光伏路燈控制器數(shù)據(jù)采集與傳輸功能的實(shí)現(xiàn)

普平貴　傅洪波　王偉　黃超

摘 要：為了便于太陽能路燈系統(tǒng)的故障快速判斷、驗(yàn)證其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，為此設(shè)計(jì)了一種帶有狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和存儲功能的控制器。配套基于WINDOWS操作系統(tǒng)的軟件監(jiān)控平臺，通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問和下載，實(shí)現(xiàn)對太陽能路燈系統(tǒng)的智能化管理。

關(guān)鍵詞：光伏路燈控制器 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)存儲

中圖分類號：TM615；TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（c）-0051-03

太陽能路燈系統(tǒng)以其具有安裝簡便、工作穩(wěn)定可靠、不敷設(shè)電纜、不消耗常規(guī)能源、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前太陽能路燈的運(yùn)用已經(jīng)成為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)最大分支，廣泛應(yīng)用于鄉(xiāng)村道路、城市部分景觀道路、廣場和小區(qū)照明。但由于太陽能路燈系統(tǒng)單盞本身自成一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，包含發(fā)電單元、儲能單元和充放電控制單元，其電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，而且路燈系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理帶來了諸多難點(diǎn)。

目前廣泛使用的太陽能路燈系統(tǒng)，運(yùn)行維護(hù)管理僅參照傳統(tǒng)路燈的管理方式，系統(tǒng)故障率較高。系統(tǒng)中單體成本最高的儲能設(shè)備，運(yùn)行3～5年左右，基本就處于報(bào)廢狀態(tài)。而系統(tǒng)出現(xiàn)故障，判斷的依據(jù)僅僅是光源是否還能照明，照明的時(shí)間還能夠持續(xù)多久。在判斷是否能夠照明方面，主要通過夜晚燈亮?xí)r段查看光源不亮?xí)r，白天對該盞路燈檢查控制器輸出、蓄電池狀況、光伏組件電流電壓等參數(shù)；在判斷儲能設(shè)備性能時(shí)，主要通過持續(xù)陰雨天夜晚時(shí)查看路燈的持續(xù)照明時(shí)間。而對于路燈系統(tǒng)運(yùn)行中每天的充放電量狀況、光伏組件運(yùn)行狀況、蓄電池使用中的性能等問題，運(yùn)行管理人員對其一無所知，對系統(tǒng)初期的設(shè)計(jì)是否合理更是一片茫然。

因此，傳統(tǒng)的太陽能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行管理手段仍然非常原始，不能夠?qū)β窡粝到y(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、預(yù)判系統(tǒng)的故障點(diǎn)?；谝陨弦蛩?，開發(fā)出具備數(shù)據(jù)采集和存儲功能的太陽能路燈控制器，其作為太陽能路燈系統(tǒng)中的一個(gè)核心部件，對其研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 太陽能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽能路燈系統(tǒng)主要由太陽能電池板、蓄電池、控制器、負(fù)載組成?？刂破髟谡麄€(gè)系統(tǒng)當(dāng)中處于核心地位，白天太陽能電池板對蓄電池的充電過程全依靠該設(shè)備全程控制，太陽能電池板的工作狀況也可以通過充電過程分析出來。夜晚時(shí)分，通過控制器采集太陽能板端電壓判斷夜晚的來臨并開啟負(fù)載端輸出，實(shí)現(xiàn)對光源的供電。在供電過程中，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定，對光源的照明時(shí)間、照明亮度要求自動(dòng)控制調(diào)整。

2 控制器功能與結(jié)構(gòu)

太陽能路燈控制器通過單片機(jī)對太陽能電池的充電電壓、充電電流、蓄電池端電壓、放電電流、環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)符合蓄電池特性的放電率，溫度補(bǔ)償修正的高效、高準(zhǔn)確率控制，并采用高效的PWM模式對蓄電池充電，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)，延長蓄電池的使用壽命，并且能將相關(guān)的充放電數(shù)據(jù)保存[1]。

控制器具有防雷擊、防反充、防反接、過載、負(fù)載短路等保護(hù)措施，并且具有充放電、蓄電池狀態(tài)、負(fù)載工作及各種故障顯示、顯示時(shí)間等指示，此外控制器還具有按鍵設(shè)置功能及數(shù)據(jù)存儲功能，存儲的數(shù)據(jù)可通過串口通訊在電腦上導(dǎo)出查看同時(shí)也可通過串口通訊時(shí)時(shí)監(jiān)測充放電數(shù)據(jù)[2]。所設(shè)計(jì)的一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能的光伏路燈控制器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

因該系統(tǒng)要求對太陽能路燈工作進(jìn)行控制，即12 V/24 V系統(tǒng)電壓自動(dòng)適應(yīng)，控制太陽能電池板對蓄電池充電，控制蓄電池對負(fù)載放電，工作在單時(shí)段、雙時(shí)段和固定模式，具有數(shù)據(jù)存儲功能，能通過串口接口方便的將數(shù)據(jù)讀到電腦上。同時(shí)要求控制器本身功耗要較小。在經(jīng)過考慮以上要求和考慮程序存儲器寫入方式、電源范圍、工作頻率、市場價(jià)格、兼容型、加密功能、抗干擾性、燒寫壽命更長等因素后選擇了STC公司的芯片作為該系統(tǒng)的中央控制器。此芯片是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/s），抗強(qiáng)干擾，F(xiàn)lash程序存儲器28 K[3]。

如圖1，單片機(jī)通過充放電檢測模塊對充電的電壓、電流及蓄電池電壓、負(fù)載輸出電流進(jìn)行采樣[3]，通過A/D轉(zhuǎn)化把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并且在芯片內(nèi)部對數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)時(shí)判別是否符合充電或放電條件，若滿足充電條件在充電時(shí)調(diào)整充電的狀態(tài)，于此同時(shí)在充放電的過程中把相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲在Flash程序存儲器內(nèi)。溫度采集模塊及按鍵設(shè)置模塊同樣是將采樣的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并且在芯片內(nèi)部對數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算。對溫度的采樣是為了補(bǔ)償充電電壓（溫度的變化會(huì)影響蓄電池的充電特性）[4]。按鍵設(shè)置模塊是為了設(shè)置放電的模式和時(shí)間，設(shè)置的數(shù)值在數(shù)碼管上會(huì)顯示。

該控制器區(qū)別于以往的傳統(tǒng)控制器是它不僅具備了傳統(tǒng)控制器的各種基本功能，還增加了串口通訊和數(shù)據(jù)存儲的功能，這使得光伏路燈維修更加地簡單方便，只要通過電腦就可以將以往的充放電數(shù)據(jù)在串口軟件上調(diào)出，這樣一看數(shù)據(jù)便可知道路燈系統(tǒng)是哪出現(xiàn)了問題，而且由于具有數(shù)據(jù)儲存功能，設(shè)計(jì)人員在查看數(shù)據(jù)時(shí)便可驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的路燈方案是否合理，對于積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、做光伏路燈有關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是有極大的幫助的。數(shù)據(jù)存儲的基本原理是所存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)過各模塊的采集匯集到單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算，將需存儲的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制代碼儲存于Flash程序存儲器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)巡回檢測太陽能電池輸入的電壓、電流值，判別是否天黑，白天則為蓄電池充電，黑夜則按照設(shè)定的輸出時(shí)間開啟輸出。充電的同時(shí)進(jìn)行溫度檢測，對充電電壓進(jìn)行補(bǔ)償，使電壓值在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的修正值。對每天所進(jìn)行的充放電數(shù)據(jù)捕捉并且存儲于片內(nèi)存儲器內(nèi)。流程圖如圖2。

4 數(shù)據(jù)采集和存儲功能

對于太陽能路燈系統(tǒng)中，影響路燈運(yùn)行工況的構(gòu)件設(shè)備包括光伏組件、蓄電池和控制器。因此，控制器采集和存儲的數(shù)據(jù)需要包括每天的充電量、放電量和蓄電池部分時(shí)段的電壓狀況。

根據(jù)對以上數(shù)據(jù)量的需求，設(shè)計(jì)的光伏控制器數(shù)據(jù)采集和存儲功能需要具備實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏組件端的工作電壓、開路電壓、工作電流，蓄電池部分時(shí)間點(diǎn)的在線電壓，以及統(tǒng)計(jì)每天的充電電量和放電電量。

通過統(tǒng)計(jì)每天的充電電量和放電電量，可以分析當(dāng)?shù)貧夂驙顩r下適合于該地的最佳設(shè)計(jì)配置方案。驗(yàn)證項(xiàng)目初期設(shè)計(jì)配置方案的合理性，便于后期項(xiàng)目方案的適實(shí)調(diào)整。并且通過分析一段時(shí)間充放電電量差異情況，結(jié)合蓄電池每天開燈時(shí)和熄燈時(shí)電壓情況，若出現(xiàn)配置上存在問題或者某一年該地區(qū)出現(xiàn)特殊氣候、太陽輻射量偏低現(xiàn)象時(shí)，通過人為設(shè)置，調(diào)整照明設(shè)備的亮度或者照明時(shí)間，避免蓄電池出現(xiàn)長期饋電導(dǎo)致?lián)p傷。通過分析每天充電電量和充電電流大小，結(jié)合當(dāng)?shù)厝照涨闆r，判斷光伏組件運(yùn)行工況。通過分析一段時(shí)間每天的開燈電壓和熄燈電壓，判斷蓄電池運(yùn)行狀況。

PC機(jī)上面的軟件監(jiān)控平臺，通過RS232串口和控制器實(shí)現(xiàn)連接，采集控制器內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)。同時(shí)，也可以通過該平臺，調(diào)整太陽能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，參看實(shí)時(shí)充放電狀況數(shù)據(jù)（見表1）。

5 結(jié)語

雖然太陽能路燈作為一種綠色、清潔的能源示范窗口，近幾年被廣泛應(yīng)用于城市和鄉(xiāng)村道路照明，但由于目前儲能設(shè)備的使用壽命仍然較短，成本還比較高，無形中加大了路燈系統(tǒng)的后期運(yùn)行管理費(fèi)用。從目前具備數(shù)據(jù)采集和存儲功能的路燈控制器采集的數(shù)據(jù)分析看，由于路燈系統(tǒng)安裝位置的特殊性，造成光伏組件受周圍建筑和樹木陰影遮擋問題較為突出，傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)配置方案移置于路燈系統(tǒng)存在一定的不科學(xué)性，造成蓄電池過早失效，增加了后期的運(yùn)行成本。

在太陽能路燈控制器上增加了串口通訊和數(shù)據(jù)存儲功能，便于路燈系統(tǒng)故障的查找以及校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置的合理性，使得光伏路燈控制器功能更加完善，整個(gè)路燈系統(tǒng)也將更加穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖洪兵.跟我學(xué)用單片機(jī)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2] 王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3] 丁向榮.STC系列增強(qiáng)型8051單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.