太陽能環境參數測試儀的系統設計

介紹了一種基于AT89S52單片機的太陽能環境參數測試儀，詳細闡明了環境參數測試儀的軟硬件設計與實現方法。該測試儀能對溫度、濕度和照度進行實時測量顯示，并通過RS485工業總線將采集數據傳送至遠端上位機。
關鍵詞 AT89S52 太陽能 環境參數 I2C總線 Rs485 TSL2561 SHTll

引 言
??? 為了確保太陽能發電系統能夠正常的工作，需要對太陽能發電系統的各項環境參數進行測量，從而有效地控制其運行。本文介紹了一種基于單片機的太陽能參數測試儀，提供了3種參數的測量功能和通信接口，以及2種供電方式，既可作為手持設備使用，又能安裝在發電系統中，具有較高的實用價值。

1 硬件電路設計
1．1 總體結構
??? 該測試儀以AT89S52單片機為核心，外接溫濕度傳感器SHTll、照度傳感器TSL2561、四位共陰數碼管、RS485總線通信接口以及顯示切換按鍵。單片機上電工作后，對當前溫度、濕度、光強度進行實時測量，通過按鍵切換將測得的3種參數通過LED數碼管進行輪流顯示；此外，還可以通過RS485總線與PC機進行通信，將參數值傳送到上位機，以達到遠程監測的目的。該測試儀的結構框圖如圖1所示。

1．2 測量模塊
??? 溫度和濕度測量采用的是瑞士Sensirion公司生產的SHTll傳感器。該傳感器采用獨特的CMOsens TM技術，將溫濕度傳感器、信號放大處理、A／D轉換、I2C總線全部集成在一塊芯片上，可直接與單片機接口。該芯片采用數字式輸出，為編程提供了方便。
??? 光照度測量選用的是TAOS公司生產的TSL2561光強度傳感器。它具有數字式輸出端口和標準I2C總線接口，涵蓋1～70 000 lx的寬照度范圍，非常適合戶外環境下光照強度的測量，適用于太陽能發電系統。圖2為傳感器與AT89S52單片機的接口電路設計。

1．3 電源模塊
??? 電源模塊提供了2種供電方式：
??? ①當測試儀作為手持設備使用時，可直接使用3．6V鋰電池，經過DC—DC電壓轉換芯片MAX756將電壓升至5 V后為單片機和外設供電。
??? ②當測試儀作為固定設備安裝在太陽能發電現場時，可以采用太陽能供電。太陽能電池產生的12 V電壓通過穩壓芯片LM7805后，得到穩定的5 V電壓輸出，輸出電壓既可以為測試模塊供電還可以通過充電電路為鋰電池充電。圖3是電源模塊的硬件原理圖。

1．4 充電電路
??? 充電電路的核心器件采用的是上海如韻公司生產的專用充電芯片CN3058，它可以對單節磷酸鐵鋰可充電電池進行恒流／恒壓充電。該器件內部集成有功率晶體管，使用時不需要設計外圍電流檢測和保護電路，適用于便攜式的應用領域。
??? 圖4為鋰電池充電電路。其中LEDl和LED2分別作為充電中和充電飽和兩種狀態的指示燈，R1在充電時起限流保護的作用；電容C1和C2采用的是多層陶瓷電容器(MLCC)，能保證充電電路穩定工作。

1．5 通信模塊
??? 測試儀通過RS485工業總線與PC機進行通信，其硬件接口電路如圖5所示。

2 軟件設計
2．1 總體設計
??? 測試儀的軟件開發環境采用的是Keil C，所有代碼采用C語言編寫。為了方便程序調試和提高可靠性，軟件采用模塊化結構設計，主要由初始化程序、主程序、子程序、中斷服務程序等組成。單片機上電后即開始循環執行溫濕度、照度測量程序，并以設定的時間間隔在數碼管上輪流動態顯示；按鍵切換和通信功能部分由于使用頻率相對較低，為降低設備功耗，其程序以中斷響應的方式執行。在此要注意中斷優先級的設置：按鍵中斷優先級應高于串口中斷，否則將無法進行顯示切換。主程序流程如圖6所示。

2．2 傳感器驅動程序
??? 本系統采用的傳感器均為集成數字芯片且都具有I2C總線接口，故其驅動程序的編寫要嚴格遵循I2C總線的時序。主程序為每一個參數開辟了一個8位的存儲空間，傳感器將采集到的數據經SDA引腳串行輸出，驅動程序將SDA線上輸出的數據進行串并轉換，并存儲到相應空間中，以方便其他功能程序調用。以下是照度傳感器數據采集程序的部分代碼。
??? (1)TSL2561初始化

???

2．3 RS485通信程序
??? 測試儀與上位機的通信采用RS485協議。串口參數為：波特率9600，數據位8位，1個校驗位，1個停止位。其數據格式如圖7所示。

??? 由于RS485總線協議與RS232串口協議只是接口電平上有區別，其軟件編程完全按照串口通信協議進行，此處不再詳述。

結 語
??? 經實驗測試，該環境參數測試儀溫度測量顯示精度可以達到0．1℃，濕度精確到O．1％，照度可以精確到11x。由于主要器件均為I2C數字接口，故本測試儀還有結構簡單、易維護、可擴展性強等特點，具有很高的實用價值；另外，獨特的雙電源供電方式更擴展了它的適用范圍。