CN104779688A - 面向农业物联网测控节点的光伏电源管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向农业物联网测控节点的光伏电源管理系统，包括有MC9S08DZ60最小系统、光伏充电电路、电压转换电路、电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、电压输出电路，电压转换电路、电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、电压输出电路分别接入MC9S08DZ60最小系统，光伏充电电路、电压转换电路分别与锂电池组连接，太阳能电池板与光伏充电电路连接。本发明可有效对农业物联网中的太阳能电池系统进行电源管理，并能完美融入农业物联网中，大大方便了使用者通过农业物联网对太阳能电池系统进行管控工作。

Description

面向农业物联网测控节点的光伏电源管理系统

技术领域

本发明涉及光伏电源管理系统领域，具体是一种面向农业物联网测控节点的光伏电源管理系统。

背景技术

农业物联网是当今世界农业发展的新潮流， 是由信息技术支持的根据空间变异， 定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。其基本涵义是根据作物生长的性状，调节对作物的投入，确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境， 高效地利用各类农业资源，可以说是物联网技术是与农业生产全面结合的一种新型农业，它将农业带入数字和信息时代，是21 世纪农业的重要发展方向。

光伏管理系统，是利用太阳能电池将太阳能转化成电能存储在锂电池中，储存的电能为物联网节点提供无污染和永不间断的能源。本光伏电源管理系统由太阳能充电模块、电池管理电路和具有能量密度高特性的锂电池组成，其中太阳能充电模块是利用太阳能光伏板将光能转化成电能，并经过电压调理电路，将电能输出到锂电池组。电池管理模块对锂电池的充放电进行管理，防止锂电池过充或者过放现象的发生；同时具有电量指示功能，提示充放电状态和剩余电容量的多少。

目前对于使用太阳能电池作为能源的农业物联网系统，尚没有一个可对太阳能电池实现有效管理并可融入农业物联网的电源管理系统，因此迫切需要提供一种能够融入农业物联网并对太阳能电池实现电源管理的系统。

发明内容    本发明的目的是提供一种面向农业物联网测控节点的光伏电源管理系统，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

面向农业物联网测控节点的光伏电源管理系统，其特征在于：包括有MC9S08DZ60最小系统、光伏充电电路、电压转换电路、电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、放电控制电路，太阳能电池板接入光伏充电电路输入端，光伏充电电路输出端与锂电池组连接，电压转换电路输入端与锂电池组连接，电压转换电路输出端连接至MC9S08DZ60最小系统，电压采集电路、温度采集电路输入端分别连接至锂电池组，电压采集电路、温度采集电路输出端分别连接至MC9S08DZ60最小系统，电流采集电路输入端分别接入光伏充电电路、放电控制电路，电流采集电路输出端连接至MC9S08DZ60最小系统，放电控制电路输入端接入MC9S08DZ60最小系统，放电控制电路输出端连接至其他用电设备，其中：

MC9S08DZ60最小系统包括型号为MC9S08DZ60的飞思卡尔单片机、时钟电路、复位电路、接口电路、电量显示电路、滤波电路、基准电压电路，滤波电路输入端与电压转换电路输出端连接，输出端接入飞思卡尔单片机，时钟电路、复位电路、接口电路、电量显示电路、基准电压电路亦分别接入飞思卡尔单片机；

电压转换电路由DC-DC转换器构建而成，电压转换电路输入端接锂电池组，输出端接最小系统、电压转换电路、电流采集电路、温度采集电路，为这些电路的工作提供电源；

放电控制电路输入端与锂电池组、MC9S08DZ60最小系统连接，放电控制电路输出端接用电设备；

光伏充电电路包括稳压电路、充电控制电路，其中稳压电路输入端与太阳能电池板连接，稳压电路输出端与充电控制电路输入端连接，充电控制电路输出端连接至锂电池组；

电压采集电路包括电压采集部分、通信隔离部分、滤波部分、型号为LTC6803-4的电压采集芯片，其中电压采集部分输入端与锂电池组连接，电压采集部分输出端接入通信隔离部分，通信隔离部分输出端连接至MC9S08DZ60最小系统，滤波部分输入端接入电压采集芯片，滤波部分输出端接至电压转换电路；

温度采集电路由多个NTC温度传感器构成，多个NTC温度传感器分别设置在锂电池组处，且多个NTC温度传感器分别接入MC9S08DZ60最小系统中飞思卡尔单片机；

电流采集电路由运算放大器构建而成，电流采集电路输入端分别接入光伏充电电路、放电控制电路，电流采集电路输出端连接至MC9S08DZ60最小系统中飞思卡尔单片机；

飞思卡尔单片机中通过程序构建电压采集任务、电流采集任务、温度采集任务、均衡控制任务、数据分析任务，电量显示任务，电压采集任务中飞思卡尔单片机和电压采集芯片进行通信，将接收到的电池电压数据储存在中间变量中，电压采集任务的周期为100ms；电流采集任务中执行ADC转化，得到串联在充放电电路中的电阻电压，然后计算出充放电电流值，电流采集任务的周期为100ms；温度采集任务中对多个NTC温度传感器进行轮流采样，然后对照电阻--温度表，得到每节电池的温度，温度采集任务周期为200ms；均衡控制任务中，对充放电状态进行判断，然后分析是否达到均衡条件，开启或关闭均衡，均衡控制任务周期为200ms；数据分析任务中，对存储在中间变量中的电压数据进行分析，并结合采集到的电流和温度数据，进行相应的策略控制，如停止充放电，数据分析任务的周期为100ms；电量显示任务中，将锂电池组总电压在过充和过放范围内分成5个等级，结合充放电状态，显示当前电池组的电量状态，电量显示任务的周期为500ms。

本发明可有效对农业物联网中的太阳能电池系统进行电源管理，并能完美融入农业物联网中，大大方便了使用者通过农业物联网对太阳能电池系统进行管控工作。

附图说明

图1为本发明系统结构框图。

图2为本发明MC9S08DZ60最小系统结构框图，其中

图2a为单片机，图2b为复位电路，图2c为基准电压电路，图2d为下载电路，图2e为时钟电路，图2f为电量显示电路。

图3为本发明电压转换电路结构框图。

图4为本发明放电控制电路结构框图。

图5为本发明光伏充电电路结构框图。

图6为本发明电压采集电路结构框图，其中：

图6a为第1-第12节电池电压监视电路。

图6b为第1-第12节电池电压采集及均衡电路。

图6c为第13-第16节电池电压监视电路。

图6d为第13-第16节电池电压采集及均衡电路。

图7为本发明温度采集电路结构框图。

图8为本发明电流采集电路结构框图。

具体实施方式

如图1所示，面向农业物联网测控节点的光伏电源管理系统，其特征在于：包括有MC9S08DZ60最小系统、光伏充电电路、电压转换电路、电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、放电控制电路，太阳能电池板接入光伏充电电路输入端，光伏充电电路输出端与锂电池组连接，电压转换电路输入端与锂电池组连接，电压转换电路输出端连接至MC9S08DZ60最小系统，电压采集电路、温度采集电路输入端分别连接至锂电池组，电压采集电路、温度采集电路输出端分别连接至MC9S08DZ60最小系统，电流采集电路输入端分别接入光伏充电电路、放电控制电路，电流采集电路输出端连接至MC9S08DZ60最小系统，放电控制电路输入端接入MC9S08DZ60最小系统，放电控制电路输出端连接至其他用电设备，其中：

如图2所示。MC9S08DZ60最小系统包括型号为MC9S08DZ60的飞思卡尔单片机、时钟电路、复位电路、接口电路、电量显示电路、滤波电路、基准电压电路，滤波电路输入端与电压转换电路输出端连接，输出端接入飞思卡尔单片机，时钟电路、复位电路、接口电路、电量显示电路、基准电压电路亦分别接入飞思卡尔单片机。MC9S08DZ60最小系统：包括飞思卡尔单片机U1；由电阻R89、电容C49、二极管Df1、按键S1构成的复位电路；由电阻R90、电容C50、电压基准U11构成的基准电压电路；由电容C51、C52、电阻R91、晶振Y1构成的时钟电路；由插座Header作为JATAG下载器的接口；由电容C48、C57构成的滤波电路；电阻R57、R58、R59、R60、R61，绿色LED灯LED0、LED1、LED2、LED3和红色LED灯LED4组成电量显示电路。

如图3所示。电压转换电路由DC-DC转换器构建而成，电压转换电路输入端接锂电池组，输出端接最小系统、电压转换电路、电流采集电路、温度采集电路，为这些电路的工作提供电源。电压转换电路：由DC-DC转换器U2（MAX5033BASA），电容C53、C54、C55、C56，电感L6，电阻R92、R93，肖特基二极管D29构成。

如图4所示。放电控制电路输入端与锂电池组、MC9S08DZ60最小系统连接，放电控制电路输出端接用电设备。放电控制电路：由电阻R8、R9、R10、R11，电容C4，二极管D2，三极管Q2，MOS管U5（IRFS3607），插座J1构成。

如图5所示。光伏充电电路包括稳压电路、充电控制电路，其中稳压电路输入端与太阳能电池板连接，稳压电路输出端与充电控制电路输入端连接，充电控制电路输出端连接至锂电池组。光伏充电电路：稳压管U3（LM2576HVT-ADJ），肖特基二极管D1，电感L1，电阻R1、R4、R7，电容C1、C2组成稳压部分；MOS管U4（IRF5210），电阻R2、R3、R5、R6，电容C3，三极管Q1组成充电控制电路。

如图6所示。电压采集电路包括电压采集部分、通信隔离部分、滤波部分、型号为LTC6803-4的电压采集芯片，其中电压采集部分输入端与锂电池组连接，电压采集部分输出端接入通信隔离部分，通信隔离部分输出端连接至MC9S08DZ60最小系统，滤波部分输入端接入电压采集芯片，滤波部分输出端接至电压转换电路。电压采集电路：电压采集芯片LTC6803-4（U6、U8）、电阻R13、R17、R22、R25、R26、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R48、R49、R50、R51、R52、R53、R54、R55、R56、R63、R66、R69、R70、R71、R80、R81、R82、R83、R84、R85、R86、R87、R88，电感L2、L3、L4、L5，稳压管D4、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14、D15、D16、D17、D18、D19、D21、D24、D25、D26、D27、D28，肖特基二极管D5、D6、D22、D23，电容C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、C34、C35、C43、C44、C45、C46、C47构成的电压采集部分；芯片ADUM1401（U7、U9），电阻R12、R15、R16、R18、R20、R62、R64、R65、R67、R68，二极管D3、D20构成的通信隔离部分，电容C10、C12、C13、C14、C15、C16、C17、C36、C37、C38、C39、C40、C41、C42构成的滤波部分。

如图7所示。温度采集电路由多个NTC温度传感器构成，多个NTC温度传感器分别设置在锂电池组处，且多个NTC温度传感器分别接入MC9S08DZ60最小系统中飞思卡尔单片机。温度采集电路：由电阻R72、R73、R74、R75、R76、R77、R78、R79和温感NTC1、NTC2、NTC3、NTC4、NTC5、NTC6、NTC7、NTC8、NTC9、NTC10构成。

如图8所示。电流采集电路由运算放大器构建而成，电流采集电路输入端分别接入光伏充电电路、放电控制电路，电流采集电路输出端连接至MC9S08DZ60最小系统中飞思卡尔单片机。电流采集电路：由电阻R14、R19、R21、R23、R24、R27、R28、R29、R30、R31，电容C5、C6、C7、C8、C9、C11、C18、C19、C20、C21、C22，放大器U10（LM158）构成。

飞思卡尔单片机中通过程序构建电压采集任务、电流采集任务、温度采集任务、均衡控制任务、数据分析任务，电量显示任务，电压采集任务中飞思卡尔单片机和电压采集芯片进行通信，将接收到的电池电压数据储存在中间变量中，电压采集任务的周期为100ms；电流采集任务中执行ADC转化，得到串联在充放电电路中的电阻电压，然后计算出充放电电流值，电流采集任务的周期为100ms；温度采集任务中对多个NTC温度传感器进行轮流采样，然后对照电阻--温度表，得到每节电池的温度，温度采集任务周期为200ms；均衡控制任务中，对充放电状态进行判断，然后分析是否达到均衡条件，开启或关闭均衡，均衡控制任务周期为200ms；数据分析任务中，对存储在中间变量中的电压数据进行分析，并结合采集到的电流和温度数据，进行相应的策略控制，如停止充放电，数据分析任务的周期为100ms；电量显示任务中，将锂电池组总电压在过充和过放范围内分成5个等级，结合充放电状态，显示当前电池组的电量状态，电量显示任务的周期为500ms。

Claims (1)

1.面向农业物联网测控节点的光伏电源管理系统，其特征在于：包括有MC9S08DZ60最小系统、光伏充电电路、电压转换电路、电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、放电控制电路，太阳能电池板接入光伏充电电路输入端，光伏充电电路输出端与锂电池组连接，电压转换电路输入端与锂电池组连接，电压转换电路输出端连接至MC9S08DZ60最小系统，电压采集电路、温度采集电路输入端分别连接至锂电池组，电压采集电路、温度采集电路输出端分别连接至MC9S08DZ60最小系统，电流采集电路输入端分别接入光伏充电电路、放电控制电路，电流采集电路输出端连接至MC9S08DZ60最小系统，放电控制电路，输入端接入MC9S08DZ60最小系统，放电控制电路，输出端连接至其他用电设备，其中：

MC9S08DZ60最小系统包括型号为MC9S08DZ60的飞思卡尔单片机、时钟电路、复位电路、接口电路、电量显示电路、滤波电路、基准电压电路，滤波电路输入端与电压转换电路输出端连接，输出端接入飞思卡尔单片机，时钟电路、复位电路、接口电路、电量显示电路、基准电压电路亦分别接入飞思卡尔单片机；

电压转换电路由DC-DC转换器构建而成，电压转换电路输入端接锂电池组，输出端接最小系统、电压转换电路、电流采集电路、温度采集电路，为这些电路的工作提供电源；

放电控制电路输入端与锂电池组、MC9S08DZ60最小系统连接，放电控制电路输出端接用电设备；

光伏充电电路包括稳压电路、充电控制电路，其中稳压电路输入端与太阳能电池板连接，稳压电路输出端与充电控制电路输入端连接，充电控制电路输出端连接至锂电池组；

电压采集电路包括电压采集部分、通信隔离部分、滤波部分、型号为LTC6803-4的电压采集芯片，其中电压采集部分输入端与锂电池组连接，电压采集部分输出端接入通信隔离部分，通信隔离部分输出端连接至MC9S08DZ60最小系统，滤波部分输入端接入电压采集芯片，滤波部分输出端接至电压转换电路；

温度采集电路由多个NTC温度传感器构成，多个NTC温度传感器分别设置在锂电池组处，且多个NTC温度传感器分别接入MC9S08DZ60最小系统中飞思卡尔单片机；

电流采集电路由运算放大器构建而成，电流采集电路输入端分别接入光伏充电电路、放电控制电路，电流采集电路输出端连接至MC9S08DZ60最小系统中飞思卡尔单片机；

飞思卡尔单片机中通过程序构建电压采集任务、电流采集任务、温度采集任务、均衡控制任务、数据分析任务，电量显示任务，电压采集任务中飞思卡尔单片机和电压采集芯片进行通信，将接收到的电池电压数据储存在中间变量中，电压采集任务的周期为100ms；电流采集任务中执行ADC转化，得到串联在充放电电路中的电阻电压，然后计算出充放电电流值，电流采集任务的周期为100ms；温度采集任务中对多个NTC温度传感器进行轮流采样，然后对照电阻--温度表，得到每节电池的温度，温度采集任务周期为200ms；均衡控制任务中，对充放电状态进行判断，然后分析是否达到均衡条件，开启或关闭均衡，均衡控制任务周期为200ms；数据分析任务中，对存储在中间变量中的电压数据进行分析，并结合采集到的电流和温度数据，进行相应的策略控制，如停止充放电，数据分析任务的周期为100ms；电量显示任务中，将锂电池组总电压在过充和过放范围内分成5个等级，结合充放电状态，显示当前电池组的电量状态，电量显示任务的周期为500ms。