太阳能照明监控系统的优化设计

太阳能照明监控系统的优化设计

回双双，李旭，苗静

沧州师范学院 物理与信息工程系，河北 沧州 061001

摘  要：设计了基于LabVIEW的太阳能照明监控系统，可以实现路灯智能开闭和故障自动检测。下位机选用51系列单片机为主控芯片，根据光敏检测模块获取的光强信息，自动控制路灯开闭；通过A/D转换，把采集到的电流电压信号转变成数字信号，通过串口CH340转接芯片把采集数据传输到上位机；上位机利用LabVIEW虚拟仪器搭建监控平台，实时监测蓄电池的电压和电路中的电流。研究可为城市智慧照明提供实践参考。

关键词：LabVIEW；太阳能路灯；故障检测；智慧照明；

中图分类号：TP277

0 引言

太阳能是所有清洁能源中最广泛的存在，在城市照明领域中发挥着巨大的经济效益。照明是城市的重要基础设施，也在改革与探索中发展，其中面临的最基本的问题就是资源浪费，包括能源资源与人力资源。借助强大的互联网，利用通信协议和监控平台，实现多点、远程的管理和监控是有效的解决方案之一[3]。

本设计包含两部分，以PC端的LabVIEW[1]为基本软件的监测系统和以STC12C5A60S2为主控芯片的太阳能照明系统[4]，主体结构包括太阳能电池、锂电池，传感器、光控开关、LED等。下位机以 51单片机为主控芯片，根据环境光强实现路灯智能开关并完成电流电压数据采集传输到上位机；上位机以LabVIEW软件为基础搭建监测平台，监测蓄电池电压和电路电流，界面以图形化的G语言[2]进行编程，主要包括参数设置、串口设置、电流、电压实时数值的波形显示。

1系统设计方案

如图1所示。下位机为太阳能照明系统，以STC12C5A60S2为主控芯片，利用光照传感器GY302采集环境光强值，根据照明方案控制照明系统自动开闭，并利用其自带的ADC功能采集电流电压传递给上位机。上位机为LabVIEW监测平台，实现太阳能照明系统电压、电流、照明强度等实时数据的显示和监控，设定故障监测方案并实现蜂鸣器报警。

图1 系统设计框图

2核心器件的选择

2.1 主控芯片

51单片机是广泛的应用于市场的工业微型计算机之一，相较于32系列，开发环境和操作都更加简单，且基本功能满足本设计的需求。采用51单片机中的STC12C5A60S2芯片，具有8路十位的相当于AD转换器的模数转换功能，有脉冲宽度调制，带有去电不失数据的只读储存器，有内部扩展RAK和串行口。

2.2 显示器件

LCD1602液晶显示屏是一种普遍常用的显示屏，分为带背光和不带背光两种，16引脚的可提高电源稳定性，降低了电路功耗，清晰地显示了系统的运行状态，因此采用16个引脚的液晶显示器。

2.3 电流电压采集模块

利用单片机自带的ADC的功能，不用再和其他器件进行组合，即可通过程序编码实现功能，避免了兼容性差的问题，节约环保且使设计更为简洁。

2.4 光照传感器

光强检测模块采用GY302光照传感器。内部采用ROHM-BH1750VI芯片，带有16比特的AD转换器，而且数字输出不用区分外部的环境光源，可对外界的亮度进行1勒克的高精度测定，模块内部含通讯电平转换与5V单片机可直接相连，使用方便简单[5]。

2.5 蜂鸣器

低电平触发的蜂鸣器操作简单，利用内部的三极管来促使发声，当I/O低电平输入时可促使蜂鸣器工作。

3硬件电路设计

下位机主要器件包括：单片机STC12C5A60S2芯片、光敏GY302模块，可调电源、LCD1602液晶显示屏和CH340转接芯片。如图2所示。其中可调电源用于模拟太阳能充放电和蓄电池状态。

图2 系统硬件电路

设计采用单片机最小体系板。使用CH340模块进行串口设计，具有USB接口，与电脑的USB接口相连，实际操作更方便，具有仿真标准串口，有收发缓冲区[8]。TXD引脚接在单片机RXD引脚，RXD引脚接在单片机的TXD引脚上，一发一收进行通信。CH340内有电源上电复位电路，芯片支持5V电源电压，在接5V电压时，CH340芯片电源引脚接上外部输入5V电压，且3V引脚外接0.01uF的电源去耦电容[8]。

太阳能充放电电路由太阳能电池板、蓄电池、 充电控制器、 LED 光源组成，控制器是能量传输管理的核心部件[6]。

电流电压采集采用单片机自带的ADC采集功能。通过P1口连接，进行AD转换，把电路采集的模拟量转为数字量，再传输到单片机中进行处理，使数据在1602液晶上显示，通过串口传输到PC端，在LabVIEW上显示。

利用光敏传感器配合单片机实现自动控制照明。单片机P3口，当写入1时，上拉电阻为高电平，作为输入口功能。用光敏模块来模拟实际路灯的亮度，当光敏模块的感光数据小于设定值时，则认为路灯不是正常照明状态，配合电流电压的控制，用来模拟现实太阳能充放电路灯发生故障的情况。

故障报警系统只采用一个蜂鸣器构成，蜂鸣器采用低电平触发模式，S8550三级管来驱动模块的使用，5V电压供电，串联电阻限流，连接单片机的P3.2引脚。当输入高电平时三极管的基极为低电平，与发射极形成压降正偏导通，促使蜂鸣器发声，提示切换市电。

4 系统软件设计

系统监测平台的设计是系统的重要部分，关键在于LabVIEW监控平台的搭建是否合理可靠、其软件开发环境是否简单实用。单片机程序编译采用Keil uVision4，程序语言为C语言[7]。

4.1 智慧照明程序设计

主程序设计采用嵌套的方式，使用C语言编写，利用Keil软件编译，烧入单片机内，根据情况下达相应的命令，执行自动化照明。如图3所示。

图3  系统软件流程图

4.2  监控系统程序设计

监控平台分为五部分，参数设置模块、电流电压显示模块、故障检测模块、照明灯整体状态观察模块和历史数据储存模块。

上位机LabVIEW设计监控面板，程序流程如图4所示。根据设计要求，采用层次化的模块化的G语言编程，建立多个子VI模块的系统结构，主要包括参数设置，串口设置[18]，电流电压实时变化设置，故障报警显示设置[4]。

图4 前面板使用流程图

5 系统调试及功能演示

下位机采集数据后传输到上位机进行检测，下位机的硬件在完成焊接的情况下，进行软件的编写调试，在写主函数之前引用子函数，采用嵌套的方式编写主程序，然后烧录到芯片实现其功能。上位机在搭建程序过程中，先要确定整体环境，再根据不同的功能布置不同的控件，根据要求选用不同的循环模式，用线连接。实现监控功能。

分别就弱光线条件下、断路、LED灯故障和蓄电池电压偏低四种情况进行模拟实验，实验中利用可调电源模拟蓄电池，实验验证方案可行。如图5为弱电压条件下LED灯状态，LabVIEW监控界面提示切换市电。

图5  LED灯亮度减弱同时提示电压偏低

结论

基于LabVIEW的太阳能照明监控系统可根据光照强度进行智能开闭，节省资源。同时，实时监测功能具有很大的灵活性，避免了实地勘察路灯故障所造成的大量人力消耗，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]李江全．LabVIEW虚拟仪器数据采集与通信控制35例[M]．北京：电子工业出版社，2019．

[2]李铁，朱凤武，韩光辉．基于LabVIEW的温室环境监控系统的开发[J]．农机化研究， 2011，33(07)：201-204．

[3]刘洋．基于ZigBee技术的太阳能路灯监测系统设计[J]．科技创新导报，2015，06：3-5．

[4]张安莉，谢檬，苏晨，范明邦．基于LabVIEW的太阳能光伏发电监控系统设计[J]．计算机测量与控制．2021，29(06)：74-76．

[5]毛敏．基于Arduino和Labview的远程智能农业监测系统[J]．微型电脑应用．2019，35(6)：35-46．

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https://www.elecfans.com/dianlutu/187/20180111613997_a.html

[9]涂希，张佳伟，朱文欢．基于LabVIEW的智能化分布式光伏发电监控系统设计[J]．电子制作．2021(21)：23-26

[10]邵海龙，严春晖，顾嘉辉．新能源互补城市路灯照明监控系统的网关研究与设计[J]．长江信息通信．2021，34(04)：118-120+124．

[11]胡佳朋．基于Android的智能太阳能照明系统设计[D]．陕西：长安大学．2021．

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[16]吕思思．基于无线网络的城市路灯监控系统设计[D]．北京：北京邮电大学，2018．

[17]张世一，黄华，刘永平.基于ZigBee和LabVIEW的智能照明监控系统设计[J]．国外电子测量技术，2014， 33(5)：63-66

[18]行歌．LabVIEW学习笔记（十一）——利用VISA进行串口通信[EB/OL]．(2018-09-04)

[2022-03-27]. blog.csdn.net/weixin_41695564/article/details/82353630.htm.

作者简介：1.姓名：回双双，出生年月:1989-06，女，回族，籍贯：河北省沧州市，所在院校：沧州师范学院，职称：讲师， 学历:硕士研究生，研究方向：半导体器件与材料。

2. 姓名：苗静，出生年月:1990-08，女，汉族，籍贯：河北省沧州市，所在院校：沧州师范学院，职称：讲师， 学历:硕士研究生，研究方向：电子通信技术。
3. 姓名：李旭，出生年月:2000-01，女，汉族，籍贯：河北省秦皇岛市，所在院校：沧州师范学院， 学历:本科，研究方向：通信工程

 基金资助：沧州市重点研发计划指导项目（204103002）；沧州师范学院科研创新团队（批准号cxtdl1907）