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摘 要 ：为了研究太阳能发电系统的环境参数,提高太阳能发电效率,设计了基于RS-485通信的太阳能光伏组件背板及表面的温度采集监测系统,采用数字温度传感器DS18B20采集温度,通过扩展串行口的方法,实现各级之间的数据传输,避免了信号因长距离传输引起的损耗,其分布式结构简化了系统的布线.该系统具有结构灵活、易于扩展升级、成本低的优点.
关 键 词 ：太阳能发电系统 监测系统 RS-485 温度采集
中图分类号：TN274.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0050-02
目前,光伏发电成为世界上非常重要的清洁能源之一,在光伏发电的过程中,我们需要对光伏发电环境参数进行采集及相关的分析,传输给监控室上位机.通过PC服务器强大的数据处理和分析能力,可以对采集到的环境参数数据进行分析,然后再环境和光伏发电的开发效率之间建立一个数学模型,最后可以根据相关的气象资料就可以对以后光伏发电的效率进行判断,另外还可以成为以后建造光伏发电的选址上提供重要的依据.
但是PC服务器体积大、携带不便、干扰能力差,所以PC服务器无法在露天及光伏发电现场工作.而单片机具有运算速度快、体积小、成本低、集成度高、抗干扰能力和控制能力强等优点.本课题在研究了其他很多环境参数的检测设备的基础上,研发了基于RS-485通信和单片机的太阳能光伏组件温度采集监测系统.
1.系统的组成
系统分为两部分：上位机和下位机.上位机由PC机担任, 主要承担数据的存储与查询, 实现对太阳能光伏各组件背板和表面温度数据的统一管理.下位机主要有ATMEGA8L单片机、温度传感器DS18B20、RS-485通信及电源四部分组成.温度传感器DS18B20采集的温度数字信号传给单片机,然后通过RS-485通信让信号由下位机传给上位机.为了提高研究的准确性及可靠性和采集温度数据的多样性及全面性,系统采集各种材料的太阳能电池板的背板和表面温度,另外也采集了处于不同环境的太阳能矩阵的环境温度.另外系统也可以根据不同的要求随时扩展更多的采集点.
2.下位机的硬件设计
下位机主要由电源、微处理器、温度传感器、RS-485通信接口组成.主要完成温度的采集和传输数据给上位机.
本系统使用的是处理器是R的ATMEGA8L,因为它具有高性能、低功耗,并且有先进的RISC结构,工作电压在2.7-5.5V.图1中使用的温度传感器是DALLAS公司的DS18B20,DS18B20是一种一线制数字温度传感器,它具有3引脚小体积封装形式,温度测量范围是-55℃～+125℃,它要求的电源供电范围是3V~5.5V,可编程为9到12为的数字表示温度,DS18B20的测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出.
温度采集系统中微处理器ATMEGA8L与温度传感器DS18B20所需要的供电电压为5V,所以需要把市电220V的交流电通过降压,稳压,变成稳定输出的直流5V的电压.图1的原理图中电源的设计首先是采用一个小型的变压器将220V的市电降压成12V的交流电,然后采用的是L7805CV芯片,它能将12V的交流电降压并稳压到5V的直流电供给微处理器ATMEGA48与温度传感器DS18B20.
3.数据通信接口设计
3.1 通信接口硬件设计
采集系统的通信包括两个部分,一是上位机对下位机地址的查询；二是上位机循环接受各个下位机发送的温度参数测量值.由于每个下位机都有一个地址码,因此上位控制机首先要读取这些地址码后才能依照地址对下位机进行轮流控制.
由于RS-232是传输距离有限,存在只能进行距离不超过15m 的数据传送的缺点.为了克服这一缺点,实现远距离数据通信,本文利用了RS-485标准来实现远距离数据通信.RS-485通信模块具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等优点,因此被广泛使用与仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域.通信接口原理图如图2.
3.2 RS-485通信的数据格式
温度采集系统的通信数据库为串口波特率为9600,上位机的数据格式一共有5个字节.例如,AA 03 00 FF FF,第一个字节AA为下位机的设备号,第二个字节为功能码,03表示上位机读取下位机寄存器的数据,第三个字节为数据的长度,在此数据长度为0,第四、五字节分别为CRC16校验码的高字节和低字节.
响应数据格式一共有7个字节,例如,AA 03 02 01 12 FF FF,第一个字节为下位机的设备号AA,第二个字节为功能码,03表示上位机读取下位机寄存器的数据.第三个字节为数据的长度,在此数据长度为02,有两个字节来表示温度第四个字节为温度高字节T_H,第五个字节为温度的低字节T_L,实际的温度值为T等于(256*T_H+T_L)/1,第六、七字节分别为CRC16校验码的高字节和低字节.
4.软件单元的设计
4.1 下位机程序设计框图
为了方便程序调试和提高可靠性,软件单元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不同地址的温度采集点测量程序,为降低设备功耗,其程序以中断响应的方式执行.图3下位机软件主程序与中断子服务软件框图.
4.2 上位机软件设计
上位机计算机采用面向对象的可视化集成编程语言Microsoft Visual C++ 6.0编程.另外上位机数据库采用的是Microsoft公司推出的SQL Server 2008.上位机软件系统主要是由系统参数设定、温度数据实时采集监控、数据的历史查询、数据的修改、数据的导入导出五大模块组成.
5.结语
在传统温度监测系统的基础上,根据光伏发电材料的发展,设计了基于RS-485通信的光伏发电环境温度采集检测系统.(1)通过对不同材料的光伏发电设备的温度采集监控,可以通过对采集到的温度数据与光伏发电的发电量数据进行对比和研究,对发电效率的提高与发电量的预报有重大贡献.(2)当更多光伏发电新型材料和发电地点的增加,温度采集点也需要增加时,仅需要增加下位机的个数,不会影响整个系统的软硬件,增删非常简便.