基于RS485通信的光伏發電實時監測系統設計

隨著能源危機的日益嚴峻。各種可再生能源得到了長足的發展。在諸多的可再生能源中，光伏發電在未來有著廣泛的應用前景，光伏產業是最有潛力的新能源之一。進行光伏發電時，對光伏電站發電狀態的監測是十分必要的。因為單塊光伏組件輸出的直流電壓較低，一般在幾十伏左右，所以通常采用多塊光伏組件相互串聯。然后各個組串相互并聯從而形成光伏陣列。在發電過程中，光伏陣列的局部故障會導致整個供電系統輸出電壓或功率下降．直接影響系統性能和運行效率。為確保系統正常運行，應對光伏陣列進行狀態監測，以便能及時地、有針對性地進行維護。從而提高光伏發電效率。據此，本文基于RS485通信和 LabVlEW軟件平臺研發了一套光伏電站監測系統。該系統具有可視化的監測界面，可實時顯示光伏發電系統的發電狀態，并可供用戶查詢歷史數據以便進行統計分析。

1 系統結構及原理

圖1為系統總體結構框圖。PC機主要對光伏發電系統中的溫度、光照強度等環境參數和輸出電流、輸出電壓、輸出功率等發電信息進行監控、統計及顯示。單片機、A/D轉換和傳感器構成一個數據采集器，傳感器將環境參數和發電信息采集過來，通過A/D轉換將模擬信號變成數字信號發送至單片機，單片機將數據處理后緩存并發送。單片機與PC機之間采用RS485轉RS232通信協議進行數據傳輸。PC機將接受到的數據處理后保存并及時顯示，實現對光伏發電系統各類參數的實時監測。

2 硬件電路設計

本系統硬件電路主要包括2方面：數據采集模塊和通信。數據采集部分將所需數據采集處理后，通過單片機發送至上位機：通信部分在硬件上主要是電平的轉換和與上位機通信時接口處理。

系統處理器采用STC89C51芯片，該芯片具有8 K字節Flash，512字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，1個7向量4級中斷結構，全雙工串行口，是一種低功耗、高性能微控制器。

2．1 數據采集模塊

該模塊主要功能是采集電流、電壓、溫度、照度4類數據。利用模數轉換芯片將傳感器采集回來的模擬信號轉換成數字信號，再由單片機進行數據處理。模數轉換芯片采用ADC0809，它是8位逐次逼近式模數轉換器，包括1個8位的逼近型的ADC部分，并提供1個8通道的模擬多路開關和聯合尋址邏輯，用它可直接將8個單端模擬信號輸入，分時進行A/D轉換。本系統中只需要應用其中的4個通道，分別對有傳感器采集回來的電流、電壓、溫度、照度4個模擬信號進行轉換 。然后由51單片機進行數據存儲及數據處理，完成對模擬信號的采集。

由于ADC0809芯片內部沒有時鐘脈沖源, 可利用單片機89C51提供的地址鎖存控制輸入信號ALE經D觸發器四分頻后，作為ADC0809的時鐘輸入。當CPU訪問外部存儲器時．ALE的輸出作為外部鎖存地址的低字節的控制信號：當不訪問外部存儲器時，ALE端以1/6的時鐘振蕩頻率固定地輸出正脈沖，可取單片機的時鐘頻率為12 MHz。則ALE端輸出的頻率為2 MHz。再經四分頻后為500kHz，符合ADC0809對時鐘的要求。

如圖2所示。ADC0809內部設有地址鎖存器，通道地址由P2口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連，通道基本地址為0000H～0007H。模擬量由ADC0809的IN0～IN7輸入．數字量由ADC0809的DO～D7輸出并接到單片機I/O口的P0口，ADC0809其他引腳如：START、OE、ALE、A、B、C等直接接到單片機的P2口。最后ADC0809的結束信號端口直接接到單片機的P2.7口。

2．2 通信部分

PC機串行口為標準的RS232C接口，最大通信距離僅為15 m，無法適用于遠距離的監測。選用RS485串行接口標準可實現管理微機遠距離對下位機進行通信管理。串口通信采用RS485協議進行，其傳輸距離較長。適用于從光伏發電設備到監控設備之間的數據傳輸。RS485采用差分信號負邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示。RS485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。RS485最大的通信距離約為1219 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比。

采用Rs485通信時，需要解決2個問題。STC89C51本身具有全雙工串行口．但進行RS485通信時需要電平轉換：PC機串行1：1為標準的RS232C接口，通信時需要將RS485接口的邏輯電平轉換成RS232電平。Rs485通信的電平轉換芯片有全雙工的和半雙工的，為了便于軟件開發，本次設計采用全雙工芯片MAX488。

如圖3所示，電平轉換電路采用MAX488全雙工集成芯片，使用時將單片機的串行收發端接人RS488的發收端。為保持通信信號的穩定，一般會在MAX488加上、下拉電阻。上拉電阻把不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平，此電阻還起到限流的作用。同理，下拉電阻將不確定的信號嵌位在低電平。在實際工程應用中，由于存在反射信號和環境等各種干擾的影響，特別是在通訊波特率比較高的時候，在線路上加上、下拉偏置電阻是非常必要的。上、下拉電阻可提高總線的抗電磁干擾能力，管腳懸空容易受到外界的電磁干擾，同時長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上、下拉電阻就是電阻匹配，可有效地抑制反射波干擾。