基于STM32和LabVIEW的光伏发电监测系统的设计*

周红标,刘 艳,殷荣华,丁友威

(淮阴工学院 电子与电气工程学院，江苏 淮安223003)

太阳能作为一种非常重要的可再生能源受到广泛关注，光伏发电是目前利用太阳能最直接的一种方式[1-2]。光伏发电系统的核心主要有太阳能板、控制器和逆变器。对系统核心部件进行实时监测，采集系统运行的动态数据，不仅能够确保系统长期稳定运行[3]，而且还可通过对数据的处理和分析，以进一步优化系统的性能[4]。

本文以STM32为核心设计了一个光伏发电系统的监测装置，能自动采集光伏系统中光伏板的环境温度与光强、控制器侧直流电压与电流以及逆变器侧交流电压、电流、相位和频率等信息。该装置将数据A/D转换后通过RS-232总线送至上位机。上位机的LabVIEW虚拟检测平台集数据管理、数据采集、数据分析等功能于一体，能够对光伏系统的数据进行处理分析。

1 系统总体设计

该系统分硬件采集装置和上位机管理平台两部分。硬件采集装置包括光强检测模块、温度检测模块、电压电流检测模块、STM32核心系统以及液晶显示模块等；上位机管理平台采用虚拟仪器软件LabVIEW来设计，包括数据管理模块、数据采集模块、数据分析模块、辅助模块等。系统的整体结构框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 直流侧电压、电流测量

由于直流侧电压电流较小，因此采用采样电阻结合运算放大器的方法监测其电流。为尽量减小温漂，采样电阻选择精度较高的康铜电阻。利用两级差分比例运放并加以电压跟随器进行阻抗匹配，使其对被测电路的影响降到最低。电流的测量直接采用电阻分压法。

2.2 交流侧电压的幅度、相位测量

AD8302集幅度与相位的测量功能于一身，能够简化幅相检测模块的设计，同时也提高了系统的性能。基于AD8302的测量电路如图2所示。AD8302的管脚VMAG和VPHS直接与芯片反馈设置输入管脚MSET和PSET相连，其测量模式工作在默认的斜率和中心点上(精确幅度测量比例系数为30 mV/dB，精确相位测量比例系数为 10 mV/°)。

在低频条件下,对幅度和相位进行测量的方程式如下：

在幅度测量方程中,RFLSLP代表的斜率为600 mV/°或30 mV/dB,在中心点900 mV处,其增益为0 dB,-30 dB～30 dB的增益范围对应于0 V～1.8 V的输出电压范围；而在相位测量方程中，RFIΦ代表的斜率为 10 mV/°,中心点 900 mV所对应的相位为 90°,0°～180°的相位范围对应于1.8 V～0 V的输出电压范围。

2.3 光伏板光强、温度测量

光伏板的能量输出及光强与环境温度密切相关，因而对光伏系统做精准的评估时必须精确、可靠地监测光强、环境温度以及组件温度。光强模块采用BH1750FVI数字型光强传感器集成电路，其接近视觉灵敏度的光谱灵敏度与高分辨率可以检测较大范围的光强变化，同时内部集成有A/D可直接输出对应强度数字值；温度模块选用DS18B20温度传感器，其适应电压范围宽，拥有独特的单线接口方式，支持多点组网功能可以实现组网多点测温，温度分辨率可达到 0.062 5℃，可在几十毫秒内完成温度信号到数字信号的转换并将其以 “一线总线”串行传送给CPU，同时可传送 CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

2.4 STM32核心系统

STM32系列是基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。本监测系统选用其中性能较高的增强型STM32F103VET6作为核心器件，时钟频率可达72 MHz，具有一流的外设和优异的实时性能，利用其内部丰富的功能模块，无需外扩芯片即可对各模块采集到的数据信号进行多通道模/数转换，并可采用JTAG仿真器进行调试。

2.5 RS-232通讯模块

由于本系统只需要完成短距离内的数据传送，故选用了RS-232通信芯片MAX232，具体电路如图3所示。C1～C4及其对应引脚构成电荷泵电路,产生12 V和-12 V电源满足RS-232串口电平的需要。

3 软件设计

3.1 嵌入式软件

本系统采用的开发平台为经典的Keil4。应用程序包括主程序、数据采集及处理程序、串行通信程序、彩屏显示程序4个主要部分。

主程序主要负责对系统时钟、GPIO口、彩屏显示、嵌套中断的配置以及定时器、ADC和串行通信模块的初始化。数据采集及处理程序中，由于STM32拥有着丰富的片上外设，STM32F103VET6内部集成有两个A/D，共 16个采样通道，转换速度达到 1 μs，所以设计采用了STM32自带的A/D进行数据转换。A/D采样完成后会促发中断，进而进入A/D中断服务程序，进行数据的处理。串行通信程序则是通过RS-232总线将处理好的数据传送给上位机。显示模块放弃了使用较普遍的12864液晶，而采用了基于ILI9341控制的彩屏，采用SPI接口与STM32进行通信。系统的主程序流程图如图4所示。

3.2 上位机软件

虚拟仪器开发平台LabVIEW与硬件紧密结合，具有强大的数据采集功能。作为基于数据流的图形化编程语言，对数据的操作和计算简单高效，并且提供了丰富的图表显示功能[5]，可将经过STM32集中处理后的光伏系统的参数进行实时存储并绘制成历史曲线直观显示，还可以利用LabVIEW的网络功能进行网上发布，客户端可以通过浏览器对系统进行在线监测与维护。

图4 主程序流程图

本文将虚拟仪器技术应用于光伏发电系统的数据监测中，借助于LabVIEW强大的软件支持构建了一个完整的光伏监测和分析系统。该系统可以方便地对光伏发电系统的发电特性及周围环境进行实时监测，得到可靠的监测数据。选择适合该系统的各监测器件并结合STM32与 LabVIEW，所设计系统运行稳定，界面友好，操作简单方便，而且具有成本低、使用方便的特点，是一套通用的监测系统，具有很好的应用前景。

[1]张钲浩,陈虹,靳召东.基于光伏电站数据采集与监测仪表的设计[J].电测与仪表,2009,46(12)：48-51.

[2]张旭,亓学广,李世光,等.基于 STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术,2010,33(11)：90-93.

[3]朱士虎,王立巍.基于STC12C5408AD光伏并网发电系统设 计[J].电 测 与 仪 表,2010,47(3)：20-23.

[4]吴蓉,李真真.太阳能光伏电池测试系统硬件电路设计[J].自动化与仪器仪表,2010(3)：156-157.

[5]谢标楷,沈辉,陈鸣.基于LabVIEW 的光伏运行数据库设计和应用[J].太阳能学报,2010,31(8)：994-998.