基于HCS08单片机的独立光伏系统测试平台

2014-03-22钟永彦邱爱兵

仪表技术与传感器 2014年10期

陈娟，钟永彦，邱爱兵

(南通大学电气工程学院，江苏南通 226019)

0 引言

太阳能储量巨大、清洁、不受地域限制，光伏电池是直接将太阳能转换成电能的装置，无论是从环境保护还是从能源战略上，光伏发电都具有重大意义，世界各国投入大量人力、物力和财力发展光伏技术[1]。尽管受到能量转换效率的瓶颈以及世界经济形势的影响，发展势头有所缓慢，但太阳能仍是国际公认的化石能源的理想替代能源。

太阳能光伏朝着并网化方向发展，但独立光伏系统现在仍有一定的市场，特别是在一些特殊领域供电有着不可替代的作用。光伏电池、蓄电池、逆变器性能影响独立光伏系统运行的稳定性和可靠性，系统最大功率跟踪(MPPT)很大程度上决定了独立光伏系统的效率，文中介绍一种独立光伏系统的测试平台，实现对光伏电池、蓄电池和逆变器性能测试并评估系统MPPT算法的效果。

1 总体方案

光伏系统测试平台设计的主要功能有：测试不同规格的光伏电池的输出特性、蓄电池充放电特性以及环境参数；要求能将测试数据实时显示并上传至上位机，利用上位机存储测试数据并对系统进行性能评价；系统具有自保护功能，对光伏电池反接、过流以及过载等异常情况能够瞬间断电。

根据功能要求，设计了测试平台总体框图，如图1所示。测试系统主要包括光伏电池、测控MCU、人机MCU、DC/DC模块、DC/AC模块以及上位机通信接口、交直流负载接口、蓄电池接口、环境参数传感器接口等。测试系统测量的参数有光伏电池的输出电压、电流(U1、I1)，蓄电池充电电压、电流(U2、I2)，蓄电池接直流负载和交流负载时输出电压、电流(U3、I3和U4、I4)，以及温度和光强等环境参数。

图1 测试平台设计总体方案

测试平台采用双CPU系统，其中测控MCU用于检测各类模拟量信号以及与上位机通信，人机MCU用于LCD显示以及参数设置。测控MCU选用FREESCALE HCS08系列中EMC电磁兼容抗干扰型单片机MC9S08AW60，该芯片基于高性能HCS08核，具有16通道A/D、10位模数转换器、双串口[2]；人机MCU选用AT89S52，其与测控MCU之间通过串口传输数据。

上位监控软件采用组态王6．53设计，选用其作为开发工具主要原因是开发周期短、运行可靠、支持设备丰富且性价比高。组态王通过上位机的串口与测试平台相连，组态王接收测控MCU发送到测量信息数据帧，进行数据帧解析、显示相关测量信息、存储部分测量参数并计算分析系统性能。

2 系统硬件设计

2．1电压、电流检测

为了保证测量精度和可靠性，系统选用宇波模块检测电压和电流，宇波模块根据霍尔原理制成，采用磁平衡工作方式。霍尔电流电压传感器模块具有体积小、外围电路简单、精度高、线性度好、动态特性好和电磁隔离等优点。表1列出了系统中被测电压、电流的测量范围以及对应的传感器选型和输出特性。

表1 测试平台传感器主要特性

由表1可知，除了CHB-25NP的输出信号为电流信号，其余模块的输出均为0～5 V，可直接与MCU的ADC管脚相连。对CHB-25NP输出端与地之间串联200 Ω的精密电阻，则0～24 mA的电流输出转化为0～4．8 V电压输出，可以与测控MCU的ADC管脚相连，如图2所示。

图2 CHB-25NP模块输出转换电路

2．2环境参数检测

光伏电池的变换效率与环境温度和光照强度有很大关系，测试平台对光照强度和环境温度进行检测。检测光照强度选用光强传感器芯片TSL2561；温度传感器选用单总线温度传感器DS18B20。

TSL2561为低功耗、高速、可编程光强传感器，对其访问要求遵循SMBus或IIC协议，因此要求MCU具有SMBus或IIC协议功能即可[3]。系统中MCU通过IIC总线访问TSL2561，通过时钟线和数据线直接与TSL2561的4脚和6脚连接，当光强度超过用户编程设置的上限或下限值，TSL2561的5脚(INT)输出一中断信号，硬件连线图如图3所示。

图3 TSL2561与MCU连接图

DS18B20与微处理器连接时仅需要一根线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯[4]。一般分外部电源和寄生电源两种供电方式，图4为外部电源供电方式的DS18B20典型电路图。和寄生电源供电方式相比，外部电源供电方式电路工作稳定可靠，抗干扰能力强，且电路比较简单。在外接电源方式下，即使电源电压VCC降到3 V时，依然能够保证温度量精度，因此外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式。

图4 DS18B20外部电源供电

2．3自保护电路

测试平台自保护功能主要指系统过流、过载的保护和光伏电池极性接反的保护。其中，系统过流保护措施，是在系统的主电路串联合适规格的熔断丝，当电流超过额定值，熔断丝对主电路进行保护。另外，可利用继电器来切断电路防止负载过载，由于电路中负载电流较大，选用切断电流为30 A的大功率继电器，因此，需选择达林顿管MC1413对继电器进行驱动，如图5所示。利用继电器常闭触点接通主回路，MCU实时检测负载输出端电压和电流，从而计算出功率值，若该功率大于设定功率，则管脚输出高电平。此时，继电器线圈得电，切断主回路，实现过载保护，系统中利用两个继电器分别切断直流负载和交流负载。

图5 系统过载保护电路

2．4通信电路

测控MCU除了与人机MCU进行数据通信外，还要和上位计算机进行通信，实时传送测试数据给上位计算机，以便上位计算机存储、计算以及显示。因此，系统选用双串口微处理器MC9S08AW60。

MC9S08AW60与AT89S52进行通信，两者都是TTL电平，无需进行电平转换。而MC9S08AW60与上位计算机进行通讯时，由于计算机串口为RS232电平，因此需要进行电平转换，系统选用电平转换芯片MAX232，如图6所示。图6为典型的232-TTL电平转换电路，MAX232芯片T1IN脚和RIOUT脚分别连测控MCU的TX和RX，RIAN脚和TIOUT脚通过DB9与计算机串口相连。

图6 MAX232电平转换通讯电路

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括3部分：测控MCU软件设计、人机MCU软件设计以及上位监控软件设计。测控MCU软件是整个测试平台的主体和桥梁，其实现与人机MCU、上位监控计算机交换数据。

3．1测控MCU软件设计

测控MCU软件设计包括以下子程序：初始化子程序、环境参数测量子程序、电压/电流测量子程序、系统故障处理子程序、人机接口通信子程序以及上位机通信子程序等。

初始化是系统上电复位时执行，主要对定时器、串口波特率等进行配置，对输出口进行初始化等操作。

系统主程序采用定时中断方式，系统定时器配置为500 ms，定时器中断子程序框图如图7所示。

图7 测控MCU定时器1中断流程图

3．2人机MCU软件设计

人机MCU实现两大功能：系统参数的显示与系统设置值的修改。即人机MCU接收测控MCU测量信息帧，解析后将数据在LCD上显示；通过键盘对设置值进行修改，并将设置值传送给测控MCU处理。

人机MCU与测控MCU的串口1进行通信，两者之间采用主从式通信方式，测控MCU为主机，人机MCU为从机。每次通信都是由测控MCU发起，人机MCU根据接收数据帧类型回复。两者通信协议归纳为：人机MCU接收到测量信息帧，如果没有修改系统设置值，则回复“数据接收确认帧”，告知测控MCU已经收到测量信息帧；人机MCU接收到测量信息帧，如果修改了系统设置值，则回复“接收确认/上传请求帧”，告知测控

MCU已经收到测量信息帧，并请求允许发送系统设置值；人机MCU接收到设置值允许发送帧，则回复“系统设置值帧”，将系统设置值发送给测控MCU处理。

人机MCU接收到测量信息帧，首先通过每帧数据校验码确认数据帧有效性，并将测量数据在LCD屏幕对应位置显示；当人机MCU检测到按键有动作时，打开LCD的背光，便于使用者操作，1 min内没有按键操作，关闭背光。

3．3上位监控软件设计

组态王与单片机串口进行通信，通信设置为“9600，8，1，N”，即波特率为9 600 bit/s，8位数据位，1位停止位，无校验。组态王无需编写通信协议，选择单片机通信的“HEX串口通信协议”，测控MCU则根据该协议格式编写程序。HEX串口通信也是主从式通信方式，组态王为主动方，发送数据请求，测控MCU根据数据请求，回复相应的应答格式。HEX串口通信协议规定了读数据、写数据两种模式，本系统只涉及组态王读数据，即组态王读取测控MCU对应地址相应长度的数据内容，从而可以获得系统的测量数据、报警信息等[5]。

组态王1 s向测控MCU读1次数据，组态王收到测控MCU回复数据帧，解析后将各点电压、电流、温度、光照强度以及报警信息显示在实时显示界面。同时，通过定义的记录体与数据库相应的表关联，可以将数据信息保存到数据库中，以备查询。

另外，上位监控软件还设计了性能评估功能，能将一段时间内的系统参数从数据库中调出，计算分析出系统的性能指标。在系统中，主要实现了对最大功率跟踪(MPPT)算法的评估。