太陽能環(huán)境參數(shù)測試儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

介紹了一種基于AT89S52單片機(jī)的太陽能環(huán)境參數(shù)測試儀，詳細(xì)闡明了環(huán)境參數(shù)測試儀的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該測試儀能對溫度、濕度和照度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量顯示，并通過RS485工業(yè)總線將采集數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)端上位機(jī)。
關(guān)鍵詞 AT89S52 太陽能 環(huán)境參數(shù) I2C總線 Rs485 TSL2561 SHTll

引 言
??? 為了確保太陽能發(fā)電系統(tǒng)能夠正常的工作，需要對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量，從而有效地控制其運(yùn)行。本文介紹了一種基于單片機(jī)的太陽能參數(shù)測試儀，提供了3種參數(shù)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(shè)備使用，又能安裝在發(fā)電系統(tǒng)中，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
1．1 總體結(jié)構(gòu)
??? 該測試儀以AT89S52單片機(jī)為核心，外接溫濕度傳感器SHTll、照度傳感器TSL2561、四位共陰數(shù)碼管、RS485總線通信接口以及顯示切換按鍵。單片機(jī)上電工作后，對當(dāng)前溫度、濕度、光強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，通過按鍵切換將測得的3種參數(shù)通過LED數(shù)碼管進(jìn)行輪流顯示；此外，還可以通過RS485總線與PC機(jī)進(jìn)行通信，將參數(shù)值傳送到上位機(jī)，以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。該測試儀的結(jié)構(gòu)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(chǎn)的SHTll傳感器。該傳感器采用獨(dú)特的CMOsens TM技術(shù)，將溫濕度傳感器、信號放大處理、A／D轉(zhuǎn)換、I2C總線全部集成在一塊芯片上，可直接與單片機(jī)接口。該芯片采用數(shù)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(chǎn)的TSL2561光強(qiáng)度傳感器。它具有數(shù)字式輸出端口和標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，涵蓋1～70 000 lx的寬照度范圍，非常適合戶外環(huán)境下光照強(qiáng)度的測量，適用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)。圖2為傳感器與AT89S52單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)。

1．3 電源模塊
??? 電源模塊提供了2種供電方式：
??? ①當(dāng)測試儀作為手持設(shè)備使用時(shí)，可直接使用3．6V鋰電池，經(jīng)過DC—DC電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX756將電壓升至5 V后為單片機(jī)和外設(shè)供電。
??? ②當(dāng)測試儀作為固定設(shè)備安裝在太陽能發(fā)電現(xiàn)場時(shí)，可以采用太陽能供電。太陽能電池產(chǎn)生的12 V電壓通過穩(wěn)壓芯片LM7805后，得到穩(wěn)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(chǎn)的專用充電芯片CN3058，它可以對單節(jié)磷酸鐵鋰可充電電池進(jìn)行恒流／恒壓充電。該器件內(nèi)部集成有功率晶體管，使用時(shí)不需要設(shè)計(jì)外圍電流檢測和保護(hù)電路，適用于便攜式的應(yīng)用領(lǐng)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(tài)的指示燈，R1在充電時(shí)起限流保護(hù)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(wěn)定工作。

1．5 通信模塊
??? 測試儀通過RS485工業(yè)總線與PC機(jī)進(jìn)行通信，其硬件接口電路如圖5所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 總體設(shè)計(jì)
??? 測試儀的軟件開發(fā)環(huán)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(diào)試和提高可靠性，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由初始化程序、主程序、子程序、中斷服務(wù)程序等組成。單片機(jī)上電后即開始循環(huán)執(zhí)行溫濕度、照度測量程序，并以設(shè)定的時(shí)間間隔在數(shù)碼管上輪流動態(tài)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(shè)備功耗，其程序以中斷響應(yīng)的方式執(zhí)行。在此要注意中斷優(yōu)先級的設(shè)置：按鍵中斷優(yōu)先級應(yīng)高于串口中斷，否則將無法進(jìn)行顯示切換。主程序流程如圖6所示。

2．2 傳感器驅(qū)動程序
??? 本系統(tǒng)采用的傳感器均為集成數(shù)字芯片且都具有I2C總線接口，故其驅(qū)動程序的編寫要嚴(yán)格遵循I2C總線的時(shí)序。主程序?yàn)槊恳粋€參數(shù)開辟了一個8位的存儲空間，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)SDA引腳串行輸出，驅(qū)動程序?qū)DA線上輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并存儲到相應(yīng)空間中，以方便其他功能程序調(diào)用。以下是照度傳感器數(shù)據(jù)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(jī)的通信采用RS485協(xié)議。串口參數(shù)為：波特率9600，數(shù)據(jù)位8位，1個校驗(yàn)位，1個停止位。其數(shù)據(jù)格式如圖7所示。

??? 由于RS485總線協(xié)議與RS232串口協(xié)議只是接口電平上有區(qū)別，其軟件編程完全按照串口通信協(xié)議進(jìn)行，此處不再詳述。

結(jié) 語
??? 經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該環(huán)境參數(shù)測試儀溫度測量顯示精度可以達(dá)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(shù)字接口，故本測試儀還有結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值；另外，獨(dú)特的雙電源供電方式更擴(kuò)展了它的適用范圍。