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(fù)載功率。為此，僅從理論計(jì)算是不夠的。因?yàn)樘柟夤鈴?qiáng)瞬息萬變，充電電流和放電電流都在不斷變化，理論計(jì)算會(huì)帶來較大誤差。只有采取自動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)充放電流才能準(zhǔn)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(fù)載才是可靠的。
在LabVIEW軟件平臺(tái)上，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡，利用虛擬儀器技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析任務(wù)。本文對(duì)自行研制開發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作一闡述。
2設(shè)計(jì)原理
利用調(diào)理電路對(duì)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(jìn)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(jì)算機(jī)。在LabVIEW軟件平臺(tái)上進(jìn)行適時(shí)顯示和統(tǒng)計(jì)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(hào)是一種浮動(dòng)信號(hào)。采用差分測(cè)量方式會(huì)最大限度地減小對(duì)被測(cè)電路的影響，同時(shí)也會(huì)減小測(cè)量誤差。在本調(diào)理電路中，采用高精度低漂移的集成運(yùn)算放大器ICL7650制作的差動(dòng)放大器將串入充放電線路的精密小電阻之上的差動(dòng)信號(hào)作為電流檢測(cè)信號(hào)。將并入蓄電池的大電阻分壓器獲得的小信號(hào)作為電壓信號(hào)。為消除干擾，用兩個(gè)等值電阻分別接于差動(dòng)放大器的兩輸入端與信號(hào)地之間。將兩個(gè)差動(dòng)放大器的輸出信號(hào)送人USB采集模塊的兩個(gè)輸入通道以完成信號(hào)調(diào)理及采集。調(diào)理電路見圖2、圖3。
圖2電流信號(hào)調(diào)理
圖3電壓信號(hào)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(hào)為iUSBDAQ-U120816.它雖不是高端采集卡，但對(duì)于采集直流信號(hào)，特別是采樣頻率不是很高時(shí)，已足夠達(dá)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。
3.3模塊配置及驅(qū)動(dòng)
在所用計(jì)算機(jī)上執(zhí)行HYTEK公司提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(yīng)用于儀器控制、自動(dòng)化測(cè)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(dòng)化測(cè)控領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)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(jì)
在圖5所示的面板圖中，設(shè)置兩個(gè)開關(guān)以選擇是監(jiān)測(cè)電流、電壓還是同時(shí)監(jiān)測(cè)。分別顯示電流實(shí)時(shí)采集曲線和電壓實(shí)時(shí)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(shí)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(jì)算其曲線下面積值作為電流充放電的安時(shí)數(shù)(能量值)。在面板的右下方同時(shí)顯示帶有日期、時(shí)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(chǔ);第二幀完成數(shù)據(jù)計(jì)算、回收及顯示運(yùn)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(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)(Timed Loop)，在進(jìn)入循環(huán)結(jié)構(gòu)之前，利用OpetdCreate/Replace File VI建立要存儲(chǔ)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(dāng)選擇開始采集分支結(jié)構(gòu)時(shí)，將打開采集設(shè)備的兩個(gè)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(gè)分支結(jié)構(gòu)做為電流、電壓選擇開關(guān)，經(jīng)數(shù)值標(biāo)度變換送至波形?Chart.將Format Date/TimeString的日期時(shí)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(dāng)選擇"暫停采集"或"退出采集"按鈕時(shí)，無論采集周期設(shè)置的是多少，都應(yīng)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(gè)分支結(jié)構(gòu)可累計(jì)多次間斷的采集次數(shù)，直到選擇退出定時(shí)循環(huán)。由于設(shè)定的定時(shí)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(yùn)行。當(dāng)按下"退出采集"按鈕時(shí)，最多等待時(shí)間為1秒即退出，而不是等待用戶設(shè)定的一個(gè)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(gè)Delete From Array將三維分離為三個(gè)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(shí)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(shí)數(shù)。
在回放電流曲線的同時(shí)，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&min找出最大值和最小值并顯示。
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(duì)太陽能路燈的蓄電池充放電的全程監(jiān)測(cè)。
操作簡單、界面友好、測(cè)量數(shù)據(jù)精度高。得到了電流表和電壓表單次測(cè)量而很難得到的數(shù)據(jù)。提高了測(cè)量效率、節(jié)約了儀器開支。依此測(cè)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(fù)載的大小，發(fā)揮最大效益。同時(shí)，對(duì)延長蓄電池的使用壽命、提高路燈的亮度和預(yù)算連續(xù)陰雨天的儲(chǔ)備能量都有實(shí)際意義。
該系統(tǒng)對(duì)其它電充蓄電池同樣有應(yīng)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步開發(fā)控制單元，利用LabVlEW的PID工具包可對(duì)蓄電池的過充、過放、短路、反充及定時(shí)開關(guān)等均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。