CN103064329A - 基于单片机的光伏设备数据采集系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单片机的光伏设备数据采集系统及实现方法，数据采集板采集光伏设备的电压电流信号后送入单片机系统中的模数转换电路中转换为数据信号送微控制器AT89S52处理，微控制器AT89S52处理后输出数据通过GPRS模块无线送出到上位机，微控制器AT89S52处理后输出数据也可通过单片机系统中的电平转换电路到USB转串口电路直接将数据送入上位机，上位机内有MCGS组态软件处理接收的数据并显示出来。以单片机为设计核心部件，通过GPRS与internet的通讯合作实现了数据的接收，同时利用MCGS软件编程简化的优点进行人性化设计显示，实现多数据传输及智能化控制。减小太阳能电池板供电设备的维护成本，推动太阳能光伏技术的应用和发展。

Description

基于单片机的光伏设备数据采集系统及实现方法

技术领域

本发明涉及一种测控技术，特别涉及一种基于单片机的光伏设备数据采集系统及实现方法。

背景技术

测控技术是现代工业技术中的重要支柱， 是解放和发展生产力、增强产品市场竞争力的可靠保证。开放化、标准化是现代测控技术发展的趋势，从技术角度来看，开放化测控技术是现代测控技术发展的一个趋势; 从市场角度来看，开放化测控技术也将成为市场应用的主流，纵观其发展史，走向开放化、标准化就是一个最为明显的趋势，从对测控技术发展历史的回顾中也可以清晰的看到这一点。

传统的控制系统基本是以单片机、P C 为核心，总线结构一般采用S -100 、S T D 等，这种系统因为采用了集中式控制方式，所以在很大程度上降低了系统的可靠性，而且现场的连线太多太长，也严重影响了系统的抗干扰能力，成本也比较高。为了克服这类系统的缺点，出现了集散型控制系统(DCS)，DCS 采用多台微处理机分散在现场进行控制，总线为高速数据通道。受计算机网络技术的影响，测控网络技术有了长足的发展。全分布式测控网络—— LonWorks 具有很强的兼容性、开放性、灵活性和可靠性， 传输性能超强。由于LonWonks设计的主要思想就是易于使用，适用性强，因此可以在很多测控领域推广应用，而且具有互操作性的新型局域测量控制网络，采用了具有分布控制和通信网络功能的Neuron Chips 芯片构成智能测控单元，各智能测控单元通过网络通信媒体互连成为全分布式测控网络。

目前测控系统中迅猛发展的现场总线，它的通信模型和O S I 模型对应，将现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络将节点连同控制室内的仪器仪表和控制装置联成有机的测控系统。测控网络的功能将远远大于系统中各独立个体功能的总和。结果是测控系统的功能显著增强， 应用领域及范围明显扩大。1999 年2 月，Jini 软件技术问世。Jini 软件技术旨在使各种电器设备、测量仪器及采用JAVA 芯片的各种装置能连接上网，Jini 软件连同以Java 语言编写的简单程序，可使联网的任何仪器设备实现其自身功能的同时，还能为其他仪器设备加以利用。网络技术的出现，正在并将极大地改变人们生活的各个方面。具体到计量测试、测控技术及仪器仪表领域，微机化仪器的联网，高档测量仪器设备以及测量信息的地区性、全国性乃至全球性资源共享，各等级计量标准跨地域实施直接的数字化溯源比对，远程数据采集与测控， 远程设备故障诊断，电、水、燃气、热能等的自动抄表，都是网络技术进步并全面介入其中发挥关键作用的必然结果^[3]。

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称。它是利用“分封交换”(Packet—Switched)的概念所发展出的一套无线传输方式。GPRS作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术，是由英国BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+f1997年)规范实现的内容之一，是一种基于GSM 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X．25连接。GPRS在现有的GSM 网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增加一些硬件设备和软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，它以分组交换技术为基础，用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发email、进行Internet浏览等。GPRS是一种新的GSM数据业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25服务。开启通用分组无线业务GPRS，作为迈向第三代个人多媒体业务的重要里程碑，将使移动通信与数据网络合二为一，将IP业务引入广阔的移动市场。

虽然太阳能电池板发电功率有限，但是在野外不方便架拉输电线路的复杂环境下却有着它独特的应用市场，但同时由于此种设备的地理环境限制使得针对于它的人工检修和控制难度加大，为此我们需要基于通用分组无线服务技术的无线收发模块来远程监控太阳能电池板设备，并把远程传输来的信息用组态软件形象直观地显示在计算机上方便控制中心分析数据进行控制。

发明内容

本发明是针对太阳能电池板发电系统设备管理困难的问题，提出了一种基于单片机的光伏设备数据采集系统及实现方法，对太阳能光伏相关设备的电流电压等参数进行读取，与此同时单片机对GPRS模块写入初始化命令，并控制其每隔一定时间向远方的终端接收设备发送采集的电流电压数据，实现光伏设备的实时数据采集，克服光伏设备在特殊环境中不便管理的问题。

本发明的技术方案为：一种基于单片机的光伏设备数据采集系统，包括数据采集板、单片机供电电路、GPRS模块、单片机系统、上位机，数据采集板采集光伏设备的电压电流信号后送入单片机系统中的模数转换电路中转换为数据信号送微控制器AT89S52处理，微控制器AT89S52处理后输出数据通过GPRS模块无线送出到上位机，微控制器AT89S52处理后输出数据也可通过单片机系统中的电平转换电路到USB转串口电路直接将数据送入上位机，上位机内有MCGS组态软件处理接收的数据并显示出来，单片机供电电路给单片机系统的各个芯片供电。

所述模数转换电路采用芯片F8591，是一个8-bit CMOS数据获取器件。

所述GPRS模块采用SIM900A模块，内置客户应用程序。

所述USB转串口电路选用芯片PL2303，芯片内置USB功能控制器、USB 收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，为全双工异步串行通信芯片。

所述电平转换电路采用美信公司生产的MAX232集成电路芯片。

一种基于单片机的光伏设备数据采集系统实现方法，包括基于单片机的光伏设备数据采集系统，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）基于单片机的光伏设备数据采集系统硬件搭建；

2）GPRS模块中GPRS数据传输程序编制， AT指令是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的指令，其对所传输的数据包大小有定义：即对于AT指令的发送，除AT两个字符外，最多可以接收1056个字符的长度，每个AT命令行中只能包含一条AT指令；对于由终端设备主动向上位机端报告的URC指示或者response响应，也要求一行最多有一个，不允许上报的一行中有多条指示或者响应，AT指令以回车作为结尾，响应或上报以回车换行为结尾；

3）根据所选单片机芯片，对MCGS组态软件进行设备驱动程序接口程序编制，所编制接口程序作为一接口函数被MCGS调用，单片机全双工标准接口通过电平转换芯片MAX232及外围电路来实现’I’IL信号和RS-232电平信号之间的转换，实现与计算机串口RS一232的硬件通信通道连接，通过调用接口函数，实现基于单片机与上位机组态软件的数据交互；

4）设计MCGS组态软件人机画面，首先设计监控界面；其次进行MCGS实时数据库中变量的添加和定义，构成与监控设计窗口和数据通道的桥梁。

本发明的有益效果在于：本发明基于单片机的光伏设备数据采集系统及实现方法，以单片机为设计核心部件，围绕中央微处理器对扩展的外围器件进行编程控制，通过GPRS与internet的通讯合作实现了数据的接收，同时将接收的数据利用MCGS的计算机软件大量编程简化的优点进行人性化设计显示，实现多数据传输及智能化控制。减小太阳能电池板供电设备的维护成本，推动太阳能光伏技术的应用和发展。

附图说明

图1为本发明基于单片机的光伏设备数据采集系统结构示意图；

图2为本发明单片机和上位机中MCGS实现通信的接口图。

具体实施方式

在GPRS无线数据传输技术的基础上，结合计算机北京昆仑通态MCGS组态软件、计算机网络技术，提出了基于单片机的光伏设备数据采集系统，数据无线采集同时将单片机用于对GPRS模块初始化以及数据发送的控制，实现了从数据采集、处理、远程发送以及组态软件的显示的整个过程。以ATMEL公司生产的AT89S52单片机为设计核心部件，围绕中央微处理器对扩展的外围器件进行编程控制，另一方面以个人PC机为主线，通过GPRS与internet的通讯合作实现了数据的接收，同时将接收的数据利用MCGS相对于繁重的计算机软件大量编程简化的优点进行人性化设计显示，实现温度、湿度、风力、光照强度以及GPS全球定位等一系列的数据采集系统。

如图1所示基于单片机的光伏设备数据采集系统结构示意图，包括数据采集板1、单片机供电电路2、GPRS模块3、单片机系统4、上位机5，数据采集板1采集光伏设备的电压电流信号后送入单片机系统4中的模数转换电路中转换为数据信号送微控制器AT89S52处理，微控制器AT89S52处理后输出数据通过GPRS模块3无线送出到上位机5，微控制器AT89S52处理后输出数据也可通过单片机系统4中的电平转换电路到USB转串口电路直接将数据送入上位机5，上位机5内有MCGS组态软件处理接收的数据并显示出来，单片机供电电路2给单片机系统4的各个芯片供电。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash。

模数转换电路采用PCF8591，它是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换，PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。

GPRS模块3采用SIM900A模块，它是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，采用SMT封装，基于STE的单芯片案，采用ARM926EJ-S架构,性能强大，可以内置客户应用程序。SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，工作的频段为： EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/ class 8和 GPRS 编码格式 CS-1, CS-2, CS-3 and CS-4。由于尺寸只有24mm x 24mm x 3 mm，所以SIM900A几乎可以满足所有用户应用中的对空间尺寸的要求。

USB转串口电路选用芯片PL2303，它 是Prolific 公司生产的一种高度集成的RS232-USB 接口转换器，可提供一个RS232 全双工异步串行通信装置与USB 功能接口便利联接的解决方案。该器件内置USB功能控制器、USB 收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART， 只需外接几只电容就可实现USB 信号与RS232 信号的转换，能够方便嵌入到各种设备；该器件作为USB/RS232 双向转换器，一方面从主机接收USB 数据并将其转换为RS232 信息流格式发送给外设；另一方面从RS232 外设接收数据转换为USB 数据格式传送回主机。

电平转换电路采用美信（MAXIM）公司生产的MAX232集成电路芯片，具有以下优点：符合所有的RS-232C技术标准，只需要单一 +5V电源供电，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-，功耗低，典型供电电流5mA，内部集成2个RS-232C驱动器，高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。

GPRS数据传输中Attention即AT指令是从终端设备（Terminal Equipment，TE)或数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE)向终端适配器(Terminal Adapter，TA)或数据电路终端设备(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)发送的指令。其对所传输的数据包大小有定义：即对于AT指令的发送，除AT两个字符外，最多可以接收1056个字符的长度（包括最后的空字符）。

每个AT命令行中只能包含一条AT指令；对于由终端设备主动向PC端报告的URC指示或者response响应，也要求一行最多有一个，不允许上报的一行中有多条指示或者响应。AT指令以回车作为结尾，响应或上报以回车换行为结尾。AT命令分为以下三类：

1 基础类命令：

这类AT命令具有“AT<x><n>”或者“AT&<x><n>”格式，其中“<x>”是命令；“<n>”可以是一个或者多个参数。例如：“ATE<n>”，该命令用于为DCE开关回显功能，即DCE会依据“<n>”值决定是否把接收的字符回显给DTE。“<n>”是选配参数，若没有赋值，模块将使用默认值。

2 参数类命令：

这类AT命令格式为“ATS<n>=<m>”，其中“<n>”是S 寄存器的索引；“<m>”是赋予的值。“<m>” 是选配参数，若没有赋值，模块将使用默认值。

3 扩展类命令：

一般来讲，扩展类命令依据功能可以分为如表1所示：

 

MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

MCGS提供了一套规范的设备驱动程序接口，允许用户根据自己的需要来定制设备驱动程序，通过驱动程序能实现现场设备与MCGS的数据通信旧J，但每种设备都必须开发自己的驱动程序，此通用驱动程序只需经过简单的设置就可以用于基于5l单片机的采集系统。

51单片机提供了一个全双工标准接口，通过电平转换芯片MAX232及相关外围电路来实现’I’IL信号和RS一232电平信号之间的转换，实现与计算机串口RS一232的硬件通信通道连接，通过设计设备驱动程序，实现基于51单片机的设备与上位组态软件的数据交互。如图2所示单片机和上位机中MCGS实现通信的接口图。

MCGS用Active DLL构件的方式来实现设备驱动程序，通过调用不同的接口函数来完成设备驱动所需的功能，并以规范的OLE接口挂接到MCGS中，使其构成一个整体。MCGS的高级开发向导能在VB6．0开发环境下自动生成设备驱动程序的框架，然后此基础上，针对具体设备的功能进行进一步的编程和调试工作。

数据交互就要涉及到通讯协议问题，开始符占用一个字符，通道号占用一个字符，数据位为7个字符，结束符占用一个字符。开始符是用来表示每个数据帧的开始，当下位机接收到开始符标志位时，开始判断下一位即通道号，以辨别当前帧的数据是哪个通道的。当接收到结束符标志位时，表示数据接收完毕。

基于单片机的外部设备通过计算机的串口与计算机进行数据通信，在MCGS中与串口通信有关的设备，必须调用一个串行通信父设备。MCGS把复杂的对串行端口的设置(如波特率大小，数据位长度，停止位位数，有无奇偶校验等)、初始化和读写操作全部封装在MCGS提供的串行通讯父设备中，在编写通信子设备驱动程序时，主要使用的就是对串行端口进行操作，通过调用父设备提供的标准串口读写函数ComOutDat／ComlnDat，可完成各种功能通讯子设备驱动程序的开发编程工作。标准串口读写函数comoutindat的目的是将读数据的命令通过串口发送出去，并接收单片机发回来的数据。

MCGS在组态模式和运行模式下要调用接口函数来实现特定的功能，如实现初始化、数据的输入与输出等功能。

MCGS组态软件能设计出简洁的人机画面，使控制更加人性化。首先设计监控界面；其次进行MCGS实时数据库中变量的添加和定义，使之构成与监控设计窗口和数据通道的桥梁。控制系统所需的实时数据，包括电机转速、控制方向等变量。

Claims (6)

1.一种基于单片机的光伏设备数据采集系统，其特征在于，包括数据采集板、单片机供电电路、GPRS模块、单片机系统、上位机，数据采集板采集光伏设备的电压电流信号后送入单片机系统中的模数转换电路中转换为数据信号送微控制器AT89S52处理，微控制器AT89S52处理后输出数据通过GPRS模块无线送出到上位机，微控制器AT89S52处理后输出数据也可通过单片机系统中的电平转换电路到USB转串口电路直接将数据送入上位机，上位机内有MCGS组态软件处理接收的数据并显示出来，单片机供电电路给单片机系统的各个芯片供电。

2.根据权利要求1所述基于单片机的光伏设备数据采集系统，其特征在于，所述模数转换电路采用芯片F8591，是一个8-bit CMOS数据获取器件。

3.根据权利要求1所述基于单片机的光伏设备数据采集系统，其特征在于，所述GPRS模块采用SIM900A模块，内置客户应用程序。

4.根据权利要求1所述基于单片机的光伏设备数据采集系统，其特征在于，所述USB转串口电路选用芯片PL2303，芯片内置USB功能控制器、USB 收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，为全双工异步串行通信芯片。

5.根据权利要求1所述基于单片机的光伏设备数据采集系统，其特征在于，所述电平转换电路采用美信公司生产的MAX232集成电路芯片。

6.一种基于单片机的光伏设备数据采集系统实现方法，包括基于单片机的光伏设备数据采集系统，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）基于单片机的光伏设备数据采集系统硬件搭建；

2）GPRS模块中GPRS数据传输程序编制， AT指令是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的指令，其对所传输的数据包大小有定义：即对于AT指令的发送，除AT两个字符外，最多可以接收1056个字符的长度，每个AT命令行中只能包含一条AT指令；对于由终端设备主动向上位机端报告的URC指示或者response响应，也要求一行最多有一个，不允许上报的一行中有多条指示或者响应，AT指令以回车作为结尾，响应或上报以回车换行为结尾；

3）根据所选单片机芯片，对MCGS组态软件进行设备驱动程序接口程序编制，所编制接口程序作为一接口函数被MCGS调用，单片机全双工标准接口通过电平转换芯片MAX232及外围电路来实现’I’IL信号和RS-232电平信号之间的转换，实现与计算机串口RS一232的硬件通信通道连接，通过调用接口函数，实现基于单片机与上位机组态软件的数据交互；

4）设计MCGS组态软件人机画面，首先设计监控界面；其次进行MCGS实时数据库中变量的添加和定义，构成与监控设计窗口和数据通道的桥梁。

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