太阳能环境参数测试仪的系统设计

引言

为了确保太阳能发电系统能够正常的工作，需要对太阳能发电系统的各项环境参数进行测量，从而有效地控制其运行。本文介绍了一种基于单片机的太阳能参数测试仪，提供了3种参数的测量功能和通信接口，以及2种供电方式，既可作为手持设备使用，又能安装在发电系统中，具有较高的实用价值。

1 硬件电路设计

1．1  总体结构

该测试仪以AT89S52单片机为核心，外接温湿度传感器 SHT11、照度传感器TSL2561、四位共阴数码管、RS485总线通信接口以及显示切换按键。单片机上电工作后，对当前温度、湿度、光强度进行实时测量，通过按键切换将测得的3种参数通过LED数码管进行轮流显示；此外，还可以通过RS485总线与PC机进行通信，将参数值传送到上位机，以达到远程监测的目的。该测试仪的结构框图如图1所示。



1．2  测量模块

温度和湿度测量采用的是瑞士Sensirion 公司生产的SHT11传感器。该传感器采用独特的CMOSens TM技术，将温湿度传感器、信号放大处理、A／D转换、I2C总线全部集成在一块芯片上，可直接与单片机接口。该芯片采用数字式输出，为编程提供了方便。

光照度测量选用的是TAOS公司生产的TSL2561光强度传感器。它具有数字式输出端口和标准I2C总线接口，涵盖1～70 000 lx的宽照度范围，非常适合户外环境下光照强度的测量，适用于太阳能发电系统。图2为传感器与AT89S52单片机的接口电路设计。



1．3  电源模块

电源模块提供了2种供电方式：

①当测试仪作为手持设备使用时，可直接使用3．6 V锂电池，经过DC-DC电压转换芯片MAX756将电压升至5 V后为单片机和外设供电。  ②当测试仪作为固定设备安装在太阳能发电现场时，可以采用太阳能供电。太阳能电池产生的12 V电压通过稳压芯片LM7805后，得到稳定的5 V电压输出，输出电压既可以为测试模块供电还可以通过充电电路为锂电池充电。

图3是电源模块的硬件原理图。



1．4  充电电路

充电电路的核心器件采用的是上海如韵公司生产的专用充电芯片CN3058，它可以对单节磷酸铁锂可充电电池进行恒流／恒压充电。该器件内部集成有功率晶体管，使用时不需要设计外围电流检测和保护电路，适用于便携式的应用领域。

图4为锂电池充电电路。其中LED1和LED2分别作为充电中和充电饱和两种状态的指示灯，R1在充电时起限流保护的作用；电容C1和C2采用的是多层陶瓷电容器(MLCC)，能保证充电电路稳定工作。



1．5通信模块

测试仪通过RS485工业总线与PC机进行通信，其硬件接口电路如图5所示。



2 软件设计

2．1  总体设计

测试仪的软件开发环境采用的是Keil c，所有代码采用C语言编写。为了方便程序调试和提高可靠性，软件采用模块化结构设计，主要由初始化程序、主程序、子程序、中断服务程序等组成。单片机上电后即开始循环执行温湿度、照度测量程序，并以设定的时间间隔在数码管上轮流动态显示；按键切换和通信功能部分由于使用频率相对较低，为降低设备功耗，其程序以中断响应的方式执行。在此要注意中断优先级的设置：按键中断优先级应高于串口中断，否则将无法进行显示切换。主程序流程如图6所示。



2．2传感器驱动程序

本系统采用的传感器均为集成数字芯片且都具有I2c总线接口，故其驱动程序的编写要严格遵循I2c总线的时序。主程序为每一个参数开辟了一个8位的存储空间，传感器将采集到的数据经SDA引脚串行输出，驱动程序将SDA线上输出的数据进行串并转换，并存储到相应空间中，以方便其他功能程序调用。以下是照度传感器数据采集程序的部分代码。

TSL2561 初始化



2．3 RS485通信程序

测试仪与上位机的通信采用RS485协议。串口参数为：波特率9600，数据位8位，1个校验位，1个停止位。其数据格式如图7所示。



由于RS485总线协议与RS232串口协议只是接口电平上有区别，其软件编程完全按照串口通信协议进行，此处不再详述。

结语

经实验测试，该环境参数测试仪温度测量显示精度可以达到O．1℃，湿度精确到0．1％，照度可以精确到1 lx。由于主要器件均为I2C数字接口，故本测试仪还有结构简单、易维护、可扩展性强等特点，具有很高的实用价值；另外，独特的双电源供电方式更扩展了它的适用范围。

参考文献

   1. 姜连祥.汪小燕 基于光强传感器TSL256x的感测系统设计
   2. SHT1X/SHT7X Humidity & Temperature Sensor datasheet
   3. 广州周立功单片机发展有限公司 I2C 总线规范
   4. 方佩敏 磷酸铁锂电池充电器CN3059 [期刊论文] -今日电子2007(10)

作者：胡磊 王涛 (武汉理工大学) 王艳 (武汉科技学院)
来源：单片机与嵌入式系统应用 2009 (4)