基于触摸屏的光伏系统显控装置设计

郭 栋，戴永军，马尚行

（1.浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州310018；2.浙江嘉科新能源科技有限公司 浙江 嘉兴314000）

基于触摸屏的光伏系统显控装置设计

郭 栋1，戴永军2，马尚行2

（1.浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州310018；2.浙江嘉科新能源科技有限公司 浙江 嘉兴314000）

文中阐述了触摸屏在光伏逆变器中的应用，以STM32为主控芯片，结合DWIN工业串口触摸屏，设计了针对光伏系统的数据显示及控制装置。该设计简单可靠，能够实现光伏系统工作状态控制，显示光伏系统的运行状态和相关参数。实践结果表明，该装置显示直观，通信稳定可靠，数据准确并且操作简单，有较好的实用价值。

触摸屏；光伏系统；显控装置；STM32

本世纪初，随着能源危机加剧和环境污染问题日益突出，人类社会对太阳能利用的需求越来越迫切，所以光伏系统必将迎来大发展。现有的光伏系统大多采用独立控制柜或者电脑来实现数据交互和控制，直接导致了光伏系统的人机界面控制复杂，成本过高[1]。为此，笔者设计开发了基于触摸屏的光伏系统显控装置，实现了良好的光伏系统人机交互。

1　光伏系统显控装置设计

1.1交互对象介绍

与电力网相连接的太阳能光伏系统称为光伏并网系统，光伏并网发电系统能够在阳光充足时发出的电除了自用还向电网输出，在自发电（含蓄电池或者超级电容存储的电能）不够用时再从电网引入电补充使用[2]。

逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置。光伏逆变器就是应用在太阳能光伏发电系统中的逆变器，是光伏系统中的一个核心部件。光伏系统的大部分运行参数都可以从逆变器中获得，比如：直流工作电压、充电电流、太阳能方阵输入路数，逆变交流电压、电流、输出功率、发电量、故障信息和保护状态。运行过程中的光伏电池和电网供电的状态切换控制可以由逆变器接受控制命令来实施，太阳能电池和蓄电池的充放电控制也可通过逆变器来实现。所以设计友好的显示界面，并与光伏逆变器进行人机交互，可以方便的监控和记录整个光伏系统运行状态。不但让操作者更简单、更正确、更迅速的操作整个系统，而且使得系统更加稳定可靠。

1.2触摸屏用作显示控制的优势

光伏逆变器的显控装置实现人和光伏发电系统信息交互，完成对光伏逆变器的工作参数采集、数据显示和控制命令的输入。在显示和控制操作方面，触摸屏对比传统的液晶屏加按键组成的交互界面有强大优势，它不但可以通过软件显示一般的信号灯，可以灵活的设置操作按钮和转换开关，而且能够实时刷新动态图表数据[3-4]。本装置采用DWIN公司的K600系列触摸屏，为65K色高品质9.7寸屏，用户变量存储达56K，方便用户使用。此触摸屏为工业串口指令屏，用户只需要通过串口与触摸屏进行通信，给终端发送相关的操作指令，即可实现与windows相媲美的人机界面。触摸屏强大功能和优异的稳定性使它非常适合用于环境条件恶劣的光伏系统中。

1.3主控芯片选择

本装置对主控芯片要求有以下3点：

1）至少包含两个UART，一个与触摸屏进行通信，一个与光伏系统中逆变器进行通信。

2）带有的I2C总线和SPI总线，通过这两类总线与各种现场传感器通信，采集电量状态，以及光伏系统环境信息。

3）对运行速度和稳定性有较高要求，实现数据实时发送和接收，保证对光伏系统进行实时有效的控制，并且及时显示运行状态。

综上，本课采用基于Contex-M3架构的STM32F103ZET6作为主控芯片，芯片资源完全满足装置设计需要，性价比高，并且实时性能出色，稳定性好，易于开发。

2　总体硬件设计

硬件以触摸屏作为交互界面核心，由ST公司的STM32F103ZET6芯片及其外围电路组成主控板，硬件设计包括RS232总线接口电路、I2C接口和SPI接口以及电能计量模块等。

2.1STM32硬件设计

温湿度采集采用DHT11采集模块，光强度信息采集采用BH17501FVI光照传感器模块，这两种模块均采用带I2C接口的数字传感器，可以准确的输出光伏系统周围环境信息。

STM32F103ZET6芯片带有 5个 UART口，可以采用UART1与光伏逆变器通信，获取逆变器运行状态和参数。采用UART0与液晶屏进行显示和触控的数据交互，将采集的数据发送至触摸屏，接受操作者通过触控屏发出的控制命令[5-8]。stm32硬件与外设组成框图如图1所示。

图1　stm32主控与外设硬件连接框图

2.2ATT7026A硬件设计

ATT7026A是一颗电能计量专用该芯片，集成了6路二阶delta-sigma的ADC，以及参考电压电路、功率因数和频率测量等电路。芯片内置数字信号处理器，可以采集各类电量信息，包括电压、电流、有功功率、无功功率等。ATT7026A提供了一个SPI接口，方便与stm32主控板进行计量参数的传递。电能计量模块电路图如图2所示。

图2　电能计量模块ATT7026A电路设计

3　软件设计

3.1STM32程序设计

显控装置的核心功能主要通过采集控制板上处理器STM32F103ZET6来实现，主程序中，主要完成3类通信接口UART、SPI和I2C的通信状态处理。主程序流程如图3所示。

图3　显控装置主程序流程图

由程序流程图可以看出，stm32串口程序处理中主要处理四种串口的命令或者数据。UART0处理触摸屏显示数据发送、触控命令接收；UART1负责逆变器工作状态控制、接收逆变器运行状态数据[9-11]。这4种串口程序处理通过相关子程序实现，如电流显示子程序如下：

其中unsigned char data为采集到的电流值。

采集信息封装在while循环中，采集电量、温湿度、光强度信息。

判断任务是液晶触摸信号，控制信号、环境信息或者是逆变器数据刷新时间到达。信息类型通过处理器进行协议解析，再完成任务处理。任务判断部分涉及到两个UART的数据接受和发送的控制，一般有两种处理方式：查询和中断。使用查询方式传输会使占用CPU时间相对较多，因此采用中断响应的方式。STM32内部自带中断向量配置模块，可以方便的设置中断优先级。在中断配置上，使UART1处于高优先级，方便及时控制逆变器[12]。控制板处理器底层使用ST公司的固件库，提高了开发效率。

3.2基于迪文触控界面制作软件设计成人机界面

人机界面主要包括交互控制、实时显示和历史信息3部分组成。其中主界面可以调用各个子界面。

3.2.1交互控制子界面

本界面包括以下两方面内容：

1）系统启动和停止运行控制，太阳能电池板和蓄电池的充放电优先级控制，工作模式切换等功能性设置[13]。

2）设置系统参数：最大输出功率，实时时间，系统的通信地址以及通信波特率。

3.2.2实时显示子界面

实时显示子界面以数字和图表方式直观显示各类运行参数和状况。显示信息主要有：太阳能电池阵列和蓄电池的直流电压、电流，周围环境温度和光线强度，光伏逆变器的输出电压、电流等[14-19]。运行状态信息主要有：开关机状态、工作模式状态、电网频率、功率因数、转换效率、实时时间、过压和欠压保护、过热保护、过流保护、出错状态等。

3.2.3历史信息子界面

历史信息子界面保存了系统的历史信息主要包括：

1）故障信类型、发生故障的时间和故障次数。2）报警类型、报警时间和报警次数。3）单日发电量、总发电量和运行时间。方便用户的统计和了解光伏系统的性能和状态[16]。组成框图如图4所示。

图4　人机界面总体功能结构框

4　系统实验测试

搭建光伏系统，并对显控装置终端进行性能测试。包括功能性测试，控制响应时间，数据误差，数据刷新频率，界面切换流畅性等。运行界面如图5所示。实验结果表明，本装置能够达到预期效果，系统运行稳定。

图5　光伏显控装置交互界面

5　结束语

基于触摸屏的光伏系统显控装置，系统设计简明、成本低、人机交互直观，方便。不但可以显示电压、电流等光伏组件运行参数，实时控制光伏逆变器工作状态，而且能够显示环境温湿度，光强度等信息，优化光伏系统的运行。本装置可靠、稳定的运行，有利于光伏发电系统的普及，具有良好的社会效益和经济效益。

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Design of display and control device for photovoltaic system based on touch screen

GUO Dong1，DAI Yong-jun2，MA Shang-xing2
（1.Zhejiang University of Water Resources and Electric and Power，Hangzhou 310018，China；2.Zhejiang Jia KeAmperex Technology Limited，Jiaxing 314000，China）

This paper describes the application of touch screen in photovoltaic inverter.STM32 as the main chip，combined with DWIN industrial serial touch screen，designed for photovoltaic system data display and control device.The design is simple and reliable，and it can control the working state of PV system，and display the running state and the related parameters of the photovoltaic system.The practical results show that the device has the advantages of direct visualization，stable and reliable communication，accurate data and simple operation，and has good practical value.

touch screen；photovoltaic system；display and control device；stm32

TN99

A

1674－6236（2016）22-0064-03

2016-04-08稿件编号：201604080

国家高技术研究发展计划（863计划）（2014AA052005）

郭 栋（1987—），男，山东潍坊人，硕士研究生。研究方向：电力电子技术及自动控制。