基于AVR单片机的太阳能发电量检测装置的设计

简介：文中提出并设计了一种基于AVR单片机的太阳能发电量检测系统。系统能够将所测得值实时显示在液晶屏幕上。

摘要：发电量检测是太阳能光伏发电系统的重要组成部分。本文设计了一种精度更高，功耗、成本更低的太阳能发电量检测系统。系统以AVR单片机为控制器，避免了数模转换器等引起的能量消耗并最大程度地简化了系统结构。同时引入了霍尔电流传感器，可以几乎无损耗地将电流信号转换为电压信号。实验结果表明：太阳能发电系统正常工作时，太阳能发电量能够实时显示在显示屏上，且误差率不超过5%。

太阳能的利用已经成为化解能源危机的一条途径。因而，国内外的相关科研、技术和产业部门都在积极致力于太阳能相关设备的研究和开发，并取得了相当的成就与发展。如高层建筑的太阳能与建筑的一体化可以满足生活热水、制冷、采暖需求;太阳能电动汽车的设计可以实现节能减排;太阳能在农业上的应用如太阳能施肥-喷药-体机不仅环保，还解决了农村地区交通不便等问题。目前，太阳能源的利用主要分为：太阳能发电和蓄能。太阳能发电是新兴的可再生能源技术，目前已实现产业化作用的主要是太阳能光伏发电和太阳能光热发电。太阳能蓄能除了利用蓄电池存储电能之外，还可以利用太阳能直接加热冷水供给需用热水用户，这是我们都熟知的一项太阳能利用途径，现在楼宇建筑中集中热水供应系统中很多都采用了太阳能热水系统和技术;还可以将太阳能产生的多余电能引水上山，把低处水库的引上高处的水库，将电能转化为水的势能，在需用电能的时候，再将势能通过水利发电机组转化成电能。太阳能发电是最直接的途径，但是由于太阳能电池板的转化效率比较低，目前砷化镓太阳能电池理论上能达到28.8%，而一般太阳能电池转化率仅在20%左右。因而，太阳能发电系统又有新的研究进展。如目前研究利用聚焦的太阳能加热工质水，将水加热为蒸汽，在推动汽轮机时带动发电机发电。

太阳能发电的优点是：1)能源可再生;2)真正低碳清洁能源;3)不受资源分布地域的限制。为此，结合目前情况我们提出了一种适用于小办公区域或别墅使用的小用户太阳能发电及配电系统，其主要目的是根据太阳能发电量实现家用电器按优先级别自主完成设定的工作，然后将电能转换成热能和空气能储备，最大可能的实现太阳能利用，同时实现太阳能发电与市电互相切换，以避免太阳能发电不足时保证区域的正常用电。该小用户太阳能发电及配电系统包括：太阳能电池板、发电量检测、蓄电池组、逆变器和保护电路等等，其中发电量检测是关键部分，它提供整个太阳能发电量的信息，是整个系统可靠工作的基础，因此系统的要求是准确检测、工作可靠。

1 太阳能发电量检测装置

1.1 太阳能发电量检测系统

目前，有人提出基于物联网的太阳能发电量检测系统，此系统分为3部分：传感器数据采集节点、主控节点和远程监测中心。系统不仅能实现对太阳能发电系统参数的实时监测，而且用户和工作人员可以很方便的通过3G或者互联网进行查询，为分析、控制和设计、改善发电系统的性能提供依据。但是，此系统工程造价昂贵，结构也较为复杂，并不适合小用户太阳能发电系统。而现在普遍流行的是一种以AT89S52单片机为控制器的太阳能发电量检测系统，这个装置系统不仅结构简单、成本低廉、免维护、耗电量小而且能够有效的实时监控太阳能电池的发电量，这不失为一个比较优良的检测系统，但是由于单片机只能处理数字信号，所以加入了A/D转换器等模块，而A/D等模块的驱动也需要能源，这在无形中也会造成不必要的能源消耗。结合这些系统方案的优缺点，我们设计一套基于AVR单片机的太阳能发电量检测系统的思路。与前面的发电量检测系统相比，此系统简单方便，工程造价比较低，准确性也比较高，能广泛适用于小用户太阳能发电系统。

1.2 太阳能发电量检测系统的设计

我们设计的系统的主要功能是：以AVR单片机为控制器，对太阳能电池发电量进行数据采集，并实时地显示在液晶显示屏上。一般，独立太阳能发电系统主要由太阳能电池组件、充电控制器(内含MPPT模块)、显示模块，电压衰减模块，电压放大模块，蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。我们的设计构思如图1。总电路包括太阳能电池板，电压衰减电路，电压放大电路，霍尔电流传感器，光合太阳能充电控制器，LCD1602显示器，以及AVR单片机。

1.2.1 系统电源设计

为了便于前期的检测本系统，可以采用双电源：220 V转5V电源和蓄电池经稳压变压电源。1)220 V转5 V电源，通常外接电源电压不稳定需要经过滤波稳压后才能供给单片机，使之能更加可靠地运行。2)蓄电池电源，本系统是长期使用并且独立发电的，而十电池寿命有限，所以长期工作状态中不宜用于电池供电，系统内部的蓄电池供电为最佳选择。在设计中单片机和LCD1602需要+5 V电压，霍尔电流传感器需要±15 V电压。设计中采用7805，7815，7915三端稳压集成电路来分别提供+5 V，+15 V和-15 V电压。

1.2.2 单片机电路

ATmega32单片机是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega32的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以再一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

1.2.3 I/V转换模块和V/V转换模块

单片机只能处理0～5 V的电压信号，所以需要将太阳能电池板或蓄电池所释放的电流信号转换为相应的电压信号。太阳能电池板的输出电压规格是0～20 V，电流为0～5 A，因此必须将电流值转换为相应的电压信号。此电路包括霍尔电流传感器，电阻以及集成运算放大器OP07。霍尔电流传感器是此转换电路的核心，功率计要求在尽可能不影响电池板电能输出的情况下才能检测其功率，所以I/V转换的功耗要尽可能的低，电路中采用的是TBC10SY型霍尔电流传感器，根据霍尔效应原理，在消耗相当少电能的情况下将电流信号转换为电压信号。TBC 10SY双环系列闭环霍尔电流传感器的初、次级之间是绝缘的，具有超强抗干扰能力;用于测量直流、交流和脉动电流。当待测电流从传感器穿过，即可在输出端测得电压大小。I/V转换电路如图2。

虽然霍尔电流传感器能够无损耗的转换电流电压，但太阳能电池板输出电流较小且经过霍尔电流传感器之后输出电压仅为几十毫伏，很难测准，所以要经过OP07集成运算放大器来放大。OP07芯片是一种低噪声非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。因为OP07具有较低的输入失调电压(对于OP07A最大25μV)，所以OP07在很多场合不需要额外的调零动作。OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2 nA)与开环增益高(对于OP07A为300V/mV)等特点，这种低失调，高开环增益的特性，这使得OP07特别适合用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。正反馈放大电路如图3。

因为实时功率的测量需要同时采集到电压值和电流值。而太阳能电池板电压为0～22 V，以及单片机的处理电压均为0～5 V。所以太阳能电池板和蓄电池的输出电压以及电流经过霍尔电流传感器按比例转换得出电压值必须要衰减或放大到0～5 V。根据电压电阻之间的线性关系，将0～14 A按比例转换为0～5 V，电压0～20V按比例转换为0～5V。衰减电路如图4。

1.2.4 LCD1602显示电路

本设计采用LCD1602液晶显示屏显示，其具有体积小、功耗低、界面大方等优点，这里使用YB1602液晶屏，1602显示模块用点阵图形显示字符，显示模式分为2行16个字符。

1.2.5 充电控制器

由于在工作时，随着光照温度等因素不断变化，必然会导致端电压急剧变化。此时就需要充电控制器了。充电控制器，一方面能够延长蓄电池的使用寿命，另一方面在充电过程中还能减少损耗，保护蓄电池充电过量造成损害。系统采用以MPPT控制器为核心的充电控制电路。

1.2.6 发电量检测软件设计

系统程序主要包括：LCD1602显示程序，AD转换模块，单片机主程序。

由此可知，工作原理为：太阳能电池板接受光照时产生电压和电流信号，通过太阳能充电控制器对蓄电池充电，蓄电池经过稳压电路位单片机提供驱动电压，电池板产生的电压和电流分别经过V/V、I/V转换电路并衰减或放大使其电压不超过5 V，再经过模数转换为数字信号，经过单片机内部处理将功率值实时显示在LCD1602液晶屏上。

1.3 系统的调试

1.3.1 性能要求

1)电量检测装置能够测量0.5～999.0 W的功率且平均误差率<5%。

2)太阳能电池板规格：最大功率160 W;最大输出电压22V;最大输出电流6A。

3)蓄电池规格：型号6-DZ-12;额定电压12 V;额定容量12 Ah。

1.3.2 软硬件设置

电量测量电路中太阳能电池电压衰减倍数为1/4.5，霍尔电流传感器输入电流与输出电压比为4，电压放大电路放大倍数为4。

2 太阳能发电量检测装置的系统测试

太阳能电池板在太阳能发电系统的电力电子装置的实验室研究中扮演了相当重要的角色。但是当日照强度很低或者夜晚的时候，太阳能电池阵列失去了输出功率。这时，研究工作就受到了外界条件的限制，我们可以通过模拟太阳能电池的方法来解决这个问题。

整个系统的实际检验需要在特定的条件下才能进行，太阳能电池的工作效能与光强，外界环境温度，阳光照射角度，阳光的光谱分布等因素有关。所以测量太阳能电池的输出功率必须按照IEC TC-82的行业标准。

标准为：AM(air-mass大气质量)=1.5，光的输入功率=1 000W/m2，测试温度为25℃

由于条件限制，在实验室情况下，采用电压源电流源模拟太阳能电池测得数据如图6。

如图所示，实际值越小测量值的误差越大，比如输出电压为3 V时，实际值与测量值的误差达到了77%，当输出电压为6 V时，实际值与测量值的误差达到了44%，但是当实际功率超过6 W的时候，误差率就不超过5%了。实际中，太阳能电池的有效工作时的发电功率在120 W左右，所以系统能很好的完成太阳能发电量的检测。

整个系统的调试均是在实验室条件下进行的，用实验室电源模拟太阳能电池，虽然不能很好的表现出太阳能电池的原始性能，且有些特征表现的也过于理想化，所以会有很大的局限性。但设计的重点不在于测量太阳能电池板的性能，而是要检验设计进行功率检测的精确度，因此是能够反应设计效果的。从测量结果来看发电量检测达到了预期目标。

3 结论

文中提出并设计了一种基于AVR单片机的太阳能发电量检测系统。系统能够将所测得值实时显示在液晶屏幕上。由实验过程和结果分析可知，此系统结构比较简单，能够实时并精确地显示太阳能发电量以及用电器用电量，可以为调配电力提供有力的数据支持，同时还减少了一些不必要的能量消耗，这对于太阳能最大程度化的利用具有较重大意义。而且此系统装置器件寿命较长，耐用可靠，并且具有通用性，还可以灵活应用于其他数据采集的工程领域。