CN207924408U - 一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，包括温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元、光伏电池功率采样单元、数据处理单元、存储单元、显示单元、报警单元、键盘输入单元、USB通信单元和电源单元。本实用新型结合传感器技术和单片机技术，能够实时检测当前环境的温湿度、光照强度和风速值以及光伏电池的发电量数据并进行显示和存储，对异常数据声光报警提醒，同时还可通过USB将采集数据上传给上位机进一步处理分析，对太阳能发电系统的正常高效运行提供了保障，为系统的改进和优化以及后续的科学研究提供了非常有用的原始测量数据。

Description

一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪

技术领域

本实用新型涉及太阳能发电技术领域，特别一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪。

背景技术

太阳能发电分为光热发电和光伏发电，通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，这种技术的关键元件是光伏电池。光伏电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的光伏电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统。

光伏电池组件大都安装于户外环境中，而太阳能发电系统的能量输出会因周围环境的变化而表现出较大的差异。因此，为了确保太阳能发电系统能够正常的工作，需要对太阳能发电系统的各项环境参数进行测量，从而有效地控制其运行。并且太阳能发电系统的运行一般是在无人值守的情况下进行的，对地面上很分散的光伏系统进行监测维护是十分困难繁琐的，需要大量的时间和人力物力。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，能够实时检测当前环境的温湿度、光照强度和风速值以及光伏电池的发电量数据，携带方便，操作简单，提高了对光伏系统监测和维护的效率。

(二)技术方案

一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，包括温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元、光伏电池功率采样单元、数据处理单元、存储单元、显示单元、报警单元、键盘输入单元、USB通信单元和电源单元；

所述温湿度采集单元选用数字温湿度传感器SHT11；所述温湿度采集单元采集光伏电池的环境温湿度参数，输出数字信号送入所述数据处理单元；

所述光强采集单元包括光强度传感器和第一～第四电阻，其中所述光强度传感器选用光-数字转换器TSL2561；所述光强采集单元采集所述光伏电池的环境光照强度参数，输出数字信号送入所述数据处理单元；

所述风速测量单元选用风速传感器FC-2A3；所述风速测量单元测量所述光伏电池的环境风速参数，输出模拟电平信号送入所述数据处理单元的A/D口；

所述光伏电池功率采样单元包括电流传感器、第一～第三运算放大器、第一～第四二极管、第五～第二十电阻、第一和第二电容，其中所述电流传感器选用霍尔电流传感器CHB_50A，所述第一～第三运算放大器选用四运算放大器LM324，所述第一和第四二极管为肖特基二极管；所述光伏电池功率采样单元采集所述光伏电池的发电量，输出模拟电压信号送入所述数据处理单元的A/D口；

所述数据处理单元对所述温湿度采集单元、所述光强采集单元、所述风速测量单元和所述光伏电池功率采样单元的采集数据进行处理，并与预设值比较分析，所述数据处理单元输出分别连接所述存储单元、所述显示单元和所述报警单元；

所述存储单元包括EEPROM存储器、第二十一和第二十二电阻，其中所述EEPROM存储器选用24C02；所述存储单元对所述温湿度采集单元、所述光强采集单元、所述风速测量单元和所述光伏电池功率采样单元的采集数据进行保存；

所述显示单元实时显示当前环境的温湿度、光强、风速和所述光伏电池的发电量数据；

所述报警单元包括蜂鸣器、第一发光二极管、三极管和第二十三电阻；当所述数据处理单元判定采集的数据不符合预设值范围时，驱动所述报警单元进行声光报警；

所述键盘输入单元包括键盘扫描芯片、键盘矩阵、第一晶振、第三～第五电容和第二十四～第三十电阻，其中所述键盘扫描芯片选用 ZLG7289，所述键盘矩阵为四行三列12键键盘；所述键盘输入单元用于启动测试系统、修改和设定测试参数参考阈值及确定上传数据；

所述USB通信单元包括USB接口芯片、USB连接器、第二晶振、第五二极管、第六～第十一电容和第三十一～第三十四电阻，其中所述USB接口芯片选用CH375，所述第十一电容为电解电容；所述数据处理单元通过所述USB通信单元将采集数据上传给上位机；

所述电源单元包括蓄电池、DC-DC电压转换器、第六二极管、电感和第十二～第十四电容，其中所述蓄电池为3.6V锂电池，所述 DC-DC电压转换器选用MAX756，所述第十三和第十四电容为电解电容；所述电源单元将所述蓄电池的3.6V电压转换为5V为系统其它各单元提供工作电压。

进一步的，所述数据处理单元选用单片机MSP430F148。

进一步的，所述显示单元选用LCD12864液晶模块。

作为优选，所述蓄电池为3.6V磷酸铁锂可充电电池。

作为优选，还包括USB充电单元，所述USB充电单元包括充电管理芯片、第二和第三发光二极管、第三十六～第三十八电阻、第十五和第十六电容，其中所述充电管理芯片选用CN3058。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，结合传感器技术和单片机技术，能够实时检测当前环境的温湿度、光照强度和风速值以及光伏电池的发电量数据并进行显示和存储，对异常数据声光报警提醒，同时还可通过USB将采集数据上传给上位机进一步处理分析，对太阳能发电系统的正常高效运行提供了保障，为系统的改进和优化以及后续的科学研究提供了非常有用的原始测量数据，其结构简单，成本低廉，体积小巧，携带方便，操作简单，易于维护，系统功耗低，检测精度高，稳定性和可靠性好，响应速度快，可扩展性强，提高了对光伏系统监测和维护的效率。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的功能框图。

图2为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的温湿度采集单元电路原理图。

图3为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的光强采集单元电路原理图。

图4为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的光伏电池功率采样单元电路原理图。

图5为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的存储单元电路原理图。

图6为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的报警单元电路原理图。

图7为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的键盘输入单元电路原理图。

图8为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的USB通信单元电路原理图。

图9为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的电源单元电路原理图。

图10为本实用新型所涉及的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪的USB充电单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型所涉及的实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，包括温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元、光伏电池功率采样单元、数据处理单元、存储单元、显示单元、报警单元、键盘输入单元、 USB通信单元和电源单元。

温湿度采集单元采集光伏电池的环境温湿度参数，输出数字信号送入数据处理单元。如图2所示，温湿度采集单元选用数字温湿度传感器SHT11，该传感器U1采用独特的CMOS技术，将温湿度传感器、信号放大处理、A/D转换、I2C总线全部集成在一块芯片上，可通过I2C总线直接与单片机接口连接。该芯片采用数字式输出，简化了外围电路和编程。

光强采集单元采集光伏电池的环境光照强度参数，输出数字信号送入数据处理单元。如图3所示，光强采集单元包括光强度传感器 U2和电阻R1～R4，其中光强度传感器U2选用光-数字转换器TSL2561。 TSL2561具有数字式输出端口和标准I2C总线接口，涵盖1～70000Lx 的宽照度范围，非常适合户外环境下光照强度的测量，适用于太阳能发电系统。其也可通过I2C总线直接与单片机接口连接，简化了外围电路和编程。

风速测量单元测量光伏电池的环境风速参数，输出模拟电平信号送入数据处理单元的A/D口。当风速超过一定值时，若光伏电池处于非水平位置，可能会造成光伏电池因风力过大而受损，因此需要实时检测当前环境风速。风速测量单元选用风速传感器FC-2A3，输出0～ 5V电压，测量风速范围0～30m/s，输出的电压幅值与风速值相对应。

光伏电池功率采样单元采集光伏电池的发电量，输出模拟电压信号送入数据处理单元的A/D口。如图4所示，光伏电池功率采样单元包括电流传感器U3、运算放大器U4A～U4C、二极管D1～D4、电阻R5～ R20、电容C1和C2，其中电流传感器U3选用霍尔电流传感器CHB_50A，运算放大器U4A～U4C选用四运算放大器LM324，二极管D1和D4为肖特基二极管。霍尔电流传感器CHB_50A的工作原理为霍尔磁补偿，额定电流为50A，匝数比为1：1000，工作电压为5V。电流传感器U3 采集的光伏电池的工作电流信号首先经过一个功率电阻R14转换为相应的电压信号，再经电阻R16和电容C1组成的RC滤波后与一直流电压给定信号DCin相加后经LM324比例放大，与直流电压给定信号 DCin叠加的目的是使输入的电流信号经过直流偏置后在0～5V之间变化，满足数据处理单元的A/D口对输入信号的要求，RC滤波及比例放大是为了减小干扰。

数据处理单元对温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元和光伏电池功率采样单元的采集数据进行处理，并与预设值比较分析，据处理单元输出分别连接存储单元、显示单元和报警单元。数据处理单元选用单片机MSP430F148，其工作电压为5V，是一款带10位 A/D转换的单片机芯片，具有超强抗干扰的特性，并且具有超低的功耗，正常工作时电流仅为4～7mA，空闲时电流＜1mA。它的工作周期仅为一个时钟周期，可以大大降低使用的外部晶振的频率，从而降低电磁干扰。MSP430F148具有引脚少、体积小、价格低、使用方便等特点，可降低开发成本，缩短开发周期。

存储单元对温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元和光伏电池功率采样单元的采集数据进行保存。由于采集数据量较大，需要外接存储器。如图5所示，存储单元包括EEPROM存储器U5、电阻 R21和R22，其中EEPROM存储器U5选用24C02。

当数据处理单元判定采集的数据不符合预设值范围时，驱动报警单元进行声光报警。如图6所示，报警单元包括蜂鸣器B1、发光二极管LED1、三极管Q1和电阻R23。选用蜂鸣器B1作为报警发生装置， NPN三极管Q1作为驱动，考虑到I/O口的驱动能力，MSP430F148将以灌电流形式控制蜂鸣器B1发声。控制I/O口由MSP430F148的P1.5 脚提供，当I/O口为低电平时，蜂鸣器B1发声，发光二极管LED1点亮；为高电平时，蜂鸣器B1停止发声，发光二极管LED1熄灭。

显示单元选用LCD12864液晶模块，对当前环境的温湿度、光强、风速和光伏电池的发电量数据进行实时显示，方便维护检测人员及时了解太阳能发电系统的运行情况。

键盘输入单元用于启动测试系统、修改和设定测试参数参考阈值及确定上传数据，如图7所示，键盘输入单元包括键盘扫描芯片U6、键盘矩阵、晶振X1、电容C3～C5和电阻R24～R30，其中键盘扫描芯片U6选用ZLG7289，键盘矩阵为四行三列12键键盘。ZLG7289内部含有译码器，具有串行接口，单片即可完成键盘接口的全部功能，外接四行三列12键键盘，当有按键按下时KEY脚会变为低电平，利用指令可读出所按键值。

测试仪通过USB通信单元将采集数据上传给上位机进行进一步处理分析，方便快捷。如图8所示，USB通信单元包括USB接口芯片U7、USB连接器J1、晶振X2、二极管D5、电容C6～C11和电阻R31～ R34，其中USB接口芯片U7选用CH375，电容C11为电解电容。CH375 支持3.3V和5V供电，支持全速USB接口，兼容USB2.0协议；支持多种传输方式；具有省事的内置固件模式和灵活的外围固件模式。内置固件模式下屏蔽了相关的USB协议，自动完成标准的USB枚举过程，能大大简化本地控制器的固件处理程序。采用4线控制：写选通、读选通、片选输入和中断输出。MSP430F148与CH375采用异步串行通信，电容C6、C7和C11为退耦作用，CH375中断脚CS#与MSP430F148 的外部中断输入脚连接，下降沿有效。

测试仪作为手持设备使用时，考虑其便携性，可直接使用蓄电池进行供电。如图9所示，电源单元包括蓄电池E1、DC-DC电压转换器 U8、二极管D6、电感L1和电容C12～C14，其中蓄电池E1为3.6V锂电池，DC-DC电压转换器U8选用MAX756，电容C13和C14为电解电容。锂电池E1产生3.6V电压，而测试仪工作在5V，因此需要DC-DC 电压转换器MAX756将3.6V电压升至5V后再为测试仪其它各单元供电。

由于测试仪具备USB接口，结合节能环保和可持续发展的理念，将测试仪的蓄电池优选为3.6V磷酸铁锂可充电电池。当蓄电池电量耗尽时，可以很方便的通过USB接口为测试仪进行充电。如图10所示，USB充电单元包括充电管理芯片U9、发光二极管LED2和LED3、电阻R36～R38、电容C15和C16，其中充电管理芯片U9选用CN3058。 CN3058可以对单节磷酸铁锂可充电电池E1进行恒流/恒压充电。该芯片内部集成有功率晶体管和热调制电路，使用时不需要设计外围电流检测和保护电路，适用于便携式的应用领域。发光二极管LED2和 LED3分别作为充电中和充电饱和两种状态的指示灯，电阻R36在充电时起限流保护的作用，电容C15和C16保证充电电路稳定工作。

本实用新型提供了一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，结合传感器技术和单片机技术，能够实时检测当前环境的温湿度、光照强度和风速值以及光伏电池的发电量数据并进行显示和存储，对异常数据声光报警提醒，同时还可通过USB将采集数据上传给上位机进一步处理分析，对太阳能发电系统的正常高效运行提供了保障，为系统的改进和优化以及后续的科学研究提供了非常有用的原始测量数据，其结构简单，成本低廉，体积小巧，携带方便，操作简单，易于维护，系统功耗低，检测精度高，稳定性和可靠性好，响应速度快，可扩展性强，提高了对光伏系统监测和维护的效率。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，其特征在于：包括温湿度采集单元、光强采集单元、风速测量单元、光伏电池功率采样单元、数据处理单元、存储单元、显示单元、报警单元、键盘输入单元、USB通信单元和电源单元；

所述温湿度采集单元选用数字温湿度传感器SHT11；所述温湿度采集单元采集光伏电池的环境温湿度参数，输出数字信号送入所述数据处理单元；

所述光强采集单元包括光强度传感器和第一～第四电阻，其中所述光强度传感器选用光-数字转换器TSL2561；所述光强采集单元采集所述光伏电池的环境光照强度参数，输出数字信号送入所述数据处理单元；

所述风速测量单元选用风速传感器FC-2A3；所述风速测量单元测量所述光伏电池的环境风速参数，输出模拟电平信号送入所述数据处理单元的A/D口；

所述光伏电池功率采样单元包括电流传感器、第一～第三运算放大器、第一～第四二极管、第五～第二十电阻、第一和第二电容，其中所述电流传感器选用霍尔电流传感器CHB_50A，所述第一～第三运算放大器选用四运算放大器LM324，所述第一和第四二极管为肖特基二极管；所述光伏电池功率采样单元采集所述光伏电池的发电量，输出模拟电压信号送入所述数据处理单元的A/D口；

所述数据处理单元对所述温湿度采集单元、所述光强采集单元、所述风速测量单元和所述光伏电池功率采样单元的采集数据进行处理，并与预设值比较分析，所述数据处理单元输出分别连接所述存储单元、所述显示单元和所述报警单元；

所述存储单元包括EEPROM存储器、第二十一和第二十二电阻，其中所述EEPROM存储器选用24C02；所述存储单元对所述温湿度采集单元、所述光强采集单元、所述风速测量单元和所述光伏电池功率采样单元的采集数据进行保存；

所述显示单元实时显示当前环境的温湿度、光强、风速和所述光伏电池的发电量数据；

所述报警单元包括蜂鸣器、第一发光二极管、三极管和第二十三电阻；当所述数据处理单元判定采集的数据不符合预设值范围时，驱动所述报警单元进行声光报警；

所述键盘输入单元包括键盘扫描芯片、键盘矩阵、第一晶振、第三～第五电容和第二十四～第三十电阻，其中所述键盘扫描芯片选用ZLG7289，所述键盘矩阵为四行三列12键键盘；所述键盘输入单元用于启动测试系统、修改和设定测试参数参考阈值及确定上传数据；

所述USB通信单元包括USB接口芯片、USB连接器、第二晶振、第五二极管、第六～第十一电容和第三十一～第三十四电阻，其中所述USB接口芯片选用CH375，所述第十一电容为电解电容；所述数据处理单元通过所述USB通信单元将采集数据上传给上位机；

所述电源单元包括蓄电池、DC-DC电压转换器、第六二极管、电感和第十二～第十四电容，其中所述蓄电池为3.6V锂电池，所述DC-DC电压转换器选用MAX756，所述第十三和第十四电容为电解电容；所述电源单元将所述蓄电池的3.6V电压转换为5V为系统其它各单元提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，其特征在于：所述数据处理单元选用单片机MSP430F148。

3.根据权利要求1所述的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，其特征在于：所述显示单元选用LCD12864液晶模块。

4.根据权利要求1所述的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，其特征在于：所述蓄电池为3.6V磷酸铁锂可充电电池。

5.根据权利要求1所述的一种便携式太阳能发电系统的参数测试仪，其特征在于：还包括USB充电单元，所述USB充电单元包括充电管理芯片、第二和第三发光二极管、第三十六～第三十八电阻、第十五和第十六电容，其中所述充电管理芯片选用CN3058。