基于单片机的光伏发电数据采集系统的设计

第一章  绪论

一.1 研究背景及意义

中国作为一个能源需求大国，国内各类可用能源相对充足，其中太阳能资源因其清洁、可再生的特性，在国内能源结构中占有举足轻重的地位。随着全球对节能减排的重视日益加深，太阳能发电技术，特别是光伏发电在国内得到了广泛的关注和应用^[1]。近年来，为响应国家节能减排战略，各级行政机关纷纷出台政策，鼓励光伏发电站的建设，为新能源的开发与利用提供了强有力的支持。

然而，光伏电站的运维管理却面临着诸多挑战。由于光伏电站多建于偏远地区，这些站点普遍面临着交通不便、信息不畅等难题。这不仅增加了运维成本，也限制了光伏电站的运行效率和稳定性。传统的运维方式已经无法满足现代光伏电站的需求，因此，如何实现光伏电站的自动化和信息化管理成为了行业关注的焦点^[2]。

本研究针对光伏电站的运维管理问题，结合互联网、计算机与数据分析技术，设计了一套光伏电站监测系统。该系统能够实时监控光伏电站的运行参数，如电压、电流、功率等，并将这些数据实时传输至上位机进行显示和分析。此外，该系统还实现了本地控制与上位机控制的互联，形成了双重监控机制，大大提高了光伏电站的安全性和稳定性^[3]。

这套光伏电站监测系统的设计与应用，不仅提高了光伏电站的运维效率，也为电站的进一步研究和优化提供了有力支持。其实时性、全面性的功能特点，使得光伏电站的运维管理更加科学、高效。对于推动中国光伏产业的健康发展，实现绿色、低碳的能源转型具有重要的现实意义^[4]。

综上所述，中国光伏电站虽然面临着诸多挑战，但随着技术的不断进步和政策的持续支持，其发展前景依然广阔。未来，随着更多智能化、信息化技术的应用，光伏电站将成为中国能源结构中的重要组成部分，为实现可持续发展和绿色经济做出更大的贡献。

一.2 国内外发展现状

光伏发电技术在不断完善的过程中，出现了其参数采集系统的课题，并且相关的研究也越来越多。20世纪后半阶段，境外的一些研究团队开始研究太阳能向电能转换的过程中涉及的相关参数的采集问题^[5]。其中一个实验团队观察2个6kW的光伏发电站，将发电站的运作过程涉及的相关参数记录下来，并对这些数据进行分析与计算，初步推算出某些发电参数与周围的环境参数存在一定的关系，并找到影响光伏发电站效率的因素，一九九五年，国际能源机构对世界内不同地势与气候的约两百个发电站进行观察，统计不同发电站的不同参数，然后以此作为参考数据进行统一的分析。东京大学于一九九九年开展了一项光伏发电站的发电功率与其内部电源配置情况的关系的研究，对蓄电池充放电过程中引起的功耗进行定量的计算分析。上述研究构成了一个涉及运作参数，系统特性与数据采集的研究网络，对后人有关其性能分析的研究有很大帮助。最近几年，一些公司将一些数据采集仪器与其研发的光伏发电产品配套。但是这些仪器通常与其公司的产品绑定，不适用于其他产品^[6]。所以，具有普适性的光伏发电的数据采集产品还有很大的市场。卓越集团与华哈尚公司抓住了这个机会，研发出了独立的光伏发电的数据采集产品。

在全球能源技术革新的浪潮中，电力采集与监测系统的研究在我国能源领域占据了举足轻重的地位。尽管相较于国际先进水平，我国在该领域的研究起步较晚，但伴随着国家对新能源技术的日益重视和大力支持，众多企业、大学及研究机构纷纷投身于这一前沿领域的研究工作，并取得了令人瞩目的进展^[7]。

值得一提的是，中科院作为我国最高级别的科研机构之一，其在电力采集与监测技术领域的研究尤为引人注目。该院的研究团队依托先进的虚拟仪器平台，充分发挥技术创新和研发优势，独立研发出了一套适用于个人计算机的监测系统软件。该软件不仅界面友好、操作便捷，而且具备强大的实时数据采集、存储、分析和展示功能，为我国电力系统的智能化、自动化管理提供了坚实的技术支撑^[8]。

在研发过程中，中科院的研究团队紧密结合我国电力系统的实际需求，对监测系统的性能进行了全面优化。该软件能够实现对电力系统运行状态的实时监控，及时发现并处理异常情况，有效提高了电力系统的稳定性和安全性。同时，该软件还能够对电力数据进行深入分析，为电力企业的决策提供科学依据，推动我国电力行业的可持续发展^[9]。

此外，中科院的研究团队还积极与国内外同行开展交流合作，吸收借鉴国际先进经验和技术成果，为我国电力采集与监测技术的创新发展注入了新的活力。未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，相信我国在电力采集与监测技术领域的研究将取得更加辉煌的成就^[10]。

与此同时，合肥工业大学也在该领域取得了令人瞩目的成果。该校的研究团队基于VISUALABISIC和ACCESS2.0编程技术，开发出了一个独立的电力参数与站点工作状态测定软件^[11]。该软件不仅具有高度的灵活性和可扩展性，而且能够实现对发电参数的精准测量和对站点工作状态的实时监控，为电站的安全稳定运行提供了有力保障。

此外，淘科公司作为一家专注于新能源技术研发和应用的高新技术企业，也开发出了一个与采集系统和数据监测密切相关的线上平台——绿色电力网。该平台基于BALANCE SHEEP技术构建，通过互联网技术实现了对电站运行状况和各种数据的实时远程监测。该平台不仅为电站的运维人员提供了便捷的管理工具，也为电站的投资者和运营者提供了科学决策的依据^[12]。

综上所述，虽然我国在电力采集与监测技术的研究上起步稍晚，但凭借着强大的科研实力和不懈的努力，已在该领域取得了显著的研究成果。未来，随着技术的不断进步和应用的不断深化，相信我国在该领域的研究将取得更加辉煌的成就。

一.3 课题研究内容

本文的研究主体是第三方的独立型光伏发电站，对其数据的采样与进一步分析处理的内容进行研究，选用单片机为主机，设计出光伏发电站的独立式数据采集系统。此系统选取8位51系列单片机作为主芯，对数据的采集工作进行控制和处理。笔者将以五章的内容陈述本文的研究^[13]。其中第一章是绪论部分，对文章的选题方面以及关于这一主题的研究状况和本文的主要内容，请参阅对国家和国际研究情况的简要描述。第2章描述了系统的总体结构，并描述了系统的功能，这些功能本质上构成了相应的模块和模块。第三章介绍了该系统的硬件方面，特别是有关芯片和插件的提取，以及数学转换电路、输入电路、温度和光强度输入模块。第4章介绍了该系统的软件部分，用于使用绘图，以及随后在该芯片内部对该程序进行催化。第五章对前文进行了相应的总结，并以现状为出发点，提出现阶段相关产品的不足之处并对数据采集系统的未来进行展望。 

第二章  系统的总体设计

二.1 系统设计

本文旨在设计一种基于单片机的光伏发电数据采集系统，该系统以8位51系列单片机作为核心处理器，利用C语言进行编程，以实现站点关键参数的实时监控与记录。本文详细阐述了该系统的软件设计与硬件设计两大方面，旨在为光伏发电站点的智能化管理与数据分析提供技术支持^[14]。

在硬件设计方面，系统各功能模块均选用了高性能、高精度的传感器与芯片。温度采集模块以DS18B20温度传感器为基础，利用其高精度、快速响应的特点，实时监测站点环境温度。光照参数收集模块采用BH1750FVI数字光照传感器，该传感器具有宽测量范围和高分辨率，能够准确捕捉光伏板表面的光照强度变化。I值记录模块以ACS711电流传感器为核心，实时监测光伏系统的电流输出。U值记录模块则以SS49E电压传感器为基础，确保对系统电压的精确测量。模数转换模块采用OPA388运算放大器，实现模拟信号的精确放大与转换^[15]。通信模块则结合TLC549串行通信接口与SIM900A GPRS模块，实现数据的远程传输与实时上报。

在软件设计领域，C语言以其高效、灵活和强大的特性，被广泛应用于各类系统的开发。在光伏发电站点的管理系统中，C语言同样发挥着重要的作用。该程序旨在通过C语言编写，实现对光伏发电站点所收集的关键参数进行实时、精确的记录。这些参数包括但不限于光照强度、电池板温度、电流和电压等，对于评估站点运行状况、预测发电量以及优化系统配置具有重大意义^[16]。

在程序设计过程中，我们采用了模块化的设计思路。模块化设计不仅提高了代码的可读性和可维护性，还有助于实现代码的复用，从而提高了开发效率。各个模块分工明确，既保证了程序的稳定性，又便于后期对特定模块进行优化和升级。

数据传输方面，该程序基于RS-232与GPRS的串行通讯协议，确保了数据的稳定、高效传输。RS-232协议以其稳定的传输性能和广泛的设备兼容性，在数据传输中发挥了重要作用^[17]。而GPRS协议则以其覆盖广泛、实时性强的特点，使得采集的数据能够实时上传至后台操控的计算机上。

通过这样的设计，该程序为光伏发电站点的远程监控与管理提供了可靠的数据支持。后台操控人员可以根据上传的数据，对站点运行状况进行实时监控，及时发现并解决问题。同时，这些数据也为光伏发电站点的优化和升级提供了重要依据。总之，该程序在提升光伏发电站点管理效率和运行稳定性方面发挥了重要作用^[18]。

综上所述，本文设计的基于单片机的光伏发电数据采集系统，通过合理的硬件选型与软件编程，实现了对站点关键参数的实时监控与数据分析，为光伏发电系统的智能化管理与优化提供了有力的技术支持。图2.1为该系统的控制框图。

图2.1 系统控制框图

二.2 使用软件介绍

2.2.1  Altium designer介绍

随着科技的日新月异，社会的各个组成部分正以前所未有的速度涌现和演变。这种快速的变化使得传统的手写方式在诸多领域，尤其是在电路设计这一专业领域，显得捉襟见肘，无法满足当下社会的需求。因此，计算机技术的引入变得尤为重要。

在计算机辅助设计（CAD）领域，计算机的作用尤为突出。在电路设计中，无论是模拟还是原理设计，都离不开计算机的辅助^[19]。通过强大的计算能力和高效的算法，计算机能够迅速完成复杂的电路设计和模拟任务，大大提高了设计效率和质量。

此外，随着计算机技术的不断发展，许多公司开始研发针对电路设计领域的专业软件，如Altium产品设计师等。这些软件不仅集成了现代社会的各种功能和发展趋势，而且还具备用户友好的操作界面和强大的功能。例如，Altium产品设计师就能够帮助用户轻松完成电路设计、仿真、布局和布线等一系列任务，大大提高了电路设计的效率和质量。

值得一提的是，这些专业软件还具备一些传统手写方式所无法比拟的优势。例如，它们可以方便地更新和升级，以适应不断变化的电路设计需求。同时，这些软件还具备高度的可定制性和可扩展性，可以根据用户的实际需求进行个性化的定制和扩展^[20]。

在实际应用中，许多电路设计师喜欢先使用计算机进行电路映射和仿真，然后再将设计结果打印出来进行进一步的修改和优化。通过这种方式，他们不仅能够快速完成电路设计任务，而且还能够在实际操作中发现和解决潜在的问题，从而提高电路设计的可靠性和稳定性。屏幕是下一个场景设计师2-2：

图2-2 Altium Designer  中文使用界面

2.2.2 Keil 软件

Keil软件作为一款针对嵌入式系统开发的集成开发环境（IDE），提供了多种关键功能，显著提升了开发效率与代码质量。首先，其内嵌的C编译器，为开发者提供了强大的编程支持，不仅支持多种C语言标准，而且编译生成的代码效率高、占用资源少，极大地满足了嵌入式系统对代码质量和性能的严苛要求。

其次，Keil软件中的项目管理功能，使得开发者可以方便地对项目进行组织和管理。通过直观的图形界面，开发者可以轻松创建、编辑和删除项目，同时可以对项目中的各个文件进行详细的配置和管理。这一功能在复杂的项目中尤为重要，它帮助开发者保持代码的清晰和有序，提高了开发效率。

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