聯網監控智能分配光伏電源管理系統的設計

劉蓮，藍國財，鄧福林，梁琦，李沛敏，周紫茵，康家榮

（廣西民族師范學院，廣西崇左，532200）

0 引言

我國是一個人口大國，資源耗用量較大，如何提高能源利用率，減少不必要能耗，成為當前重點研究內容。而太陽能作為—種綠色生態能源，具有高效、無污染、不受地域限制等優點，但是目前國內光伏發電系統都存在一定的問題，如發電量過低、轉換效率低、蓄電池充電異常、蓄電池蓄能過低、輸出功率過高、電池溫度過高、無法實時觀測電池充放電等一系列問題，這就使得家庭光伏發電管理系統不能完全普及。為解決這一系列問題本文提出一款基于GD32F450ZGT6 單片機為主控核心的家庭光伏發電管理系統，通過實驗證明該系統能夠實現對光伏發電電流、電壓、溫度的有效監控，以保證光伏發電系統穩定可靠地工作和對用戶的財產的保護。

1 系統設計

本設計系統由硬件設計和軟件設計組成其硬件設計主要由溫度檢測系統、WiFi 模塊、SIM 卡模塊、LCD 顯示屏、GD32F450ZGT6 主控、太陽能板組合輸入、輸出轉換電路組合而成。軟件設計包含手機APP 開發和單片機程序相結合。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 硬件設計

■2.1 GD32F450ZGT6 單片機

GD32F450ZGT6 單 片機內核是由ARM Cotex-M4 可 通 最 大CPU 最 大 主頻率為200MHz，可工作電壓范圍是2.6V~3.6V，芯片的時鐘可以由內部RC 振蕩電路產生或者通過 外 部4MHz~32MHz 輸入，進入芯片內部的時鐘系統后將時鐘分頻、倍頻后供給各個外設系統，該芯片有豐富的外設系統，如ADC（模數轉換器）可實現對輸出電壓、電流的檢測，并通過顯示器顯示，并且芯片具有LCD 外設接口，通過硬件支持，可以實現以較高的刷新率實時顯示系統界面。

■2.2 溫度傳感器

在整個設備的大功率轉換電路部分如輸入電壓轉換部分的MOS 管，每塊電池的表面和輸出轉換電路區域和電壓轉換芯片上均放置溫度傳感器，隨系統各個點的溫度實現實時監控時刻保證系統的穩定性和安全性。考慮到轉換電路的溫度屬于高di/dt 電路，所以根據歐姆定律，其所產生的熱量將會在電路上產生約30℃的溫升大約使得功率轉換電路達到50℃左右。但是如果電流過大，產生的溫度過高，將會使得電路損壞嚴重的更會引發起火，所以本設備同時在所有電池上安裝溫度傳感器，如果存在4 塊電池將會安裝4個溫度傳感器探頭，以此類推。

■2.3 太陽能板組合輸入

太陽能板的電源轉換芯片選型上采用了來自南芯公司的SC8721，這是一顆超高效率，集成了4 顆功率管的同步Buck-Boost 轉換器，SC8721的輸出電壓能夠高于，等于或低于輸入電壓。并且SC8721 擁有超寬的輸入及輸出電壓范圍，輸入輸出電壓范圍能夠達到2.7 ～25V，并且擁有較大的輸入輸出電流能力。SC8721 轉換電路圖如圖2所示。

圖2 SC8721轉換電路圖

■2.4 WiFi 模塊

無線通信模塊是使用WiFi 連接主控芯片再由顯示屏顯現或是在手機上監控用電量，再通過短信模塊SIM 卡傳輸。在此設計中是運用在WiFi 連接主系統，無需接入有線網絡，做到添加聯網功能。ESP8266 是一款低功耗性價比好的嵌入式無線網絡控制核心處理器，可滿足此設計的聯網監控智能分配光伏電源管理系統應用的需求。WiFi 模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 WiFi模塊電路原理圖

■2.5 LCD 顯示屏

本設計采用4.3的LCD 顯示屏，顯示器的分辨率為800×480，可以顯示整個系統的各項電力參數如當前光伏板的輸入功率，電池的輸出/輸入電流，電池電壓和溫度，輸出電力的實時電流和電壓以及功率等一系列重要的系統參數，并通過觸摸面板與用戶實現系統的交互，電容觸摸點數最多5 點同時觸摸，可供用戶設定溫度報警的上下報警閾值，電池類型選擇，電池電壓保護閾值以及功率限制閾值等一系列系統參數。支持24位并口通訊方案，可接納電源3 ～5V的正極，工作環境溫度可在-20℃~70℃,存儲溫度為-30℃~80℃。這款LCD 顯示屏在省,電省能方面可顯示有大優勢,所以本設計采用這款4.3 寸的LCD 顯示屏。

■2.6 SIM 模塊

SIM 模塊通過用戶插入SIM 卡實現發送短信、接收短信、接聽電話和撥出電話等功能，模塊具有小體積，低功耗的優點，在本設計中，使用模塊的短信發送功能，可以在設備異常以及各類需要通知用戶的情況下向其發送通知短信實現實時報警功能。SIM 短信模塊工作流程圖如圖4所示。

圖4 SIM短信模塊工作流程圖

■2.7 輸出轉換電路

輸出轉換電路由SC8721 切換方向從電池輸出到用電器如逆變器，手機充電器等一系列負載設備，輸出電路的性能可以在電池性能允許的情況下支持最大輸出DC24V20A 共計480W的功率輸出。

3 軟件設計

本設計包含硬件程序設計和軟件程序設計。硬件程序設計是基于主控芯片GD32F450ZGT6的C 語言程序設計，軟件設計則是采用App Inventor 圖形化編程。

■3.1 GD32 主控程序設計

GD32 主控主要負責接收BMS 電池管理系統、電流檢測、電壓檢測、溫度轉換的數據和將接收到的數據進行轉換后通過WiFi 模塊上傳到手機客戶端。最后根據設計需求通過編寫程序實現其對應功能，下面分別對這幾點進行闡述。單片機程序流程如圖5所示。

圖5 單片機程序流程圖

3.1.1 BMS 電池管理系統

電池管理系統包含了電池溫度檢測、電池過充過放檢測和庫侖計容量計算，電池溫度檢測通過在每個電池上放置溫度傳感器探頭，將每個溫度傳感器采集到的溫度通過BMS 電池管理系統芯片的串口發送到本設計主控芯片中，主控芯片將接收到的電池溫度與設定的電池溫度進行對比，當電池溫度過高時系統自動切斷電流的輸出并上報主控芯片，實時保護電池以及保證用戶的生命財產安全，過充過放保護電路將實時監控每一塊電池的電壓當電壓低于或高出閾值將會觸發保護切斷電源輸出，極大地延長了電池的壽命；庫侖計通過實時對電池的電流以及方向進行積分，通過一段時間自主學習可以獲取到電池組的真實容量以供系統進行功率評估。BMS 電池管理系統程序流程如圖6所示。

圖6 BMS電池管理系統程序流程圖

3.1.2 電流檢測

利用歐姆定律在電源輸入或輸出端口的正極通路上放置一個阻值為毫歐級別的采樣電阻，并使用運算放大器通過差分檢測的方式將電流信號轉換為電壓信號輸出到主控芯片，在程序上將檢測回來的ADC 外設采樣電壓信號轉換為數字量，并經過一系列轉換和濾波后得到真實電流值并通過LCD 屏顯示給用戶查看，當電流的閾值高于設定的安全值時，主控芯片給SIM 短信模塊發送指定的AT 指令驅動短信模塊發送短信通知用戶，同時主控芯片控制對應的轉換電路限制功率或者關閉電流通道。

3.1.3 電壓檢測

主控芯片的ADC 轉換器最大可檢測的輸入電壓只有1V 左右，但是各個轉換器的節點電壓均大于10V，所以需要經過分壓電路后將衰減后的電壓送至主控芯片，本設計使用50倍衰減電路將電壓轉換為原始電壓的1/50，通過運算放大器跟隨后輸出到主控芯片ADC 外設，主控芯片開啟定時器以1ms 為周期對外設ADC的數據實時采集，將采集回來的數據按照數據手冊的公式進行轉換后顯示到LCD 顯示屏上，以此實現對各個點的電壓監控。

3.1.4 溫度檢測

該溫度檢測是專門檢測光伏板溫度的，主控芯片通過定時器掃描的方式使溫度傳感器以一定時間周期輪流檢測每一個探頭放置點的溫度，當每個點的溫度超出其設定的上下限閾值時將會產生系統報警并采用但不限于限制功率，關閉電路等一系列保護措施保證設備的安全性。

比如常態下電池溫度30℃左右，設備一切運轉正常，但是如果電池溫度升高超過了50℃，系統通過以MOS 管搭建的電路限制流經電池的電路的電流，溫度越高主控芯片對其所在的電流通路的電流限制越高，當溫度超過上限閾值系統將會直接切斷通過電流并產生聲光報警并通過SIM 模塊向用戶發送異常報警信息提醒用戶進行設備檢查。

■3.2 手機APP 設計

App Inventor 是一款完全在線圖形化的手機APP 開發網站，這款在線手機APP 開發網站極大程度便捷了開發人員和初學者。程序編寫只需要把對應的代碼塊拼接到一起即可完成程序的編寫，不需要花太多的時間去學習和鉆研這個程序如何編寫。本設計通過在該網站開發手機APP的頁面和程序編寫，第一步是先把通訊接口配置為WiFi 模式，第二步配置屏幕的水平布局，然后把對應的按鈕、標簽和輸入文本框拖到前面配置好的水平布局中，根據項目需求修改標簽名字和按鈕名字即可完成手機APP的頁面布局。最后一步就是編程，該程序最核心的地方就是和下位機進行通信及如何將下位機發送過來的大量數據顯示到手機APP 上。程序編寫比較簡單就是把對應的代碼板塊按照本設計工作的邏輯依次拼接到一起即可。本設計采用該網站開發了一款智能分配光伏電源管理平臺APP，方便用戶實時查看光伏電源管理系統的各項數據。手機APP 頁面設計如圖7所示。

圖7 手機APP頁面設計

4 系統測試

用戶進入手機APP 連接好WiFi 后可直觀地看到，光伏板的電壓和電流、蓄電池的電壓、電流、溫度和當前系統是否已經聯網等信息，同時用戶可以在管理后臺查看充電數據和自主設定電池溫度的上下限閾值等操作，這款手機APP的數據會根據光伏電源管理系統的變化實時刷新。手機APP 測試效果圖如圖8所示。

圖8 手機APP 測試效果圖

5 結語

本文詳細介紹了聯網監控智能分配光伏電源管理系統，該設計體積小巧，支持多種光伏板的接入方式，并且支持連接互聯網，以實現用戶對光伏發電系統的實時監控，系統會根據所收集到的信息進行風險事件預警。采用溫度傳感器實時檢測設備溫度以及元器件發熱情況，保證系統的安全運行。延長系統使用壽命以及保證系統的安全性。由此讓使用光伏發電家庭更加安全、便捷地管理光伏發電系統。