基于MSP430單片機的太陽光輻照測量系統(tǒng)設(shè)計

擺存曦,任勇,董安有,張迪,葛益嫻

基于MSP430單片機的太陽光輻照測量系統(tǒng)設(shè)計

擺存曦1,任勇1,董安有2,張迪1,葛益嫻3*

1. 國網(wǎng)寧夏電力科學(xué)研究院, 寧夏 銀川 750002 2. 國網(wǎng)寧夏電力有限公司, 寧夏 銀川 750002 3. 南京信息工程大學(xué), 江蘇 南京 210044

本文設(shè)計了一種基于MSP430單片機的太陽輻照測量系統(tǒng)。系統(tǒng)以MSP430單片機為硬件核心控制器，采用硅光電池將光照度轉(zhuǎn)換為電流，經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換放大電路，實現(xiàn)微電流轉(zhuǎn)換放大，使用MSP430自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，并且通過NRF905無線收發(fā)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。利用麥夸特(Levenberg-Marquardt)算法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，該系統(tǒng)使用靈活、功耗低、電路簡潔，LM算法擬合后的數(shù)據(jù)更接近標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對于合理有效地利用太陽能具有重要的意義。

輻照測量; 單片機; 系統(tǒng)設(shè)計

能源是人類發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時，也是人類文明發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展，人類對能源需求將不斷擴大，太陽光伏能源以其暫無枯竭、低耗污染、安全可靠等有點，逐漸成為我國近年來能源供給的重要方式[1-2]。2017年我國裝機容量為53.06 GW，累計裝機已達(dá)達(dá)到130.25 GW，新增和累計裝機容量均為世界第一。全年光伏發(fā)電總量為1182億KWh，占我國全年總發(fā)電量的1.8%[3]。

隨著建站、運營工作的不斷增強，如何科學(xué)、合理的利用太陽能將成為今后光伏電站建設(shè)發(fā)展的重要問題，其中太陽輻照強度將建站選址的重要參考指標(biāo)[4-6]。本文以16位單片機MSP430為硬件核心控制器，采用硅光電池將光照度轉(zhuǎn)換為電流，并經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換、處理、傳輸實現(xiàn)測量結(jié)果展現(xiàn)。數(shù)據(jù)分析過程中利用麥夸特(Levenberg-Marquardt)算法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，該系統(tǒng)使用靈活、功耗低、電路簡潔。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

LM算法擬合后的數(shù)據(jù)更接近標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對于合理有效地利用太陽能具有重要的意義。本設(shè)計以MSP430系列單片機F149為核心控制器[7]，利用光電傳感器件，將太陽光照度轉(zhuǎn)換為方便測量和讀取的電信號量，通過理論分析，得出電信號量和太陽光輻照度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示：光電傳感器模塊采集光照度量，經(jīng)過放大、濾波模塊，利用MSP430自帶的A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理，并且通過LCD顯示模塊顯示以及無線通信模塊實現(xiàn)無線傳輸。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖2 微電流轉(zhuǎn)換放大電路

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 光電傳感器模塊

為了滿足太陽光光譜的響應(yīng)范圍，保證光電探測器的短路電流和入射光照度成線性關(guān)系，本系統(tǒng)設(shè)計的光電傳感器模塊采用濱松公司生產(chǎn)的PD638C系列的硅光電池，該傳感器響應(yīng)時間快，靈敏度高。

2.2 前置放大模塊

光電傳感器的作用是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，但得到的電流信號噪聲大且無法直接測量，需將其送入前置放大器進(jìn)行預(yù)處理。前置放大電路的作用是將轉(zhuǎn)變的電信號進(jìn)行適當(dāng)放大和處理，并盡量降低噪聲。為了防止因反饋電阻過高引起的電路的自激振蕩，提高電路的穩(wěn)定性，我們在反饋支路中添加濾波電容，提高電路的信噪比，為下級電路提供一個良好的待處理信號。

PD638C系列的硅光電池產(chǎn)生的光生電流很小，在弱光照射條件下產(chǎn)生的光生電流只有μA級，而放大器的偏置電流很容易對此光生電流造成影響，因此要選擇偏置電流盡可能小的運放，按照要求要在nA或者fA級別。并且運放要滿足較高共模抑制比，從而減小電路本身帶來的噪聲。結(jié)合上述要求，同時為了節(jié)約成本，本設(shè)計采用以動態(tài)自動校零原理為核心的芯片ICL7650[8]。該器件是一種高精度的電流型運算放大器，開環(huán)增益=130 dB，輸入阻抗=1012 Ω，偏置電流為±0.5 pA，輸入失調(diào)電壓最大為50 μV，共模抑制比為130 dB。如圖2所示微電流轉(zhuǎn)換放大電路。

2.3 濾波電路模塊

前置放大電路輸出的信號仍含有許多噪聲，需要在后面加上濾波調(diào)理電路。測量電路最后需要輸出直流電壓信號，因此濾波電路選用低通濾波器[9]，同時保證電路的穩(wěn)定性。本文采用巴特沃斯二階有源低通濾波電路，沒有正反饋，具體電路如圖3所示。

圖 3 二階低通濾波器

圖 4 電源模塊

圖 5 主程序流程圖

2.4 無線通信模塊

為使數(shù)據(jù)的讀取更加方便，本設(shè)計采用NRF905無線收發(fā)模塊，該芯片特點是抗干擾能力強；傳輸速度高，可達(dá)50 kbps；最多可內(nèi)設(shè)125頻道，滿足多點通信地址控制；功耗低，1.9~3.6伏工作電壓，使用靈活，可以直接配合單片機進(jìn)行工作，軟件編程簡易靈活。

2.5 電源模塊

根據(jù)實際需要本裝置需要在室外，因此，需要一個便攜式的、穩(wěn)定的電源進(jìn)行供電。前置放大電路、濾波電路以及MSP430單片機需要的供電電壓為±5 V，同時在電源的設(shè)計上考慮電壓到電路板上需要采取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或降壓處理，采用330 μf、10 μf、100 μf電解電容以及0.1 μf瓷片電容實現(xiàn)電源的濾波穩(wěn)壓。LM7805和ICL7660組成的電源模塊的的原理圖如4所示，輸出電壓o=±5 V。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計整體程序主要分成以下幾個部分：模塊初始化、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、無線傳送、液晶顯示、數(shù)據(jù)擬合等。各部分工作通過主程序來協(xié)調(diào)完成。系統(tǒng)的主程序可以執(zhí)行各個程序，完成數(shù)據(jù)初始化，使用定時器對其它模塊程序的運行進(jìn)行統(tǒng)一管理。其流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)電路上電以后，首先完成系統(tǒng)初始化設(shè)置，然后響應(yīng)A/D中斷進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時打開定時器中斷，在定時器中斷響應(yīng)時進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，完成后返回。

經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和處理過后得到的數(shù)據(jù)存儲在MSP430的ADC的數(shù)據(jù)寄存器ADC12MEMn里，這些數(shù)據(jù)是數(shù)字碼，根據(jù)采樣方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，模擬輸入量Vin與ADC的關(guān)系如下式：

通過模擬電壓Vin和光照度之間的關(guān)系來計算太陽光輻照度。假設(shè)前置放大器中的反饋電阻為Rf，濾波電路的放大倍數(shù)為Kp，傳感器的響應(yīng)度為S，則光照度功率P和模擬電壓之間的關(guān)系為：

根據(jù)公式（2），系統(tǒng)測試得到的in可以求出傳感器接收到的光功率。光功率和對應(yīng)的輻照度值轉(zhuǎn)換系數(shù)為，即=·。轉(zhuǎn)換系數(shù)可以通過查表得到，在400~1100 nm范圍內(nèi)以1 nm為單位波長間隔，約為2.738，從而可以求得太陽輻照度=2.738×。的具體值由測量光譜范圍和所取單位波長間隔的大小決定，所以對于不同的光源環(huán)境、不同的波長間隔所對應(yīng)的的值也不相同。

4 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)處理

4.1 系統(tǒng)測試

太陽光照射光電池產(chǎn)生微弱的電流，通過前置放大電路、濾波調(diào)理電路處理后送入單片機，然后經(jīng)由單片機A/D轉(zhuǎn)化平均值處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終得到光輻照功率。系統(tǒng)測試裝置如圖6所示。

圖 6 系統(tǒng)測試裝置

4.2 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過本文設(shè)計的測試系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)和真實值具有較大的偏差，需要進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)擬合的方式來減小誤差，提高測量值的準(zhǔn)確性。測試數(shù)據(jù)由本裝置測量提供，實驗室光譜射線模擬系統(tǒng)在相同條件下測得的數(shù)據(jù)作為真實數(shù)據(jù)。為了提高數(shù)據(jù)合理性、廣泛性，每隔半小時測量一次，如圖7所示，測試數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)之間存在著比較大的偏差。

麥夸特(Levenberg-Marquardt)算法是解決非線性問題的有效方法[10]，具有收斂快和逼近精度高的優(yōu)點，本系統(tǒng)即采用該算法對系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，用公式（3）進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖8所示。

=+*+*2+*3+*4+*5(3)

其中，=5 146.109 428 012 33，=-74.627 662 992 080 3，=0.431 451 961 229 782，=-0.001 171 426 073 672 43，=1.519 363 848 283 9E-6，=-7.556 181 363 944 45E-10

經(jīng)LM算法擬合過的數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖9所示，從圖9可以看出，兩者之間誤差很小，擬合算法得到的數(shù)據(jù)比較符合真實數(shù)據(jù)，有效的減少了系統(tǒng)硬件電路帶來的誤差。

圖 7 測試數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)比較

圖 8 LM算法擬合曲線

圖 9 擬合數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)比較

5 結(jié)語

本文以MSP430系列單片機F149為核心控制器，利用光電傳感器設(shè)計并實現(xiàn)了一套太陽光輻照度檢測裝置。通過系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計，使得本太陽光輻照度檢測裝置體積小巧、成本實惠而且功耗低。利用LM算法擬合，擬合算法得到的數(shù)據(jù)比較符合真實數(shù)據(jù)，有效的減少了系統(tǒng)硬件電路帶來的誤差。對于合理有效地利用太陽能具有重要的研究意義。

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Design for the Sunlight Irradiation Measurement System Based on MSP430 Microcontroller

BAI Cun-xi1, REN Yong1, DONG An-you2, ZHANG Di1, GE Yi-xian3*

1.750002,2.750002,3.210044,

A solar radiation measurement system based on MSP430 microcontroller is designed in this paper. This system uses the MSP430 microcontroller as the hardware core controller, and uses a silicon photocell to convert the illuminance into current. Through the current-voltage conversion amplifier circuit, the micro current conversion amplification is realized. The internal 12-bit A/D converter of MSP430 is adopted for processing. And through the NRF905 wireless transceiver module to achieve wireless data transmission. Levenberg-Marquardt algorithm is used to fit the test data. The results show that the system is flexible, low power consumption and simple circuit. The data fitted by the LM algorithm is closer to the standard data, which is of great significance for the rational and effective use of solar energy.

Irradiation measurement; microcontroller; systemic design

TN98-34; TP216

A

1000-2324(2019)04-0634-04

2018-06-18

2018-07-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(61307061)

擺存曦(1976-),男,本科,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)調(diào)控運行技術(shù). E-mail:baicunxi@dky.nx.sgcc.com.cn

Author for correspondence. E-mail:geyixian820925@163.com