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摘要：介紹一種基于16位單片機(jī)PIC24FJ64為主控芯片應(yīng)用于智能型光伏匯流箱的多回路光伏匯流采集裝置AGF-M16的設(shè)計(jì)原理，以及該產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用。
關(guān)鍵字：PIC24FJ64芯片；智能光伏匯流箱；AGF-M16型；霍爾傳感器；設(shè)計(jì)；應(yīng)用
0引言
伴隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，化石能源日趨枯竭，燃燒化石燃料所導(dǎo)致的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。從而使太陽(yáng)能這種清潔能源備受關(guān)注，太陽(yáng)能是一種低密度的平面能源，需要數(shù)量巨大的太陽(yáng)能電池板陣列進(jìn)行串并聯(lián)組合來(lái)達(dá)到所需功率，為了減少電池組件與逆變器之間的連接線和方便日后維護(hù)，同時(shí)減少投資成本，需要在直流側(cè)配置光伏陣列防雷匯流箱、直流柜、逆變器、按分段連接、逐級(jí)匯流的方式進(jìn)行一次和二次匯流。 本文介紹一種基于PIC24FJ64的智能光伏AGF系列匯流采集裝置，本裝置使用霍爾傳感器隔離測(cè)量來(lái)自光伏電池陣列的電流，同時(shí)可以測(cè)量其 輸出電壓，監(jiān)測(cè)匯流箱內(nèi)部的防雷器和直流斷路器的工作狀態(tài)、配有溫度、風(fēng)速，輻照等傳感器輸入接口，帶有接點(diǎn)輸出，用于驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行 機(jī)構(gòu)。本裝置通過(guò)RS485總線與上位機(jī)通訊，用于接收計(jì)算機(jī)指令，上傳檢測(cè)到的光伏電池陣列、匯流箱組件和外部環(huán)境狀態(tài)。本裝置最多可 監(jiān)測(cè)16路光伏電池組輸出電流，并可以根據(jù)輸入電壓計(jì)算分相和合相功率。本裝置帶有LED數(shù)碼顯示器和設(shè)定撥碼，用于查看數(shù)據(jù)和設(shè)定本裝 置的通訊地址、數(shù)據(jù)格式、波特率等參數(shù)。 1 電路設(shè)計(jì)原理 PIC24FJ64是MicroChip公司的一種改進(jìn)的哈佛架構(gòu)的高速16位低功耗單片機(jī)，在32M時(shí)鐘頻率時(shí)系統(tǒng)性能可達(dá)16MIPS，17 位 x 17 位 單周期硬件乘法器，最大可內(nèi)帶64k的FlashROM，8k系統(tǒng)SRAM，2 個(gè) 模塊，2 個(gè)UART 模塊、允許對(duì)許多外部I/O口功能進(jìn)行重新定義，增 加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。電路框圖見(jiàn)圖1
1.1 電流輸入模塊
電流輸入模塊分成兩個(gè)8路模塊，最多可以輸入16路的電池串列，電流采樣使用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電流的隔離型測(cè)量，霍爾效應(yīng)是指的是當(dāng)有一半導(dǎo)體薄片，假設(shè)以三維空間的視角來(lái)看，在其Y軸方向施加一個(gè)一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，在X軸方向通以電流，則在此半導(dǎo)體薄片的Z軸方向會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)就是霍爾電勢(shì)，見(jiàn)圖2，本霍爾傳感器采用單電源5V供電方式，在輸入最大輸入電流為-15A～+15A對(duì)應(yīng)輸出電壓為0～5V。霍爾傳感器的輸出接 入到一個(gè)8選一的模擬開關(guān)，由程序控制對(duì)8個(gè)輸入通道逐個(gè)掃描，模擬開關(guān)的輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)RC濾波電路然后接入到A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1110,ADS1110是TI公司的16位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，寬工作電源2.7～5.5V,芯片內(nèi)置有5ppm/°C溫度系數(shù)的2.048V高精度電壓參考，芯片內(nèi)置PGA，可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為1、 2、4、8倍。芯片使用 總線接口最快速度可以達(dá)到400kHz（圖3）。
電流輸入模塊上還具有輸入通道狀態(tài)指示，使用雙色LED燈指示電池串列的斷線或正常工作狀態(tài)，雙色LED驅(qū)動(dòng)使用串入并出移位寄存器74HC595兩顆級(jí)聯(lián)使用，其中U33驅(qū)動(dòng)綠色LED管芯，U36驅(qū)動(dòng)紅色管芯。（圖4）
1.2 顯示部分
顯示部分電路使用串入并出移位寄存器74HC595兩顆級(jí)聯(lián)使用，其中U100的輸出作為數(shù)碼管的段碼，U101輸出作為數(shù)碼管的位選信號(hào)，使用動(dòng)態(tài)顯示方式，逐個(gè)點(diǎn)亮數(shù)碼管，數(shù)碼管的位選信號(hào)還作為按鍵的檢測(cè)功能，CPU在“KEY”線輸出電平，當(dāng)某一位數(shù)碼管導(dǎo)通，如果此時(shí)接在此數(shù)碼管選通線上的按鍵按下時(shí)，“KEY”線會(huì)被拉低，CPU就會(huì)檢測(cè)到一次按鍵事件，再經(jīng)過(guò)按鍵消抖處理來(lái)防止多次觸發(fā)或誤判。（圖5）
1.3 外部開關(guān)量輸入電路
外部開關(guān)量輸入電路帶有就地顯示LED燈D28，電路主要有U25、R65、Q3、R68形成一個(gè)恒流電路，開關(guān)量輸入節(jié)點(diǎn)和檢測(cè)光耦的一次側(cè)串入到此恒流回路中，此開關(guān)量檢測(cè)電路的優(yōu)點(diǎn)是可以接受接觸電阻達(dá)kΩ級(jí)的外部接點(diǎn)輸入或漏極開路方式的光耦輸入，以避免現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素導(dǎo)致的輸入接點(diǎn)氧化而造成采樣不到開關(guān)量輸入的情況（圖6）。
1.4 撥碼開關(guān)輸入電路
撥碼開關(guān)輸入電路用于設(shè)定本裝置的通訊地址、通訊波特率、數(shù)據(jù)格式等參數(shù)，使用一個(gè)八選一模擬開關(guān)U20，對(duì)外部撥碼J12每一位進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描檢測(cè)，撥碼開關(guān)輸入和開關(guān)量輸入的控制總線為共用結(jié)構(gòu)，此方式的優(yōu)勢(shì)是節(jié)約CPU的IO口線，缺點(diǎn)是程序處理稍復(fù)雜，需要使用動(dòng)態(tài)掃描方式一路一路檢測(cè)（圖7）。
1.5 外部模擬量輸入電路
外部模擬量輸入類型有DC 0～20mA、DC 0～10V、PT100、0～100mV、DC 0～1000V,這些外部信號(hào)都先經(jīng)過(guò)外部分壓或分流處理調(diào)理成同一范圍的電壓信號(hào)，然后輸入到一個(gè)八選一的模擬開關(guān)U44，U44的輸出經(jīng)過(guò)運(yùn)放U45放大到A/D轉(zhuǎn)換器U46可接受的電壓范圍，運(yùn)放U45使用5V單電源軌到軌運(yùn)放，A/D轉(zhuǎn)換器使用ADS1110。電路工作時(shí)由程序控制將外部模擬信號(hào)逐路切換到輸出進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由CPU讀取數(shù)據(jù)（圖8）。
1.6 通訊方式
通訊方式采用RS485方式，使用高速光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，由于 485接口芯片U20是半雙工結(jié)構(gòu)，本電路的特點(diǎn)是由發(fā)送數(shù)據(jù)控制485芯片的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制，省略了一個(gè)流控制光耦，簡(jiǎn)化了軟硬件設(shè)計(jì)。降低了成本。(圖9)
1.7 電源部分
電源模塊采用PI公司的TNY系列開關(guān)電源芯片，輸入范圍為AC/DC 80-270V，電源共有3路輸出，分別給光伏電池電壓采樣，CPU，通訊等部分電路提供電源。
2 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1
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產(chǎn)品型號(hào) |
AGF-M4 |
AGF-M8 |
AGF-M12 |
AGF-M16 |
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輸入路數(shù) |
4路 |
8路 |
12路 |
16路 |
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輸入范圍 |
DC 0～(10)20A |
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反應(yīng)時(shí)間 |
1s |
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測(cè)量精度 |
光伏電池測(cè)量0.5級(jí)、外部模擬量0.2級(jí) |
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RS485通訊 |
RS485/ModBus-RTU協(xié)議，4800/9600/19200/38400bps |
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輔助電源 |
輔助電源：AC85V～265V或DC 300～880V 或DC 24V(±10%) |
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件流程見(jiàn)圖10
4 安裝尺寸
本裝置主要有核心板和匯流板組成，匯流板分為正極匯流板和負(fù)極匯流板具體尺寸見(jiàn)圖11。
5 應(yīng)用案例
以一10MW光伏電站為例，一只16路匯流箱需要采集16路電流、匯流后電池板電壓、浪涌防雷器輔助接點(diǎn)。二次方案見(jiàn)圖12(a)，一次方案見(jiàn)圖12(b)。
(a) (b)
圖12
6 結(jié)束語(yǔ)
該產(chǎn)品已在西藏桑日光伏項(xiàng)目、青海錫鐵山光伏項(xiàng)目、南京某公司屋頂太陽(yáng)能項(xiàng)目、上海某公司屋頂太陽(yáng)能項(xiàng)目上得到應(yīng)用，產(chǎn)生了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
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