2021年03月05日 | 独立光伏电源数据采集系统设计

引言

数据采集系统采集独立光伏发电系统主电路电压电流、蓄电池温度、太阳光光强变化等，为光伏控制器提供MPPT追踪、能量管理的计算和判断依据。文中设计了基于低功耗MSP430F149芯片的独立光伏发电装置数据采集系统，系统采用CHV一25P霍尔电压传感器采集电压信号，用CHB-25NP霍尔电流传感器采集电流信号，用PTl00铂电阻采集温度信号，用光敏电阻采集太阳光光强变化信号，所采样信号以模拟信号的形式传输到MSP430F149进行数据处理，经处理后的数据通过液晶屏就地显示，同时将数据通过USB串行总线传输到上位机，通过LabVIEw监控系统显示并记录。系统通信采用结合CRC校验的定制Modbus—RTU协议，保证了数据传输的可靠性。

1系统构成

整个数据采集系统配置由传感器、信号调理模块、智能控制器(以MSP430F149为核心)、液晶显示器、扩展USB接口、USB通讯电缆、计算机构成，如图1所示。MSP430F149是具有超低功耗特性的功能强大的单片机，它具有丰富的外围设备，MSP430F149芯片集成了精密硬件乘法器、2路USART通信端口、一个12位的A／D转换器、2个16位的定时器、6路并行输入输出口、一个比较器、一个DCO内部振荡器等。在独立光伏发电系统中，智能控制器完成数据采集和决策控制(MPPT追踪、能量管理)两大功能。智能控制器应用MSP430F149内部12位A／D转换器采集信号并进行数据滤波等处理，经算法分析做出决策，MSP430F149内部定时器的比较模式产生PWM波输出经驱动电路控制光伏发电系统的DC／DC变换器。IO口输出开关量信号控制电路保护继电器等。文中介绍其数据采集功能。

系统采集7路信号，分别为太阳能电池阵列的输出电压、输出电流、表面温度，蓄电池的充电电压、充电电流、温度以及太阳光光照强度变化信号。对于电流电压信号，系统要求精度高、线性度好、响应快，如实反映检测量。系统选用霍尔电压和电流传感器检测电压电流信号，用Ptl00铂电阻检测温度信号，用光敏电阻MG45检测太阳光光强变化信号。A／D转换数据经智能控制器处理后送液晶显示器就地显示，同时通过USB串口送上位机由LabVIEW监测程序以更为直观的图形显示数据并记录数据。

2硬件设计

文中以MSP430F149芯片为核心设计了数据采集系统硬件，芯片的主要资源配置如下：配置P6．0—P6．6为采样信号输入端口；配置P2口连接液晶显示器LCDl2864的8位数据总线端口；配置P5．4-P5．7为液晶显示器的LCD—RS、LCD—R／W、LCD—E和LCD—RESET控制端；配置P3．4-P3．5为CP2102芯片的通信端(注意要交叉连接)；配置P4．3为PWM信号输出端。以下主要介绍数据采集系统的信号采样电路、USB串口通信电路。

2．1电压采样电路

独立光伏系统对电压和电流的采样精度要求比较高，设计采用字波模块CHV-25P／50A和CHB-25NWSP6测量电压和电流。这两个模块根据霍尔原理制成，采用磁平衡工作方式。霍尔电流电压传感器模块有优越的电性能，具有精度高、线性度好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等优点。

2．2电流采样电路

2．4光强采样电路

光敏电阻在受到太阳光照射时，其电阻率会随光照强度的改变而变化。当光照增强时，其电阻值会显著减小，光照越强，阻值越低。在一定照度下，光敏电阻两端所加电压和流过其的电流的关系称为伏安特性。光敏电阻的伏安特性呈良好的线性关系，且没有饱和现象。

光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性，其光电特性在光照强度增大到一定程度时不完全是线性关系。但因其成本低，综合其伏安特性和光电特性，经一定的软件处理，可用光敏电阻近似的测量光照强度。

图5为应用光敏电阻MC,45监测光强变化信号的电路图。光敏电阻在光照改变条件下阻值变化非常灵敏，随其阻值变化测量点的电压相应会发生改变，根据电压改变可知太阳光强度变化。在测量电路后加一级电压跟随器，增强了测量稳定性。

2．5 USB串口通倍电路

由于USB接口连接方式通用，应用简便，该设计中用高精度的USB—UART桥接器芯片CP2102将MSP430F149的UARTO口扩展成USB通信口，单片机与上位机之间的通信通过USB电缆实现。其硬件电路图如图6所示。

3软件设计

以MSP430F149为核心的智能控制器除完成数据采集功能外还完成决策控制功能，以下介绍数据采集释序，包括A/D转换程序、数据处理,USB串口通信和上位机程序。

3.1基于M5P43U的数据采集处理程序设计

利用MSP430F149内置多路通道的12位模数转换器ADC12完成由模拟信号到数字信号的转换,ADC12以定时中断的方式进行7路信号采样。在NSPA3UF149单片机主程序系统初始化时完成ADC12的初始化，其初始化程序为:

系统初始化完成之后，ADC12以定时中断方式开始工作。其中断优先级为最高级，程序流程如图7所示。

3.2 USB串口通信和上位机监控程序设计

下位机采集到的数据通过USB串口将数据传送到上位机。在下位机中编写串门通信程字时，对USB串口的操作等同于对UART串口的操作;下位机通过USB电缆连接到上位机并安装驱动程序后，计算机系统中会出现一个虚拟的COM口，在上位机中编写串口程序时对该COM口的操作也等同于对普通串口的操作。系统通信程序采用结合CRC16校验的定制Modbus-RTU协议。系统的单片机通信程序是在IAR环境下用c语言编写的。通信程序以中断方式实现，包括发送VISA断程序和接收中断程序。在LabVIEW软件环境下，通过对VISA库中节点的配置和连接开发出符合要求的LabVIEW串行口通信软件，通过可视化编程实现了数据采集系统的LabVIEW监控程序，程序界面如图8所示:

4结束语

文中利用多种传感器设计了基于低功耗芯片MSP430F149的数据采集系统，系统可快速可靠的采集现场数据，所采集数据就地显示于液晶显示器，同时通过简便的USB电缆传输到上位机LabVIEW监控程序进行直观的图形显示记录。系统已通过调试并应用于实际装置，实践表明该系统有良好的数据采集精度和可靠性，功耗低，可广泛应用于测控系统中。