智能光伏除塵信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張守峰+劉曉艷

摘要： 關(guān)鍵詞： 中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 2095-2163（2017）06-0160-02

Abstract： It is an important factor that the dust covers the solar panels， which could affect the efficiency of solar photovoltaic power generation. Many mechanical dust cleaning equipment are restricted by the aspects such as intelligence and security now. The intelligent solar cleaning equipment has a MSP430. The proposed design could detect the dust on the solar panel by photoelectric switch detection system. It sends the alarm signal with GPRS.

0引言

太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)品具有安全、清潔、故障率低、維護(hù)方便和建設(shè)周期短等許多優(yōu)點(diǎn)，而且不受地形和建筑局限，因此得到了強(qiáng)勢推廣和普及應(yīng)用。光伏發(fā)電的核心器件是太陽能光伏組件，由于氣候和環(huán)境等因素影響，組件表面容易積灰，這是影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的一個(gè)重要的因素。

1設(shè)計(jì)方案

太陽能光伏組件表面灰塵的及時(shí)清除是提高發(fā)電效率的重要手段。目前，通用的除塵方法有自動(dòng)清潔技術(shù)、人工清洗、水槍清洗、噴淋系統(tǒng)和自動(dòng)化清潔裝置，但是這些方法存在著許多問題：如需要大量清水，智能化程度低，功耗較大，限制了外置機(jī)械清潔裝置的進(jìn)一步拓展應(yīng)用。

智能光伏組件除塵裝置，由動(dòng)力裝置、檢測與信號(hào)處理和清潔裝置三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。其中的動(dòng)力裝置系統(tǒng)使用無人機(jī)運(yùn)送除塵設(shè)施，吸收組件表面的灰塵，清潔裝置系統(tǒng)的主要配件則是采用正負(fù)壓吸附技術(shù)的吸塵設(shè)備，而檢測與信號(hào)處理系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，采用無線發(fā)送模塊F05P和無線接收模塊J04V通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)操作處理。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)采集系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，由光電傳感器檢測電路、MSP430單片機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)處理模塊和無線通信模塊組成，硬件系統(tǒng)如圖1所示。下面，將針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各組成部分展開如下分析論述。

2.1光電傳感器

PC控制平臺(tái)對(duì)除塵裝置的控制包括組件表面灰塵自動(dòng)檢測，對(duì)所檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和處理，判斷是否需要除塵。考慮到野外作業(yè)的環(huán)境因素、光照和風(fēng)力影響，傳感器在選擇上要滿足靈敏度較高、能耗較低和易維護(hù)等條件。本系統(tǒng)傳感器選擇E3F-DS30C4 可調(diào)漫反射光電開關(guān)。該款傳感器采用三線制結(jié)構(gòu)，有效檢測距離為30 cm，工作電壓DC 6～36 V，最大負(fù)載電流300 mA，適合環(huán)境溫度-25 ℃～+70 ℃。在檢測系統(tǒng)中采用對(duì)射模式，傳感器為NPN型常開結(jié)構(gòu)，當(dāng)光伏組件上的灰塵較多時(shí)，光線被吸收不能發(fā)生反射，開關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，發(fā)出請(qǐng)求作業(yè)信息。為了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以采用通過多組光電開關(guān)，并對(duì)檢測信號(hào)求取結(jié)果平均值的方法。

2.2信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路由觸發(fā)器和放大電路構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。觸發(fā)器采用74LS279芯片，含有4路RS觸發(fā)器，輸入端接傳感器檢測信號(hào)和基準(zhǔn)電平，輸出端接三極管放大電路。根據(jù)光伏發(fā)電運(yùn)行成本，不同地區(qū)對(duì)灰塵覆蓋度容忍不一，基準(zhǔn)電平的設(shè)計(jì)是用于調(diào)整太陽能組件的清掃觸發(fā)信號(hào)。

2.3單片機(jī)電路

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器成功研發(fā)、并推向市場的一種16 bit超低功耗的芯片處理器，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、低電壓和小電流等特點(diǎn)。相對(duì)于CS51系列單片機(jī)，MSP430采用了精簡指令集結(jié)構(gòu)，均為單周期指令，運(yùn)行速度極快；低至0.1 μA節(jié)電運(yùn)行模式更適合應(yīng)用于借助電池供電的儀器或儀表類產(chǎn)品中；16 bit和8 bit混合開放型結(jié)構(gòu)，可提供更多功能；開發(fā)工具簡潔，能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程。

無線發(fā)送模塊F05P采用SMT工藝，小體積、低功耗、聲表穩(wěn)頻，適合短距離無線遙控報(bào)警及單片機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸。支持較寬的工作電壓范圍，ASK方式調(diào)制，單片機(jī)的數(shù)據(jù)可直接通過串口送至數(shù)據(jù)輸入端。

MSP430單片機(jī)硬件工作原理如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能光伏除塵信號(hào)無線采集系統(tǒng)由系統(tǒng)主程序、中斷服務(wù)子程序和報(bào)警子程序等構(gòu)成，在進(jìn)行初始化設(shè)置后，程序系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)，正常運(yùn)行于低功耗模式，程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。當(dāng)MSP430單片機(jī)檢測到除塵清掃信息，可以通過UART中斷進(jìn)入運(yùn)行模式，調(diào)用無線信號(hào)發(fā)射子程序，并生成報(bào)警信號(hào)通過UART中斷來啟動(dòng)運(yùn)行F05P無線發(fā)送模塊。

MSP430串行通信接口是處理器與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸頻繁選用的方式之一，占用更少的I/O口就可以在系統(tǒng)間交換信息，尤其適用于單片機(jī)與外設(shè)之間的遠(yuǎn)距離通信。MSP430 系列單片機(jī)有2種串行通信接口：較早的 UART 模塊和較新的 USCI 模塊。通信模塊在每個(gè)采樣周期內(nèi)把數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)，在UART中斷模式下，I/O口定義為第2功能、即串口發(fā)送接收，時(shí)鐘信號(hào)選擇為ACLK，8 bit數(shù)據(jù)傳輸格式，波特率采用9 600 bps。

4結(jié)束語

本文研究提出了基于MSP430的光電開關(guān)智能光伏除塵無線信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目整體調(diào)試完成，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)具有很高的集成化和智能化，符合當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。硬件質(zhì)量輕、可靠性高，并且容易維護(hù)、性價(jià)比很高，為未來產(chǎn)品升級(jí)留有可觀拓展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王瑜，王斌. 基于STC系列微控制器的電機(jī)數(shù)字測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電氣技術(shù)，2012（3）：69-71.

[2] 張海洪，談士力，龔振邦，等. 壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人清洗工藝分析[J]. 機(jī)電一體化，2001（1）：10-14.

[3] 高九崗，吳神麗，李宏穆. 一種新型高樓清洗爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2010，39（6）：66-67，142.

[4] 李東煒，楊曉鈞，李兵. 壁面自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2010，39（6）：80-82.

[5] 鄒新，王新，鄧霞. 光伏電站組件清洗效果及方法初探[C]//第十一屆中國光伏大會(huì)暨展會(huì)會(huì)議論文集. 南京：中國可再生能源學(xué)會(huì)，江蘇省光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，2010： 1285-1289.

[6] 重慶理工大學(xué). 一種太陽能電池除塵裝置的清潔機(jī)構(gòu)：中國，ZL201320193341.6[P].2013- 07-26.

[7] 姜進(jìn)，王鑫，楊慧中. 基于MSP430單片機(jī)的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 江南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，10（1）：45-48.

[8] 周莉，陳杰，蔡加星. 基于 MSP430單片機(jī)的智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，34（2）：46-48，65.

[9] 米繼耀，施云波，修德斌，等. 基于MSP430的高壓開關(guān)柜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的研制[J]. 電子測量技術(shù)，2010，33（9）：81-84.

[10]朱偉，韓服善. 光電傳感器在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J]. 電子工程師，2004，30（8）：72-73.endprint