基于Proteus的光伏电池组件环境监测系统研究

湖北民族大学信息工程学院 张 思 曹茂深

太阳能光伏产业的研究重点在于光伏板电池组件的监测与控制，极大程度上影响着系统的正常运行。其温度监测问题也较为复杂，为解决温度监测方法的繁琐性，满足产业及用户需求，对于温度环境监测系统的研究具有重大研究意义。

伴随着电子信息化技术研究的逐步深入，传感器技术的发展也面临着很大程度上的改善。对于光伏板温度的数据采集，使得其温度的检测与控制一步步成为现实[1]。赵志刚等人通过粒子群优化支出向量机的方法，来计算出光伏电池温度预测的热耦合模型，通过实验对比，其预测精度明显优于BP神经网络，但容易受到噪声的影响，离高精度预测还有一定差距[2]；徐瑞东等人在BP神经网络的基础上融入小波包函数的思想，将二者优点进行完美结合，实现了温度数据的高效预测[3]；Xu等提出基于高斯过程的温度预测方法，通过实验验证其方案的可靠性，但其检测准确率并不是很高[4]；彭飞等人搭建的光热耦合预测模型能够很好的完成短期温度预测，可对于中长期的预测误差很大，易造成误判[5]。

本文设计了光伏电池组件环境监测系统，在Proteus中搭建监测系统仿真模型，能够实时监测温度数值和调节其阈值范围，将有助于提高光伏系统输出功率稳定，再通过硬件控制设计与测试来验证此系统的可行性，具有较强的指导意义。

1 系统方案设计

光伏产业自动化的高质量发展带来了积极的影响，太阳能电池组件对于温度是非常敏感的，如果长期高温使用可能会造成严重的系统安全事故，进而引起光伏系统的崩溃[6]。此前最主要的光伏电池组件温度检测方法为传感器型数据反馈，可也会受检测者主观意识方面的影响。此外还有热电机型、测热型、超声法、热电型、光电型等温度检测方法。

本文基于太阳能光伏板的温度检测系统进行展开，采用工况作业下的光伏电池组件为本文研究对象，由温度传感器采集数据处理之后进行关键信息提取，利用单片机微控制器模块进行温度阈值搜索，通过温度数据显示来确定何时会出现的高温情况，基于温度阈值拟合准则来判别温度是否处于安全范围，然后完成相应的断开或继续工作的流程。

环境监测系统整体实现流程为：光伏电池组件-温度传感器模块-电压跟随器-放大电路-电压采样-电流采样-放大电路-AD转换模块-单片机控制器-LCD显示模板。在此设计中，得到传感器采集的温度数据后，需要进入电压跟随器处理实现电压跟随的效果，然后进行放大，接着通过ADC采样电路完成电压和电流信号的采样，然后进行二次放大处理，通过AD转换模块送入单片机进行控制，按照温度检测的控制逻辑输出最终的温度及电流等信息，并于LCD显示模块进行动态显示。方案设计完成后，需在Keil编程软件中完成温度检测系统的程序编写，然后下载至单片机微处理器，方可实现相应的采集与显示功能。其温度检测系统的主程序流程为：开始-系统初始化-温度数据采集-电压跟随放大-电压信号采样-电流信号采样-LCD动态显示-关闭总中断-结束。

2 系统模块设计

2.1 Proteus软件介绍

Proteus是一款非常经典的EDA工具软件。其软件内部带有种类较为丰富的器件库，器件能够实现的功能范围较广，可个性化设计一些新元件。它可设置成自动布线功能，对于夯实软件学习的基础是非常有效的，可以兼容多种总线结构，也能够依靠总线器件来完成简单的电子电路设计，软硬件的交互仿真与测试大大减少后期测试工作量，为电气工程领域开发提供很大便利。

2.2 单片机最小系统

是处理器芯片本身和部分简单的基础电路组成，其中包括用于系统初始化的复位电路，以及包括P0.0至P0.7在内的8位数据接收端口右接排阻，便于后面的温度及电压等信号的传输。

图1 单片机最小系统原理图

如图1所示，单片机的最小系统蕴含着多种微电路模块，其中带有自动弹回功能的按键与电阻R1并联是为了将输入电流进行合理分流，然后接单片机的复位端口，排阻的一端接的是电源信号，也就是通过所说的高电平信号，另一端会传输至处理器的数据口。此外，考虑到系统本身带有谐振时钟，只需在编程时进行合理调用即可，但时钟信号并不是其所必须的，而上拉电阻的特殊用途就是为监测系统提供输出电流通道。

2.3 电压跟随及放大电路

电压跟随器是一种广泛应用的电路，其核心思想就是保证输入与输出电压能够保持在恒定值的电压比，而电阻的选择往往能够使其比值为1，也就是起到跟随的效果。在很多环境恶劣的现场作业中可作为隔离器使用。其主要分为同向和反向两种跟随效果，区别在于电源信号输入是位于运算放大器的同向端还是反向端。

图2 电压跟随及放大电路原理图

如图2所示，电压跟随器由电阻R4下方接有光敏电阻，其中光敏电阻用于监测光照强度的大小，其能够检测到非常微弱的光强变化，并由于某些障碍物的阻拦，其阻值降低的同时也将伴随着光强的实时变化，对光线的敏感度很高。电阻R8连接R4的下端，也就是电源信号端，与其串联后直接送入运算放大器的4号端口，也就是LM324的同向输入端，在R9的作用下对电压值进行反馈与跟随，就实现了电压跟随的效果，电压跟随后需进行放大处理，此时再接一个运算放大器即可，最终在R7端得到输出电压信号。

2.4 ADC采样电路

为对温度数据进行检测和调节，需设计ADC采样电路，该电路的作用是在某个规定的时刻接收输入电压，在下次采样到来之前都会保持当前电压值不变。如图3所示，ADC0808是含有8路信号同步转换的AD转换器，设计ADC采样电路主要目的就是完成电压信号及电流信号的实时采样，然后接放大电路进行后级处理，并输出至微处理器。

图3 ADC采样电路

2.5 LCD显示电路

为更加直观了解光伏板电池组件的具体情况，需设计显示电路来观察电池组件的相关数据，主要包括温度数据、电路中的电压及电流信号，其中温度数据可实时反映当前运行状态下的温度变化情况，而对电压及电流信号的监测是为防止光伏系统出现过压和过流等安全隐患。如图4所示，LCD显示电路选用的仿真模块为LM016L，它具有非常简单的指令集，但可实现的功能性比较强。当系统在传输过程中发现反常的温度数据时，会借助串口发送至微处理器进行判断，只有符合一定控制逻辑时才会按照预先设计的程序流程进行，LCD的数据口接收到该数据，并起到实时动态显示的作用。

图4 LCD显示电路

图5 光伏板电池组件环境检测系统仿真模型

3 系统仿真与硬件实现

3.1 系统仿真

本文在Proteus中搭建了环境监测系统的仿真电路模型，其主要部件含括单片机最小系统、电压跟随器、ADC采样电路、LCD显示电路等，通过对温度及光强监测电路结构的合理连线集成各电路功能，以实现光伏电池组件的环境信息检测系统设计（图5）。光伏板电池组件环境检测系统仿真模型通过单片机最小系统的逻辑控制与数据接收，DS18B20的目的就是完成当前温度数据的收集，采集的数据依靠电压跟随放大输出至采样电路，然后将显示内容的具体值发送至LCD。

图6为环境信息仿真监测效果图，其中初始化设置的温度为16摄氏度，经过系统的电压跟随放大输出为21.5摄氏度，其中光强为1.6Lμx，电压输出为2.5V，输出功率的大小为23.7mW，而初始电流及电压信号可利用ADC采样电路还原出来，并于LCD1602进行显示。

3.2 硬件实现与分析

考虑到仿真原理的论证单一性及不完整性，本论文在仿真模型有效性的基础上设计了硬件电路具体结构，选择仿真中涉及的电子器件来进一步验证该环境信息监测系统是否合理与科学。其中单片机型号为AT89S52处理器，晶振的主频为12MHz，复位电阻选用的是10k的直插式电阻，显示模块选用的是LCD1602，运算放大器为LM358，具有很好的线性放大效果。负载选用的是普通舵机控制的小风扇，其额定电压为5V，温度传感器为DS18B20，光敏电阻用于监测光强的变换情况，所设计的硬件部分完全符合系统对于光伏电池组件的监测需求。

在硬件论证仿真结果的过程中，需要注意观察光敏电阻的感应电流以及输出功率，对于温度传感器的变化数值是非常敏感的，在硬件的调试过程中，首先要确保硬件系统的能量供应，可通过USB接口连接上位机或移动电源，然后用万用表测量光敏电阻的电压及此时的阻值，不同光照下的环境信息区别较大，并保证系统能够做到实时监测。

综上，本文针对光伏电池组件进行环境信息监测，在利用温度传感器提取环境信息的基础上，通过ADC采样电路实现对系统运行电压及电流的采样，对光伏电池组件的多类环境信息进行初步采集和控制传输。仿真及硬件测试结果表明，本系统的设计能够实现光伏电池组件的温度、感应电流、输出功率等数据的动态监测，说明该监测系统能够适用于光伏电池组件的研究，具有较好的实用价值与研究意义。