基于Proteus的光伏電池組件環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

湖北民族大學(xué)信息工程學(xué)院 張 思 曹茂深

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的研究重點(diǎn)在于光伏板電池組件的監(jiān)測與控制，極大程度上影響著系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其溫度監(jiān)測問題也較為復(fù)雜，為解決溫度監(jiān)測方法的繁瑣性，滿足產(chǎn)業(yè)及用戶需求，對于溫度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究具有重大研究意義。

伴隨著電子信息化技術(shù)研究的逐步深入，傳感器技術(shù)的發(fā)展也面臨著很大程度上的改善。對于光伏板溫度的數(shù)據(jù)采集，使得其溫度的檢測與控制一步步成為現(xiàn)實(shí)[1]。趙志剛等人通過粒子群優(yōu)化支出向量機(jī)的方法，來計算出光伏電池溫度預(yù)測的熱耦合模型，通過實(shí)驗(yàn)對比，其預(yù)測精度明顯優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但容易受到噪聲的影響，離高精度預(yù)測還有一定差距[2]；徐瑞東等人在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上融入小波包函數(shù)的思想，將二者優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的高效預(yù)測[3]；Xu等提出基于高斯過程的溫度預(yù)測方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其方案的可靠性，但其檢測準(zhǔn)確率并不是很高[4]；彭飛等人搭建的光熱耦合預(yù)測模型能夠很好的完成短期溫度預(yù)測，可對于中長期的預(yù)測誤差很大，易造成誤判[5]。

本文設(shè)計了光伏電池組件環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在Proteus中搭建監(jiān)測系統(tǒng)仿真模型，能夠?qū)崟r監(jiān)測溫度數(shù)值和調(diào)節(jié)其閾值范圍，將有助于提高光伏系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，再通過硬件控制設(shè)計與測試來驗(yàn)證此系統(tǒng)的可行性，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

光伏產(chǎn)業(yè)自動化的高質(zhì)量發(fā)展帶來了積極的影響，太陽能電池組件對于溫度是非常敏感的，如果長期高溫使用可能會造成嚴(yán)重的系統(tǒng)安全事故，進(jìn)而引起光伏系統(tǒng)的崩潰[6]。此前最主要的光伏電池組件溫度檢測方法為傳感器型數(shù)據(jù)反饋，可也會受檢測者主觀意識方面的影響。此外還有熱電機(jī)型、測熱型、超聲法、熱電型、光電型等溫度檢測方法。

本文基于太陽能光伏板的溫度檢測系統(tǒng)進(jìn)行展開，采用工況作業(yè)下的光伏電池組件為本文研究對象，由溫度傳感器采集數(shù)據(jù)處理之后進(jìn)行關(guān)鍵信息提取，利用單片機(jī)微控制器模塊進(jìn)行溫度閾值搜索，通過溫度數(shù)據(jù)顯示來確定何時會出現(xiàn)的高溫情況，基于溫度閾值擬合準(zhǔn)則來判別溫度是否處于安全范圍，然后完成相應(yīng)的斷開或繼續(xù)工作的流程。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)流程為：光伏電池組件-溫度傳感器模塊-電壓跟隨器-放大電路-電壓采樣-電流采樣-放大電路-AD轉(zhuǎn)換模塊-單片機(jī)控制器-LCD顯示模板。在此設(shè)計中，得到傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)入電壓跟隨器處理實(shí)現(xiàn)電壓跟隨的效果，然后進(jìn)行放大，接著通過ADC采樣電路完成電壓和電流信號的采樣，然后進(jìn)行二次放大處理，通過AD轉(zhuǎn)換模塊送入單片機(jī)進(jìn)行控制，按照溫度檢測的控制邏輯輸出最終的溫度及電流等信息，并于LCD顯示模塊進(jìn)行動態(tài)顯示。方案設(shè)計完成后，需在Keil編程軟件中完成溫度檢測系統(tǒng)的程序編寫，然后下載至單片機(jī)微處理器，方可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的采集與顯示功能。其溫度檢測系統(tǒng)的主程序流程為：開始-系統(tǒng)初始化-溫度數(shù)據(jù)采集-電壓跟隨放大-電壓信號采樣-電流信號采樣-LCD動態(tài)顯示-關(guān)閉總中斷-結(jié)束。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 Proteus軟件介紹

Proteus是一款非常經(jīng)典的EDA工具軟件。其軟件內(nèi)部帶有種類較為豐富的器件庫，器件能夠?qū)崿F(xiàn)的功能范圍較廣，可個性化設(shè)計一些新元件。它可設(shè)置成自動布線功能，對于夯實(shí)軟件學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)是非常有效的，可以兼容多種總線結(jié)構(gòu)，也能夠依靠總線器件來完成簡單的電子電路設(shè)計，軟硬件的交互仿真與測試大大減少后期測試工作量，為電氣工程領(lǐng)域開發(fā)提供很大便利。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

是處理器芯片本身和部分簡單的基礎(chǔ)電路組成，其中包括用于系統(tǒng)初始化的復(fù)位電路，以及包括P0.0至P0.7在內(nèi)的8位數(shù)據(jù)接收端口右接排阻，便于后面的溫度及電壓等信號的傳輸。

圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，單片機(jī)的最小系統(tǒng)蘊(yùn)含著多種微電路模塊，其中帶有自動彈回功能的按鍵與電阻R1并聯(lián)是為了將輸入電流進(jìn)行合理分流，然后接單片機(jī)的復(fù)位端口，排阻的一端接的是電源信號，也就是通過所說的高電平信號，另一端會傳輸至處理器的數(shù)據(jù)口。此外，考慮到系統(tǒng)本身帶有諧振時鐘，只需在編程時進(jìn)行合理調(diào)用即可，但時鐘信號并不是其所必須的，而上拉電阻的特殊用途就是為監(jiān)測系統(tǒng)提供輸出電流通道。

2.3 電壓跟隨及放大電路

電壓跟隨器是一種廣泛應(yīng)用的電路，其核心思想就是保證輸入與輸出電壓能夠保持在恒定值的電壓比，而電阻的選擇往往能夠使其比值為1，也就是起到跟隨的效果。在很多環(huán)境惡劣的現(xiàn)場作業(yè)中可作為隔離器使用。其主要分為同向和反向兩種跟隨效果，區(qū)別在于電源信號輸入是位于運(yùn)算放大器的同向端還是反向端。

圖2 電壓跟隨及放大電路原理圖

如圖2所示，電壓跟隨器由電阻R4下方接有光敏電阻，其中光敏電阻用于監(jiān)測光照強(qiáng)度的大小，其能夠檢測到非常微弱的光強(qiáng)變化，并由于某些障礙物的阻攔，其阻值降低的同時也將伴隨著光強(qiáng)的實(shí)時變化，對光線的敏感度很高。電阻R8連接R4的下端，也就是電源信號端，與其串聯(lián)后直接送入運(yùn)算放大器的4號端口，也就是LM324的同向輸入端，在R9的作用下對電壓值進(jìn)行反饋與跟隨，就實(shí)現(xiàn)了電壓跟隨的效果，電壓跟隨后需進(jìn)行放大處理，此時再接一個運(yùn)算放大器即可，最終在R7端得到輸出電壓信號。

2.4 ADC采樣電路

為對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和調(diào)節(jié)，需設(shè)計ADC采樣電路，該電路的作用是在某個規(guī)定的時刻接收輸入電壓，在下次采樣到來之前都會保持當(dāng)前電壓值不變。如圖3所示，ADC0808是含有8路信號同步轉(zhuǎn)換的AD轉(zhuǎn)換器，設(shè)計ADC采樣電路主要目的就是完成電壓信號及電流信號的實(shí)時采樣，然后接放大電路進(jìn)行后級處理，并輸出至微處理器。

圖3 ADC采樣電路

2.5 LCD顯示電路

為更加直觀了解光伏板電池組件的具體情況，需設(shè)計顯示電路來觀察電池組件的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括溫度數(shù)據(jù)、電路中的電壓及電流信號，其中溫度數(shù)據(jù)可實(shí)時反映當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的溫度變化情況，而對電壓及電流信號的監(jiān)測是為防止光伏系統(tǒng)出現(xiàn)過壓和過流等安全隱患。如圖4所示，LCD顯示電路選用的仿真模塊為LM016L，它具有非常簡單的指令集，但可實(shí)現(xiàn)的功能性比較強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)在傳輸過程中發(fā)現(xiàn)反常的溫度數(shù)據(jù)時，會借助串口發(fā)送至微處理器進(jìn)行判斷，只有符合一定控制邏輯時才會按照預(yù)先設(shè)計的程序流程進(jìn)行，LCD的數(shù)據(jù)口接收到該數(shù)據(jù)，并起到實(shí)時動態(tài)顯示的作用。

圖4 LCD顯示電路

圖5 光伏板電池組件環(huán)境檢測系統(tǒng)仿真模型

3 系統(tǒng)仿真與硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)仿真

本文在Proteus中搭建了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的仿真電路模型，其主要部件含括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電壓跟隨器、ADC采樣電路、LCD顯示電路等，通過對溫度及光強(qiáng)監(jiān)測電路結(jié)構(gòu)的合理連線集成各電路功能，以實(shí)現(xiàn)光伏電池組件的環(huán)境信息檢測系統(tǒng)設(shè)計（圖5）。光伏板電池組件環(huán)境檢測系統(tǒng)仿真模型通過單片機(jī)最小系統(tǒng)的邏輯控制與數(shù)據(jù)接收，DS18B20的目的就是完成當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)的收集，采集的數(shù)據(jù)依靠電壓跟隨放大輸出至采樣電路，然后將顯示內(nèi)容的具體值發(fā)送至LCD。

圖6為環(huán)境信息仿真監(jiān)測效果圖，其中初始化設(shè)置的溫度為16攝氏度，經(jīng)過系統(tǒng)的電壓跟隨放大輸出為21.5攝氏度，其中光強(qiáng)為1.6Lμx，電壓輸出為2.5V，輸出功率的大小為23.7mW，而初始電流及電壓信號可利用ADC采樣電路還原出來，并于LCD1602進(jìn)行顯示。

3.2 硬件實(shí)現(xiàn)與分析

考慮到仿真原理的論證單一性及不完整性，本論文在仿真模型有效性的基礎(chǔ)上設(shè)計了硬件電路具體結(jié)構(gòu)，選擇仿真中涉及的電子器件來進(jìn)一步驗(yàn)證該環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)是否合理與科學(xué)。其中單片機(jī)型號為AT89S52處理器，晶振的主頻為12MHz，復(fù)位電阻選用的是10k的直插式電阻，顯示模塊選用的是LCD1602，運(yùn)算放大器為LM358，具有很好的線性放大效果。負(fù)載選用的是普通舵機(jī)控制的小風(fēng)扇，其額定電壓為5V，溫度傳感器為DS18B20，光敏電阻用于監(jiān)測光強(qiáng)的變換情況，所設(shè)計的硬件部分完全符合系統(tǒng)對于光伏電池組件的監(jiān)測需求。

在硬件論證仿真結(jié)果的過程中，需要注意觀察光敏電阻的感應(yīng)電流以及輸出功率，對于溫度傳感器的變化數(shù)值是非常敏感的，在硬件的調(diào)試過程中，首先要確保硬件系統(tǒng)的能量供應(yīng)，可通過USB接口連接上位機(jī)或移動電源，然后用萬用表測量光敏電阻的電壓及此時的阻值，不同光照下的環(huán)境信息區(qū)別較大，并保證系統(tǒng)能夠做到實(shí)時監(jiān)測。

綜上，本文針對光伏電池組件進(jìn)行環(huán)境信息監(jiān)測，在利用溫度傳感器提取環(huán)境信息的基礎(chǔ)上，通過ADC采樣電路實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行電壓及電流的采樣，對光伏電池組件的多類環(huán)境信息進(jìn)行初步采集和控制傳輸。仿真及硬件測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電池組件的溫度、感應(yīng)電流、輸出功率等數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測，說明該監(jiān)測系統(tǒng)能夠適用于光伏電池組件的研究，具有較好的實(shí)用價值與研究意義。