基于LabVlEW太陽能路燈充放電監(jiān)測系統(tǒng)

 1引言

太陽能路燈主要由太陽能光電池組件、蓄電池、充放電控制器、照明燈具四大部分組成。太陽能路燈普及推廣的瓶頸已不是技術(shù)問題，而是成本問題。要在降低成本的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及發(fā)揮最大的效能，就要合理搭配太陽能光電池的輸出功率和蓄電池容量及負載功率。為此，僅從理論計算是不夠的。因為太陽光光強瞬息萬變，充電電流和放電電流都在不斷變化，理論計算會帶來較大誤差。只有采取自動跟蹤監(jiān)測充放電流才能準確確定光電池在不同季節(jié)和不同方位的最大功率輸出。以此確定蓄電池和負載才是可靠的。

在LabVIEW軟件平臺上，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡，利用虛擬儀器技術(shù)可實現(xiàn)自動監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析任務。本文對自行研制開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)作一闡述。

2設(shè)計原理

利用調(diào)理電路對光電池的輸出電流和蓄電池的放電電流及蓄電池的充放電工作電壓進行一定頻率的數(shù)據(jù)采樣，由USB數(shù)據(jù)采集模塊將采集數(shù)據(jù)送入計算機。在LabVIEW軟件平臺上進行適時顯示和統(tǒng)計分析。原理框圖見圖1.

圖1系統(tǒng)原理框圖

3數(shù)據(jù)采集硬件配置

3.1調(diào)理電路

蓄電池輸出信號是一種浮動信號。采用差分測量方式會最大限度地減小對被測電路的影響，同時也會減小測量誤差。在本調(diào)理電路中，采用高精度低漂移的集成運算放大器ICL7650制作的差動放大器將串入充放電線路的精密小電阻之上的差動信號作為電流檢測信號。將并入蓄電池的大電阻分壓器獲得的小信號作為電壓信號。為消除干擾，用兩個等值電阻分別接于差動放大器的兩輸入端與信號地之間。將兩個差動放大器的輸出信號送人USB采集模塊的兩個輸入通道以完成信號調(diào)理及采集。調(diào)理電路見圖2、圖3.

圖2電流信號調(diào)理

圖3電壓信號調(diào)理

3.2數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)采用加拿大HYTEK公司生產(chǎn)的USB接1：3數(shù)據(jù)采集模塊，型號為iUSBDAQ-U120816.它雖不是高端采集卡，但對于采集直流信號，特別是采樣頻率不是很高時，已足夠達到集結(jié)束后，選擇"退出并回放"按鈕，在回放波形窗將顯示采集要求。USB接口可方便地用于熱插拔及即插即用。連接筆記電腦可實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測。

3.3模塊配置及驅(qū)動

在所用計算機上執(zhí)行HYTEK公司提供的設(shè)備驅(qū)動程序iUSBDAQ-Driver.exe，即可激活采集模塊。再將該公司提供的iUSBDAQ_ALL_Vis.LLb專用VI函數(shù)庫拷貝到安裝LabVlEW7.1目錄的vl子目錄下的User子目錄，即可在BlockDiagramt和Front Panel編輯環(huán)境中調(diào)用User Functions和User Controls.

4軟件開發(fā)

LabVIEW是美國國家儀器(NI燴司開發(fā)的廣泛應用于儀器控制、自動化測試、數(shù)據(jù)分析處理等領(lǐng)域圖形化編程語言，是優(yōu)秀的開發(fā)虛擬儀器軟件。在自動化測控領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。開發(fā)本系統(tǒng)采用的是LabVIEW7.1版本。

4.1程序流程圖(見圖4)

圖4程序流程圖

4.2面板設(shè)計

在圖5所示的面板圖中，設(shè)置兩個開關(guān)以選擇是監(jiān)測電流、電壓還是同時監(jiān)測。分別顯示電流實時采集曲線和電壓實時采集曲線，并配以數(shù)字顯示。在采集周期設(shè)置窗口，以秒為單位設(shè)置采樣周期。"開始采集"按鈕同時具有暫停功能。全部采集結(jié)束后，選擇"退出并回放"按鈕，在回放波形窗將顯示采集電流波形，并計算其曲線下面積值作為電流充放電的安時數(shù)(能量值)。在面板的右下方同時顯示帶有日期、時間信息的全部數(shù)據(jù)列表，并顯示電流、電壓最大最小值。

圖5虛擬儀器面板圖

4.3程序結(jié)構(gòu)描述

總體采用兩幀組成的平鋪順序結(jié)構(gòu)(Flat Sequence)，第一幀完成的是數(shù)據(jù)采集及顯示、存儲;第二幀完成數(shù)據(jù)計算、回收及顯示運算結(jié)果。圖6給出的是第一幀圖形化程序。

圖6第一幀圖形化程序框圖

該幀采用定時循環(huán)結(jié)構(gòu)(Timed Loop)，在進入循環(huán)結(jié)構(gòu)之前，利用OpetdCreate/Replace File VI建立要存儲的數(shù)據(jù)文件(。txt)的路徑及文件名，并調(diào)用iUSBDAQ_0penDevice函數(shù)打開采集設(shè)備。當選擇開始采集分支結(jié)構(gòu)時，將打開采集設(shè)備的兩個輸入通道輪流采集數(shù)據(jù)，得到二維數(shù)組。通過Delete From Array函數(shù)分離該數(shù)組，并分別通過兩個分支結(jié)構(gòu)做為電流、電壓選擇開關(guān)，經(jīng)數(shù)值標度變換送至波形?Chart.將Format Date/TimeString的日期時間信息輸出和兩數(shù)組通過Number To FractionalString轉(zhuǎn)化成的字符串輸出，由Concatenate Dtrings合并，經(jīng)Write File VI送入指定的磁盤數(shù)據(jù)文件中，以備分析、調(diào)用。

當選擇"暫停采集"或"退出采集"按鈕時，無論采集周期設(shè)置的是多少，都應迅速退出循環(huán)。為此，采用判斷循環(huán)次數(shù)和采集次數(shù)的算法。

采集次數(shù)=循環(huán)次數(shù)/采集周期。

以整除的結(jié)果為采集次數(shù)，并以余數(shù)為零做為一次采集結(jié)束的判斷條件。利用兩個分支結(jié)構(gòu)可累計多次間斷的采集次數(shù)，直到選擇退出定時循環(huán)。由于設(shè)定的定時循環(huán)周期為1秒，無論是否在采集狀態(tài)，循環(huán)始終以1秒的周期運行。當按下"退出采集"按鈕時，最多等待時間為1秒即退出，而不是等待用戶設(shè)定的一個采樣周期。

采集數(shù)據(jù)結(jié)束，退出第一幀結(jié)構(gòu)之前，通過Close File VI關(guān)閉文件，并通過iUSBDAQ-Release Defice關(guān)閉設(shè)備。圖7給出的是第二幀圖形化程序。

圖7第二幀圖形化程序框圖

該幀首先由Read Characters From File VI函數(shù)讀出磁盤數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)。由于讀出的是字符串，要經(jīng)Spreadsheet StringTo Arrary函數(shù)將其轉(zhuǎn)為三維數(shù)組，再經(jīng)兩個Delete From Array將三維分離為三個一維數(shù)組。將電流信息數(shù)據(jù)送人BuildWaveform生成波形，由Chart顯示。同時將該組數(shù)據(jù)經(jīng)NumericIntegration.vi求積分，得曲線下面積值，在輸出能量窗顯示充放電的安時數(shù)。

在回放電流曲線的同時，在屏幕的String窗列表顯示每一次的采樣數(shù)據(jù)。電流和電壓信息數(shù)組再經(jīng)Reshape Array和Array max

5結(jié)束語

利用LabVlEW軟件和USB采集模塊結(jié)合所開發(fā)的虛擬儀器，較好地完成了對太陽能路燈的蓄電池充放電的全程監(jiān)測。

操作簡單、界面友好、測量數(shù)據(jù)精度高。得到了電流表和電壓表單次測量而很難得到的數(shù)據(jù)。提高了測量效率、節(jié)約了儀器開支。依此測得的數(shù)據(jù)可合理匹配太陽能電池的輸出功率與蓄電池容量和負載的大小，發(fā)揮最大效益。同時，對延長蓄電池的使用壽命、提高路燈的亮度和預算連續(xù)陰雨天的儲備能量都有實際意義。

該系統(tǒng)對其它電充蓄電池同樣有應用價值。在此基礎(chǔ)上可進一步開發(fā)控制單元，利用LabVlEW的PID工具包可對蓄電池的過充、過放、短路、反充及定時開關(guān)等均可實現(xiàn)自動化控制。