面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元

摘要

本发明公开了一种面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，包括MC9S12XS128最小系统，以及分别接入MC9S12XS128最小系统的电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、光伏充电电路。本发明能有效对光伏电源的充放电进行管理，通过本发明可有效延长光伏电源的寿命，为延长物联网节点的有效工作时间提供了保证。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏电池管理单元领域，具体为一种面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元。

背景技术

农业物联网是当今世界农业发展的新潮流， 是由信息技术支持的根据空间变异， 定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。其基本涵义是根据作物生长的性状，调节对作物的投入，确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境， 高效地利用各类农业资源，可以说是物联网技术是与农业生产全面结合的一种新型农业，它将农业带入数字和信息时代，是21 世纪农业的重要发展方向。

传感器网络是物联网的核心部分，传感器网络由分散在农田各地的传感器节点构成，每个节点的供电方式分为有线供电和自供电两种。有线供电方式不仅需要架设供电线，增加了供电网络成本，纵横交错的供电线也会影响农业生产。而能源自供主要依靠太阳能为节点提供能源，不仅降低供电成本，也不影响农业生产。但是在供电过程中需要考虑电池的状况，即，既不能使电池过冲，也不能使电池过放，以影响电池的供电性能和电池寿命。这就需要构建光伏电源管理系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，以实现农业物联网中光伏电源的管理。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，其特征在于：包括MC9S12XS128最小系统，以及分别接入MC9S12XS128最小系统的电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、光伏充电电路；

所述MC9S12XS128最小系统由型号为MC9S12XS128的单片机U1构成，单片机U1的VRH引脚与VRL引脚之间接有电容C7，单片机U1上接入有复位电路、AD转换参考电路、时钟电路、插座接口电路、滤波电路、电量显示电路；

所述电压采集电路包括型号为LTC6803-4的电压采集芯片U4，电压采集芯片U4的V+引脚与C12引脚之间接入由电阻R10与电阻R13构成的并联支路一的一个并联端，并联支路一另一个并联端通过电感L1接入光伏电源一路电压信号，并联支路一另一个并联端还连接有由二极管D2、D3、D4构成的并联支路二的一个并联端，并联支路二的另一个并联端通过电容C12与电压采集芯片U4的C12引脚连接，并联支路二的另一个并联端与电容C12之间还接入光伏电源的另一路电压信号，电压采集芯片U4的A0-A3引脚、GPIO1-GPIO2引脚、VOS引脚、NC引脚、V-引脚共接后接地，电压采集芯片U4的VTEMP2引脚通过依次串接的电阻R18、电容C14接地，电压采集芯片U4的VREF引脚接入电阻R18、电容C14之间，电压采集芯片U4的WDTB引脚通过依次串接的电阻R17、电容C13接地，电压采集芯片U4的VREG引脚接入电阻R17、电容C13之间，电压采集芯片U4的SDO引脚通过电阻R16接入电阻R17、电容C13之间，电压采集芯片U4的CSBI引脚通过电阻R11与一个型号为ADuM1401的隔离芯片U3的VOA引脚连接，电压采集芯片U4的SDO引脚通过电阻R12与隔离芯片U3的VID引脚连接、电压采集芯片U4的SDI引脚通过电阻R14与隔离芯片U3的VOB引脚连接，电压采集芯片U4的SCKI引脚通过电阻R15与隔离芯片U3的VOC引脚连接，隔离芯片U3的VE2引脚接入电阻R17、电容C13之间，隔离芯片U3的GND2引脚接地，隔离芯片U3的VDD1引脚接入电压VCC_5，隔离芯片U3的GND1引脚接地，隔离芯片U3的VIA、VIB、VIC分别接入单片机U1，隔离芯片U3的VOD引脚接入一个二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接入单片机U1，隔离芯片U3的VE1引脚接入电压VCC_5；

所述电流采集电路包括型号为LM158的运算放大器U7A，运算放大器U7A的同相输入端依次通过串接的电阻R60、电容C34、电阻R57与运算放大器U7A的反相输入端连接，电阻R60与电容C34之间通过导线接入光伏电源电流信号，电阻R57与电容C34之间通过导线接入外部充电控制信号，电容C34与电阻R57之间通过电容C32接地，电容C34与电阻R60之间通过依次串接的电容C36、电阻R59与运算放大器U7A的同相输入端连接，电容C36、电阻R59之间有导线引出接地，运算放大器U7A的反相输入端与输出端之间连接有相互并联的电容C31、电阻R56，运算放大器U7A的输出端通过电阻R58接入单片机U1，运算放大器U7A的输出端还通过依次串联的电阻R58、电容C35接地，电阻R58、电容C35之间有导线引出并连接至单片机U1；

所述温度采集电路包括多个温感NTC2-NTC9，多个温感NTC2-NTC9一一对应串接有电阻R40-R47后，再相互并联构成温度采集电路，温度采集电路一个并联端接入电压VCC_5，温度采集电路另一个并联端接地，每个温感与各自对应串接的电阻之间分别有导线引出，每个温感与各自对应串接的电阻之间引出导线分别接入单片机U1；

所述光伏充电电路包括型号为LM2576HV-ADJ的稳压管U6、型号为AO4409的MOS管U8，稳压管U6的第一个引脚通过导线接入光伏电源正极，稳压管U6的第三个引脚通过电阻R54接入光伏电源负极，稳压管U6的第一个引脚与第三个引脚之间接入电容C30，稳压管U6的第三个引脚、第五个引脚还分别接地，稳压管U6的第二个引脚接入一个二极管D15的阴极，二极管D15的阳极接地，稳压管U6的第二个引脚还接入一个电感L4的一端，电感L4的另一端接有两路导线，电感L4的另一端上一路导线通过电容C29接地，电感L4的另一端上另一路导线通过依次串接的电阻R48、电阻R51接地，稳压管U6的第四个引脚接入电阻R48、电阻R51之间，电感L4的另一端与电阻R48之间通过导线接入MOS管U8的源极，MOS管U8的源极还通过依次串接的电阻R49、电阻R50与一个三极管Q2的集电极连接，MOS管U8的栅极接入电阻R49、电阻R50之间，MOS管U8的漏极接入单片机，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极通过电阻R52接入单片机，三极管Q2的基极还通过相互并联的电容C42、电阻R53接地。

所述的面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，其特征在于：所述复位电路包括按键S1，按键S1的一端与一个二极管Df1的阳极连接，按键S1的另一端接地，二极管Df1的阴极依次通过串接的电阻R1、电容C8接地，电阻R1与二极管Df1的阴极之间接入电压VCC_5，二极管Df1的阳极通过导线与电阻R1、电容C8之间连接后，再通过导线接入单片机U1。

所述的面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，其特征在于：所述AD转换参考电路包括型号为LM4040AIM3-5.0的电压基座芯片U2，电压基座芯片U2接地端接地，电压基座芯片U2的阳极端接地，电压基座芯片U2阴极端接入单片机U1，电压基座芯片U2的阳极端与阴极端之间接有电容C9，电压基座芯片U2的阴极端还通过电阻R2接入电压VCC_5。

所述的面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，其特征在于：所述时钟电路包括晶振Y1，晶振Y1的两端一一对应通过电容C10、电容C11接地，晶振Y1的两端之间接有电阻R3，晶振Y1的两端还分别接入单片机U1。

所述的面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，其特征在于：所述插座接口电路包括双排6PIN的插接件Header，插接件Header第一个引脚、第四个引脚分别接入单片机U1，插接件Header的第二个引脚接地，插接件Header的第六个引脚接入电压VCC_5。

所述的面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，其特征在于：所述滤波电路包括电容C1、C5、C6构成的并联电路，以及电容C2、C3、C4，并联电路一个并联端接地，并联电路另一个并联端接入电压VCC_5，并联电路中电容C1、C5、C6上分别有导线引出并连接至单片机U1，电容C2、C3、C4一端共接后接地，电容C2、C3、C4另一端分别各自接入单片机U1。

所述的面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，其特征在于：所述电量显示电路包括发光二极管LED1-LED5，发光二极管LED1的阳极与电阻R4的一端连接，发光二极管LED2的阳极与电阻R5的一端连接，发光二极管LED3的阳极与电阻R6的一端连接，发光二极管LED4的阳极与电阻R7的一端连接，发光二极管LED5的阳极与电阻R8的一端连接，电阻R4-R8另一端共接后接入电压VCC_5，发光二极管LED1-LED5的阴极分别接入单片机U1。

所述的面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，其特征在于：还包括供电至各个电路的电源电路，所述电源电路包括型号为LM2576HVT-5的稳压芯片U5，稳压芯片U5的IN引脚接入光伏电源，稳压芯片U5的IN引脚还通过电容Ci接地，稳压芯片U5的                                               /OFF引脚、GND引脚共接后接地，稳压芯片U5的OUT引脚接入一个肖特基二极管DO1的阴极，肖特基二极管DO1的阳极接地，肖特基二极管DO1的阴极还接入一个电感L3的一端，电感L3的另一端通过电容Co1接地，电感L3的另一端与电容Co1之间通过导线输出电压VCC_5，稳压芯片U5的FB引脚接入电感L3的另一端与电容Co1之间。

一种基于光伏电源管理单元的光伏电源管理方法，其特征在于：采用在μC/OS-Ⅱ操作系统基础上进行应用程序开发，在使用μC/OS-Ⅱ操作系统时，按需求将应用程各个功能模块分解成电压采集、电流采集、温度采集、数据分析任务，每个任务具有各自的运行周期并且具有唯一的优先级，其中电压采集任务面向电压采集芯片进行通信，获取各单体电池的电压数据，电流采集任务进行ADC采样，并计算充放电电流值，温度采集任务对温感进行ADC采样，并计算各温感温度值，数据分析任务判断电池是否过充、过放、过流、过温、低温等，并进行相应的策略控制，保护电池安全；

程序运行后，电压采集任务中单片机和电压采集芯片通过SPI总线进行通信，将接收到的电池电压数据储存在中间变量中，电压采集任务的周期为100ms，电流采集任务中执行ADC转换，得到转换后的电压，然后计算出充放电电流值，电流采集任务的周期为100ms。温度采集任务中对9路NTC温感进行轮流采样，然后对照电阻--温度表，得到每节电池的温度，温度采集任务周期为200ms，数据分析任务中，对存储在中间变量中的电压数据进行分析，并结合采集到的电流和温度数据，采取相应的控制策略，数据分析任务的周期为100ms。

本发明能有效对光伏电源的充放电进行管理，防止光伏电源过充或者过放现象的发生；同时具有电量指示功能，提示充放电状态和剩余电容量的多少，通过本发明可有效延长光伏电源的寿命，为延长物联网节点的有效工作时间提供了保证。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为本发明MC9S12XS128最小系统电路图。

图3为本发明电压采集电路电路图。

图4为本发明电流采集电路电路图。

图5为本发明温度采集电路电路图。

图6为本发明光伏充电电路电路图。

图7为本发明复位电路电路图。

图8为本发明AD转换参考电路电路图。

图9为本发明时钟电路电路图。

图10为本发明插座接口电路电路图。

图11为本发明滤波电路电路图。

图12为本发明电量显示电路电路图。

图13为本发明电源电路电路图。

图14为本发明方法流程图。

具体实施方式

如图1所示。面向农业物联网测控节点的光伏电源管理单元，包括MC9S12XS128最小系统，以及分别接入MC9S12XS128最小系统的电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路、光伏充电电路；

如图2所示。MC9S12XS128最小系统由型号为MC9S12XS128的单片机U1构成，单片机U1的VRH引脚与VRL引脚之间接有电容C7，单片机U1上接入有复位电路、AD转换参考电路、时钟电路、插座接口电路、滤波电路、电量显示电路；

如图3所示。电压采集电路包括型号为LTC6803-4的电压采集芯片U4，电压采集芯片U4的V+引脚与C12引脚之间接入由电阻R10与电阻R13构成的并联支路一的一个并联端，并联支路一另一个并联端通过电感L1接入光伏电源一路电压信号，并联支路一另一个并联端还连接有由二极管D2、D3、D4构成的并联支路二的一个并联端，并联支路二的另一个并联端通过电容C12与电压采集芯片U4的C12引脚连接，并联支路二的另一个并联端与电容C12之间还接入光伏电源的另一路电压信号，电压采集芯片U4的A0-A3引脚、GPIO1-GPIO2引脚、VOS引脚、NC引脚、V-引脚共接后接地，电压采集芯片U4的VTEMP2引脚通过依次串接的电阻R18、电容C14接地，电压采集芯片U4的VREF引脚接入电阻R18、电容C14之间，电压采集芯片U4的WDTB引脚通过依次串接的电阻R17、电容C13接地，电压采集芯片U4的VREG引脚接入电阻R17、电容C13之间，电压采集芯片U4的SDO引脚通过电阻R16接入电阻R17、电容C13之间，电压采集芯片U4的CSBI引脚通过电阻R11与一个型号为ADuM1401的隔离芯片U3的VOA引脚连接，电压采集芯片U4的SDO引脚通过电阻R12与隔离芯片U3的VID引脚连接、电压采集芯片U4的SDI引脚通过电阻R14与隔离芯片U3的VOB引脚连接，电压采集芯片U4的SCKI引脚通过电阻R15与隔离芯片U3的VOC引脚连接，隔离芯片U3的VE2引脚接入电阻R17、电容C13之间，隔离芯片U3的GND2引脚接地，隔离芯片U3的VDD1引脚接入电压VCC_5，隔离芯片U3的GND1引脚接地，隔离芯片U3的VIA、VIB、VIC分别接入单片机U1，隔离芯片U3的VOD引脚接入一个二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接入单片机U1，隔离芯片U3的VE1引脚接入电压VCC_5；

如图4所示。电流采集电路包括型号为LM158的运算放大器U7A，运算放大器U7A的同相输入端依次通过串接的电阻R60、电容C34、电阻R57与运算放大器U7A的反相输入端连接，电阻R60与电容C34之间通过导线接入光伏电源电流信号，电阻R57与电容C34之间通过导线接入外部充电控制信号，电容C34与电阻R57之间通过电容C32接地，电容C34与电阻R60之间通过依次串接的电容C36、电阻R59与运算放大器U7A的同相输入端连接，电容C36、电阻R59之间有导线引出接地，运算放大器U7A的反相输入端与输出端之间连接有相互并联的电容C31、电阻R56，运算放大器U7A的输出端通过电阻R58接入单片机U1，运算放大器U7A的输出端还通过依次串联的电阻R58、电容C35接地，电阻R58、电容C35之间有导线引出并连接至单片机U1；

如图5所示。温度采集电路包括多个温感NTC2-NTC9，多个温感NTC2-NTC9一一对应串接有电阻R40-R47后，再相互并联构成温度采集电路，温度采集电路一个并联端接入电压VCC_5，温度采集电路另一个并联端接地，每个温感与各自对应串接的电阻之间分别有导线引出，每个温感与各自对应串接的电阻之间引出导线分别接入单片机U1；

如图6所示。光伏充电电路包括型号为LM2576HV-ADJ的稳压管U6、型号为AO4409的MOS管U8，稳压管U6的第一个引脚通过导线接入光伏电源正极，稳压管U6的第三个引脚通过电阻R54接入光伏电源负极，稳压管U6的第一个引脚与第三个引脚之间接入电容C30，稳压管U6的第三个引脚、第五个引脚还分别接地，稳压管U6的第二个引脚接入一个二极管D15的阴极，二极管D15的阳极接地，稳压管U6的第二个引脚还接入一个电感L4的一端，电感L4的另一端接有两路导线，电感L4的另一端上一路导线通过电容C29接地，电感L4的另一端上另一路导线通过依次串接的电阻R48、电阻R51接地，稳压管U6的第四个引脚接入电阻R48、电阻R51之间，电感L4的另一端与电阻R48之间通过导线接入MOS管U8的源极，MOS管U8的源极还通过依次串接的电阻R49、电阻R50与一个三极管Q2的集电极连接，MOS管U8的栅极接入电阻R49、电阻R50之间，MOS管U8的漏极接入单片机，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极通过电阻R52接入单片机，三极管Q2的基极还通过相互并联的电容C42、电阻R53接地。

如图7所示。复位电路包括按键S1，按键S1的一端与一个二极管Df1的阳极连接，按键S1的另一端接地，二极管Df1的阴极依次通过串接的电阻R1、电容C8接地，电阻R1与二极管Df1的阴极之间接入电压VCC_5，二极管Df1的阳极通过导线与电阻R1、电容C8之间连接后，再通过导线接入单片机U1。

如图8所示。AD转换参考电路包括型号为LM4040AIM3-5.0的电压基座芯片U2，电压基座芯片U2接地端接地，电压基座芯片U2的阳极端接地，电压基座芯片U2阴极端接入单片机U1，电压基座芯片U2的阳极端与阴极端之间接有电容C9，电压基座芯片U2的阴极端还通过电阻R2接入电压VCC_5。

如图9所示。时钟电路包括晶振Y1，晶振Y1的两端一一对应通过电容C10、电容C11接地，晶振Y1的两端之间接有电阻R3，晶振Y1的两端还分别接入单片机U1。

如图10所示。插座接口电路包括双排6PIN的插接件Header，插接件Header第一个引脚、第四个引脚分别接入单片机U1，插接件Header的第二个引脚接地，插接件Header的第六个引脚接入电压VCC_5。

如图11所示。滤波电路包括电容C1、C5、C6构成的并联电路，以及电容C2、C3、C4，并联电路一个并联端接地，并联电路另一个并联端接入电压VCC_5，并联电路中电容C1、C5、C6上分别有导线引出并连接至单片机U1，电容C2、C3、C4一端共接后接地，电容C2、C3、C4另一端分别各自接入单片机U1。

如图12所示。电量显示电路包括发光二极管LED1-LED5，发光二极管LED1的阳极与电阻R4的一端连接，发光二极管LED2的阳极与电阻R5的一端连接，发光二极管LED3的阳极与电阻R6的一端连接，发光二极管LED4的阳极与电阻R7的一端连接，发光二极管LED5的阳极与电阻R8的一端连接，电阻R4-R8另一端共接后接入电压VCC_5，发光二极管LED1-LED5的阴极分别接入单片机U1。

如图13所示。还包括供电至各个电路的电源电路，所述电源电路包括型号为LM2576HVT-5的稳压芯片U5，稳压芯片U5的IN引脚接入光伏电源，稳压芯片U5的IN引脚还通过电容Ci接地，稳压芯片U5的/OFF引脚、GND引脚共接后接地，稳压芯片U5的OUT引脚接入一个肖特基二极管DO1的阴极，肖特基二极管DO1的阳极接地，肖特基二极管DO1的阴极还接入一个电感L3的一端，电感L3的另一端通过电容Co1接地，电感L3的另一端与电容Co1之间通过导线输出电压VCC_5，稳压芯片U5的FB引脚接入电感L3的另一端与电容Co1之间。

如图14所示。一种面向农业物联网测控节点的光伏电源管理方法，采用在μC/OS-Ⅱ操作系统基础上进行应用程序开发，在使用μC/OS-Ⅱ操作系统时，按需求将应用程各个功能模块分解成电压采集、电流采集、温度采集、数据分析任务，每个任务具有各自的运行周期并且具有唯一的优先级，其中电压采集任务面向电压采集芯片进行通信，获取各单体电池的电压数据，电流采集任务进行ADC采样，并计算充放电电流值，温度采集任务对温感进行ADC采样，并计算各温感温度值，数据分析任务判断电池是否过充、过放、过流、过温、低温等，并进行相应的策略控制，保护电池安全；

程序运行后，电压采集任务中单片机和电压采集芯片通过SPI总线进行通信，将接收到的电池电压数据储存在中间变量中，电压采集任务的周期为100ms，电流采集任务中执行ADC转换，得到转换后的电压，然后计算出充放电电流值，电流采集任务的周期为100ms。温度采集任务中对9路NTC温感进行轮流采样，然后对照电阻--温度表，得到每节电池的温度，温度采集任务周期为200ms，数据分析任务中，对存储在中间变量中的电压数据进行分析，并结合采集到的电流和温度数据，采取相应的控制策略，数据分析任务的周期为100ms。