个国家带来长足的发展[1]。尤其是太阳能发电产业大大减少我国火力发电对煤炭的使用，进而使得环境能得到有效改善，减少对环境的污染。此外，随着各国对不可再生能源的需求量变得越来越大，人类必须要开发一些如太阳能和风能等新能源，我国要加大力度研究新能源发电技术，其中光伏发电有很大的应用前景，很多专家指出太阳能发电技术成为现今社会极其重要的新能源发电技术[2]。研究人员要把握住机遇大力发展太阳能产业。

我国光伏发电技术发展十分迅速，要加大力度对光伏电池板进行研究和对电池板发电效率的关注，特别是发电参数检测研究方面[3]。光伏发电是太阳能利用的主要形式之一，光伏电池板的生产是光伏产业的重要一环，所以需要对光伏电池板的维护[4]。由于我国微电网技术的发展需求，一个完整的分布式发电系统，尤其是光伏发电系统需要微电网技术保证光伏系统稳定运行，输出合格的电能，微电网技术中的监测技术是整个微网系统的重要一环，监测技术能及时地把分布式电源的信息如输出电压、电流等信息上传到网络，使得工作人员及时得到反馈的信息对电源进行维护修理，微电网监测技术同时涉及通信技术和光伏检测技术，本文着重研究监测技术中针对太阳能电池板发电输出的电压电流信号的检测。同时微电网发电系统尤其是光伏作为分布式电源，其存在各种各样的问题，发电具有随机性和波动性，输出电能效率不高，也更加无法实现实时检测，出现问题无法及时修理，因此必须发展检测技术应对光伏发电技术的这些缺点[5-6]。

1 单片机

随着科技的发展，人们的生活越来越趋向于智能化，工业生产能力也更加依赖于智能化，其中人工智能领域、航空航天领域、电器生产方面和电力工业等都非常需要应用自动控制技术。而单片机技术就是应用非常广泛的自动控制技术之一，单片机如图1所示。

图1 单片机

日常生活中，智能屏幕的人脸识别功能中含有单片机技术，土壤的温湿度检测、光伏的自动追光装置和光伏输出电压的检测中都应用了单片机，其可以连接各种各样的硬件，使得各个功能能够很好地配合运行。单片机内部可编程，涉及到利用语言实现人机交互，例如光伏物联网检测系统，通过编程语言实现对模拟信号的计算与处理，然后通过通信技术将所检测到的数据传输到远程电脑当中实现人工远程操作即人机交互的实现；语音识别烟雾分别是通过语音传输和烟雾传感器（图2）传输到单片机中，利用所编程语言对信号进行分析处理，最终会得到机器人的语音识别显示文字和烟雾识别警示如图3所示。以往的计算机过于庞大导致应用成本大，并且设计不方便，而单片机作为单片微型计算机，具有设计硬件电路方便、消耗电能小、反应迅速等许多优点。单片机是一个芯片的集成，其芯片内部集成了CPU、ROM和A/D转换等应用模块，而STC12C5A60S2是一种稳定的单片机种类，价格便宜且能对数据很好地分析处理，较好地接受电流电压信号并对信号处理输出准确的信号值[7]。

图2 烟雾传感器

图3 单片机的烟雾警报应用

该设计所使用的STC12C5A60S2系列单片机是由STC公司生产的增强型8051单片机，速度比普通的8051快6～12倍，具有低功耗，性能稳定，响应速度快，程序存储空间大等优点[8]。这使得整个光伏检测系统的性能有很大提升，得出的数据会变得更为准确。

2 显示模块

USART-HMI显示模块可自行发光，即使逆光也不受影响，屏幕文字和数字信号显示清晰，亮度适宜，处理信号及接受信号能力强，能清晰地显示电压和电流文字及其数值，散热能力强，携带方便，有较好的应用效果[9]。同时此屏幕的接受信号能力很强，存储空间大，反应灵敏迅速，本设计主要显示的是光伏板输出电压电流信号和蓄电池输出电压电流信号，W代表功率单位，A代表电流单位，U代表电压单位，在屏幕上一目了然。

在USART-HMI上可以观察到电压电流数据会不断地实时更新，方便使用者能够清晰观察到光伏电路输出的电流数据变化[10]，如图4所示。

图4 显示模块

3 软件开发

软件开发采用Keil软件C语言编写程序代码，使用Keil软件完成源程序代码的调试及编译，主要含主程序、电压电流检测子程序及显示子程序等，首先对各个端口和显示屏进行初始化，从光伏电池板输出的电压电流信号和蓄电池输出端的电压电流信号通过单片机的输入接口进入内部所设置的软件程序，把电信号转换成数字信号并且计算出输出的电流电压值，通过输出接口在显示屏中就可以很方便地观察所需数据[11-13]。程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

部分程序如下：

4 检测电路设计

太阳能发电量和发电效率很大程度取决于光照强度，但是光照强度由于阴雨天气、温度等因素的影响，光伏电池板的输出电能质量会受到一定程度的影响。当需要对光伏电池板输出电能质量进行查验，减少携带检测装置的麻烦，能更加方便检测发电设备的运行状况，设计一套检测系统来进行实时检测。本系统应用包括硬件和软件2部分[14]。通过使用100 W的光伏电池板作为被检测电源，蓄电池容量20 Ah为硬件电路提供电能，测试负载使用电机来进行测试。检测系统运行原理如下。

首先利用光伏电池板将光能转换为电能为整个系统供电，铅酸蓄电池作为整个光伏系统的储能器件给其他检测模块供电，负载使用有刷电机消耗电能形成完整回路。

其次使用STC12C5A60S2单片机作为控制电路的核心，对所接受的信号进行处理，还配备开关按键复位电路。其中电压采集信号通过霍尔电流传感器，然后流经采样电阻转换成电压信号传输进入单片机进行信号处理把模拟信号准换成数字信号。

最终通过输出端接口将光伏电池板检测出的电压和电流信号输入显示屏当中，可以观测到显示屏中光伏输出电压13.5 V，电池电压13.4 V。光伏检测系设计流程如图6所示，硬件实物如图7所示。

图6 光伏检测设计

图7 硬件实物设计

5 结束语

本系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制芯片，同时在单片机内部设计A/D转换模块用以检测电流电压信号，比较以往在单片机外部所用的A/D模块更为方便，反应更加灵敏迅速，优化了硬件电路设计。选择Keil软件进行编程含有电压电流检测程序和显示程序，显示程序最终把所检测的电压电流数据进行采集，并输送到显示屏中。最终设计并搭建出硬件设施对光伏电池的电压电流进行检测，具有一定的实用价值。与此同时，通过把光伏检测技术与互联网技术相结合，把通信技术与硬件单片机技术结合，并应用在电能质量检测上，可方便人员及时观测，如若发现问题可以迅速让有关人员维修，能大大提高用电的可靠性，这是一个研究的热点。所以光伏检测技术的研究与设计为未来的能源与网络互联打下坚实基础，具有很大发展潜力与价值。