基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统及方法与流程

本发明用于太阳能光伏发电组件的实时检测领域，针对光伏发电系统的电流进行实时监控并上传数据，第一时间了解光伏组件的运行状态；尤其是一种基于霍尔电压传感器的太阳能光伏发电检测系统及方法。主要涉及霍尔传感器对光伏发电系统输出电流的实时检测和CAN总线数据传输技术。

(二)

背景技术：
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随着现代工业化建设的持续发展，太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源，可以被持续利用，在国家新能源政策的推动下，中国太阳能光伏产品产量和产能不断增加。与此同时，对于光伏发电组件的检测与维护也成为首要问题。

目前，光伏发电系统大多采用直流电源，实践经验表明，在所有光伏组件的参数之中，光伏组件的输出电流最能体现光伏组件的当前状况。可以根据输出端电流判断光伏组件的发电情况，当前电流是否超出允许的极限电流。还可以判断光伏组件的均一性好坏等。因此，对光伏组件的输出端电流的测量十分重要。

太阳能电池板工作状态的监测关键在于太阳能电池板输出电流信号的采集。由于并联太阳能电池板的数量较多，整组电流很高，而且每个太阳能电池板之间都有电位联系，因此直接测量比较困难。在研究太阳能电池板监测系统过程中，人们提出了许多测量并联电池板组单只电池板端电流的方法。

现有测量技术主要包括直放式LEM传感器、分流测量方法、直接检测法、罗氏线圈测量方法、电磁式电流互感器测量方法、TMR电流传感器测量方法、分流器测量方法。

与现有的光伏组件电流监测系统相比，本发明的优点是选择霍尔电流传感器测量电流。同霍尔传感器相比直放式LEM传感器，存在零点飘移问题，并且目前市场上多为双电源，单电源数量少而且价格高且易发生磁化问题，霍尔传感器可采用单电源供电且价格相对较低；分流测量方法的缺点在于高的工作温度和分流电阻中的温差将对增益和偏移误差产生负面影响，霍尔电流测量法基于霍尔效应对电流进行测量，不受外界环境因素影响，保证测量精度不会发生变化；直接检测法是把直流电流表，直接串入被测量回路，这种方法破坏了原有系统的完整性，霍尔传感器只需把导线穿过感应孔即可，不影响原有电路；霍尔传感器解决了罗氏线圈测量法不能测量直流分量的弊端；电磁式电流互感器测量方法绝缘难度大，特别是500kV以上，因绝缘而使互感器的体积、质量、价格均提高，动态范围小，电流较大时，CT会出现饱和现象，饱和会使二次保护不能正确识别故障现象，互感器输出信号需敷设电缆到二次设备，还要二次转换成数字量，CT开路会产生高压，危及人身和设备安全，相比之下霍尔传感器绝缘度好，隔离电压可达9600Vrms，体积小，重量轻可直接放置于电路板，霍尔传感器二次侧允许开路，不会产生高电压，使用安全；分流器测量法存在的最大问题是输入与输出之间没有电隔离。此外，用分流器检测高频或大电流时，不可避免地带有电感性，因此分流器的接入既影响被测电流波形，也不能真实传递非正弦波形，而霍尔传感器原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，隔离电压可达9600Vrms，并且可以测量任意波形的电流，甚至对瞬态峰值的测量，副边电流忠实地反应原边电流的波形，不会影响被测电流的波形。

考虑到光伏发电系统的特殊性，结合现有测量方法的优缺点，本发明采用霍尔电流传感器测量并联电池板组电流，霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。

与现有电流检测系统相比本发明的另一个优势在于数据可以实时上传，现有电流检测方案只是单一的电流测量，不能做到数据的实时共享，使用繁琐，不适合光伏发电系统现场作业。本发明采用CAN总线数据传输方式，可以将数据实时上传至上位机，这是其他单一的电压监控系统无法比拟的。

CAN是ControlIerAreaNetwork的缩写,即“局域网控制器”的意思,可以归属于工业现场总线的范畴,通常称为CAN BUS,即CAN总线,是目前国际上应用最为广泛的开放式现场总线之一.

(三)

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种基于霍尔电压传感器的太阳能光伏发电检测系统及方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单、操作方便，且可以实时监控光伏组件工作状态的系统，且工作方法简单、可靠。

本发明的技术方案：一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统，包括实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机，其特征在于它包括稳压电路单元、电流信号采集电路单元、数据处理电路单元、拨码开关单元和CAN总线数据传输电路单元；其中所述电流信号采集电路单元的输入端采集太阳能电池板的电流信号，其输出端与数据处理电路单元的输入端连接；所述CAN总线数据传输电路单元的输入端连接数据处理电路单元的输出端，其输出端通过CAN总线与实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机连接；所述稳压电路单元为电流信号采集电路单元、数据处理电路单元和CAN总线数据传输电路单元提供稳定电源；所述拨码开关单元与数据处理电路单元的输入端连接。

所述电流信号采集电路单元包括N个电压信号采集电路；N为大于等于1的正整数；N的取值与需要检测的太阳能光伏阵列的维数有关；所述太阳能光伏阵列是X*Y维阵列，其中，X是相互串联的太阳能电池板个数；由X个太阳能电池板构成一条支路；Y是相互并联的支路的个数；所述电流信号采集电路单元中的电压信号采集电路的个数N＝Y+1。

所述电流信号采集电路是由霍尔传感器H、电阻R、电容C构成；其中所述霍尔传感器H有1管脚、2管脚、3管脚、4管脚；所述电阻R的一端与霍尔传感器H的4管脚连接，其另一端与电容C的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C的另一端接地；所述霍尔传感器H的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H的2管脚置空；所述霍尔传感器H的1管脚接地。

所述太阳能光伏阵列是6*4维阵列，即有4条支路；所述电流信号采集电路单元是由5个的电流信号采集电路构成，分别记为电流信号采集电路I、电流信号采集电路II、电流信号采集电路III、电流信号采集电路IV、电流信号采集电路V；其中，所述电流信号采集电路I、电流信号采集电路II、电流信号采集电路III、电流信号采集电路IV分别采集4条支路的电流信号；所述电流信号采集电路V则采集4条支路并联端两端总的电流信号。

所述电流信号采集电路I是由霍尔传感器H1、电阻R101、电容C101构成；所述电阻R101的一端与霍尔传感器H1的4管脚连接，其另一端与电容C101的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C101的另一端接地；所述霍尔传感器H1的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H1的2管脚置空；所述霍尔传感器H1的1管脚接地；

所述电流信号采集电路II是由霍尔传感器H2、电阻R102、电容C102构成；所述电阻R102的一端与霍尔传感器H2的4管脚连接，其另一端与电容C102的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C102的另一端接地；所述霍尔传感器H2的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H2的2管脚置空；所述霍尔传感器H2的1管脚接地；

所述电流信号采集电路III是由霍尔传感器H3、电阻R103、电容C103构成；所述电阻R103的一端与霍尔传感器H3的4管脚连接，其另一端与电容C103的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C103的另一端接地；所述霍尔传感器H3的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H3的2管脚置空；所述霍尔传感器H3的1管脚接地；

所述电流信号采集电路IV是由霍尔传感器H4、电阻R104、电容C104构成；所述电阻R104的一端与霍尔传感器H4的4管脚连接，其另一端与电容C104的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C104的另一端接地；所述霍尔传感器H4的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H4的2管脚置空；所述霍尔传感器H4的1管脚接地；

所述电流信号采集电路V是由霍尔传感器H5、电阻R105、电容C105构成；所述电阻R105的一端与霍尔传感器H5的4管脚连接，其另一端与电容C105的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C105的另一端接地；所述霍尔传感器H5的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H5的2管脚置空；所述霍尔传感器H5的1管脚接地；

所述霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3、霍尔传感器H4、霍尔传感器H5是型号为NHA-01的电流型霍尔传感器。

所述数据处理电路单元是由单片机U1、电阻R28、电阻R1、电阻R5、电容C10、电容C1、电容C2、电容C3、晶振Y1、LED灯L2、接线端子J1构成；其中，所述电容C10的一端与单片机U1连接，其另一端接地；所述电容C1和电容C2一端同时接地，而另一端则分别与晶振Y1的两端相连；所述晶振Y1的两端还分别与单片机U1连接；所述电阻R28的一端与单片机U1连接，其另一端连接接线端子J1；所述电容C3的一端连接接线端子J1；其另一端接地；所述电阻R1的一端连接接线端子J1；其另一端接电源VCC；所述接线端子J1还与电源VCC连接；所述电阻R5的一端与单片机U1连接，其另一端与LED灯L2的一端连接；所述LED灯L2的另一端接地；所述接线端子J1依编程线与实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机的USB口连接。

所述单片机U1是PIC18F25K80单片机芯片，共28个引脚，从MCLR/RE3引脚起逆时针顺序编号，依次记作1号引脚～28号引脚；所述接线端子J1是单片机编程接口且用于调试程序用的接线端子，有6个引脚，标号记作1号接口～6号接口；所述单片机U1的2号引脚、3号引脚、4号引脚、5号引脚、7号引脚分别连接电流信号采集电路I中电阻R101、电流信号采集电路II中电阻R102、电流信号采集电路III中电阻R103、电流信号采集电路IV中电阻R104、电流信号采集电路V中电阻R105；所述单片机U1的6号引脚与电容C10的一端连接；所述单片机U1的8号引脚接地；所述单片机U1的9号引脚和10号引脚连接分别与晶振Y1的两端连接；所述单片机1号引脚与电阻R28的一端连接；所述接线端子J1的1号接口与电阻R28的另一端连接；所述接线端子J1的1号接口与电容C3的一端连接；所述接线端子J1的1号接口与电阻R1的一端连接；所述接线端子J1的2号接口连接电源VCC；其3号接口接地，4号接口接单片机U1的28引脚，5号接口接单片机U1的27号引脚；所述单片机U1的26号引脚与电阻R5的一端连接；所述单片机U1的19号引脚接地；所述单片机U1有输入输出引脚，即2号～5号引脚、7号引脚、21号～28号引脚、11号～18号引脚，其中11号～18号引脚分别与拨码开关单元的8位手动选择开关连接。

所述晶振Y1晶振选择16MHz，构成单片机最小系统

所示稳压电路单元是由电容C4、电容C5、电容CV2、电容CV3、二极管D1、二极管D2、接线端子J2、接线端子J4、电源芯片MC7805和电源芯片MC7815构成；所述电容C4正极端连接电源VCC，负极端接地；所述电容C5正极端连接+15V电源，负极端接地；所述电容CV2正极端连接+24V直流电源，负极端接地；所述电容CV3正极端连接连接+24V直流电源，负极端接地；所述二极管D1的负极与电源芯片MC7805的电压输入口Vin端子连接，其正极端与接口端子J2连接；所述二极管D2的负极与电源芯片MC7815的电压输入口Vin端子连接，其正极端与接口端子J2连接；所述接线端子J2的端子还与与地、单片机U1连接；所述接线端子J2的端子还有两个置空的端子；所述接线端子J4的端子分别与接线端子J2的非置空端子连接；所述电源芯片MC7805电压输出口Vout输出+5V电压，其GND口接地；所述电源芯片MC7815的电压输出口Vout输出+15V电压，其GND口接地。

所述拨码开关单元为8位手动选择开关，由8位独立开关组成，每一位手动选择开关分别与单片机U1的8个I/O引脚，即连接单片机U1的11号～18号引脚。

所述数据传输电路单元包括通讯收发芯片U6、分压电阻R2、分压电阻R3、共模滤波电感L3、CAN总线滤波放大电路、瞬态抑制二极管Z1、瞬态抑制二极管Z2、保险F1和保险F2构成；所述分压电阻R2的两端分别与通讯收发芯片U6和单片机U1连接；所述分压电阻R3的两端分别与通讯收发芯片U6和单片机U1连接；所述通讯收发芯片U6与共模滤波电感L3连接；所述CAN总线滤波放大电路的输入端与共模滤波电感L3连接，其输出端分别与瞬态抑制二极管Z1、瞬态抑制二极管Z2、保险F1和保险F2连接。

所述CAN总线滤波放大电路是由电容C6、电容C7、电容C8、电阻R10、电阻R11、电阻R12和电阻R13构成；所述通讯收发芯片U6是型号为TJA1040的通讯芯片；所述TJA1040通讯芯片与单片机PIC18F25K80的通讯接口之间是CAN总线通讯方式连接；所述通讯收发芯片U6有8个管脚，分别记作1号管脚～8号管脚；所述分压电阻R2的两端分别与通讯收发芯片U6的1号管脚和单片机U1的23号引脚连接；所述分压电阻R3的两端分别与通讯收发芯片U6的4号管脚和单片机U1的24号引脚连接；所述通讯收发芯片U6的2号管脚接地，3号管脚接电源VCC，8号管脚接地；所述通讯收发芯片U6的6号引脚和7号引脚分别与共模滤波电感L3连接；所述电容C6的一端与共模滤波电感L3连接，其另一端接地；所述电容C7一端与共模滤波电感L3连接，其另一端接地；所述电阻R10一端与共模滤波电感L3连接，其另一端与电容C8的一端连接，电容C8另一端接地；所述R11一端与共模滤波电感L3连接，其另一端与电容C8的一端连接；所述R12的一端与共模滤波电感L3连接，其另一端与瞬态抑制二极管Z1的一端连接，瞬态抑制二极管Z1的另一端接地；所述R13的一端与共模滤波电感L3连接，其另一端与瞬态抑制二极管Z2的一端连接，瞬态抑制二极管Z2的另一端接地；所述保险F1的一端与瞬态抑制二极管Z1连接，其另一端接接线端子J2；所述保险F2的与瞬态抑制二极管Z2连接，其另一端与接线端子J2连接。

所述共模滤波电感L3有4个端子，分别记作1号端子～4号端子；所述共模滤波电感L3的1号端子、2号端子、3号端子、4号端子分别与通讯收发芯片U6的7号管脚、电容C6、电容C7、通讯收发芯片U6的6号管脚连接；所述共模滤波电感L3的2号端子和3号端子还分别与电阻R10和电阻R11连接；所述共模滤波电感L3的2号端子和3号端子还分别与电阻R12和电阻R13连接。

一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①将外部+24V直流电源通过稳压电路单元接入接线端子J2的一端，接线端子J2一端与电源芯片MC7805和MC7815相连，MC7805将24V电源转化为+5V，MC7815将24V电源转化为+15V；+5V直流电源用于为单片机供电，+15V直流电源用于为霍尔传感器供电，电源部分为通用电路；

②将太阳能电池板输出电流导线穿过霍尔传感器H的电流感应孔，由电流信号采集电路单元中的霍尔传感器H采集流过太阳能电池板的电流，霍尔传感器H采集太阳能电池板的电流后内部产生霍尔效应，得到0-2.5V的电压信号，该电压信号流向数据处理电路中的单片机U1，单片机U1与每个霍尔传感器之间的分压电阻R起到分压作用，防止出现过高的感应电流损坏单片机；

③数据处理电路单元中的单片机U1接收到霍尔传感器H输出的电流信号，单片机U1内部A/D模块对其进行数模转换，将模拟信号转换成数字信号，并通过单片机U1的内部程序按照如下公式进行数据计算和相应分析处理：

被测电流＝((ad结果采样)*基准)/AD位数，8位AD位数＝256

得到的检测结果存储至单片机U1的内部寄存器，再由其内部的ECAN模块将检测结果通过CAN总线技术输出给CAN总线数据传输电路单元；单片机U1内部的ECAN模块引脚通过CAN总线数据传输电路单元中的分压电阻R2、分压电阻R3与通讯收发芯片U6相连；所述数据处理电路单元中的LED灯L2可分辨单片机的工作状态，当单片机处于工作状态时指示灯L2会闪烁；所述接线端子J1依编程线与实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机的USB接口连接，可以通过计算机实现对单片机U1的程序下载、编写和运行调试；

④通过拨码开关设置每个基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统的站号，拨码开关的每一位与单片机U1的I/O引脚相连，每一位有开/关两种状态，手动向上拨即为开向单片机写1，手动向下拨即为关向单片机写0，拨码开关的输出相当于一个8位2进制数，即0000 0000-1111 1111，手动调节拨码开关的8个开关触点，生成一个8位2进制数，即一个检测系统的站号，每个单独的电流检测系统在CAN总线中相当于一个节点，每个节点都有一个不同的站号，以此在总线系统里区分各个节点的身份；

⑤数据传输电路单元得到的电流信号经过分压电阻R2和分压电阻R3流向通讯收发芯片U6，通讯收发芯片U6自带CAN总线通讯协议，在接收到单片机U1传输的电流数据后对其进行通讯协议转化，转化后的电流数据信号流向共模滤波电感L3，滤除掉信号中的干扰成分，并经过电阻R12和电阻R13的分压保护，经过瞬态抑制二极管Z1和瞬态抑制二极管Z2后流向保险F1和保险F2，最终通过接线端子J2和外部CAN总线相连，并通过CAN总线将测量得到的电流数据上传至实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机，完成整个检测流程。

本发明工作原理：本发明是基于霍尔电流传感器发明的电流检测系统，霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

而CAN是ControlIerAreaNetwork的缩写，即“局域网控制器”的意思,可以归属于工业现场总线的范畴，CAN总线以广播的方式从一个节点向另一个节点发送数据，当一个节点发送数据时，该节点的CPU把将要发送的数据和标识符发送给本节点的CAN芯片，并使其进入准备状态；一旦该CAN芯片收到总线分配，就变为发送报文状态，该CAN芯片将要发送的数据组成规定的报文格式发出。此时，网络中其他的节点都处于接收状态，所有节点都要先对其进行接收，通过检测来判断该报文是否是发给自己的。

CAN总线在数据通信方面具有高可靠性、实时性和灵活性，其应用领域广泛。在本发明中之所以选择CAN总线传输方式是因为考虑到CAN总线在实际应用中具有以下特点：(1)多主机方式工作：网络上任意节点可在任意时刻向其他节点发送数据，通信方式灵活；(2)网络上每个节点都有不同的优先级，可以满足实时性的要求；(3)采用非破坏性仲裁总线结构，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级高的优先传送；(4)传送方式有点对点、点对多点、点对全局广播三种；(5)通信距离可达6km；通信速率可达1MB/s；节点数可达110个；(6)采用的是短帧结构，每帧有8个有效字节；(7)具有可靠的检错机制，使得数据的出错率极低；(8)当发送的信息遭到破坏后，可自动重发；(9)节点在严重错误时，会自动切断与总线联系，以免影响总线上其他操作。

本发明的优越性：1、电路结构简单清晰，传感器可采用单电源供电且价格相对较低；2、电流测量法基于霍尔效应对电流进行测量，不受外界环境因素影响，保证测量精度不会发生变化；3、只需把导线穿过霍尔传感器感应孔即可，无需二次布线，不影响原有电路；4、霍尔传感器绝缘度好，隔离电压可达9600Vrms，二次侧允许开路，不会产生高电压，使用安全；7、原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，隔离电压可达9600Vrms，并且可以测量任意波形的电流，甚至对瞬态峰值的测量，副边电流忠实地反应原边电流的波形，不会影响被测电流的波形；8、本发明系统测量电流响应速度快，电流测量线性度好，优于0.1％；9、光伏组件的故障检测，针对并联连接的光伏发电系统，通过对每块太阳能电池板输出电流的集中分析，光伏组件的工作情况实时上传至上位机，实时监控光伏系统中各个组件的工作状态，可在第一时间发现故障点的具体位置，并发出警报，工作人员可以及时维护，使光伏发电系统工作效率得以保证。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统的整体结构框图。

图2为本发明所涉一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统的整体电路结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统中电流信号采集电路单元的电路结构示意图。

图4为本发明所涉一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统中数据处理电路单元的电路结构示意图。

图5为本发明所涉一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统中CAN总线数据传输电路单元的电路结构示意图。

图6为本发明所涉一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统中CAN总线滤波放大电路示意图

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统(见图1、图2)，包括实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机，其特征在于它包括稳压电路单元、电流信号采集电路单元、数据处理电路单元、拨码开关单元和CAN总线数据传输电路单元；其中所述电流信号采集电路单元的输入端采集太阳能电池板的电流信号，其输出端与数据处理电路单元的输入端连接；所述CAN总线数据传输电路单元的输入端连接数据处理电路单元的输出端，其输出端通过CAN总线与实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机连接；所述稳压电路单元为电流信号采集电路单元、数据处理电路单元和CAN总线数据传输电路单元提供稳定电源；所述拨码开关单元与数据处理电路单元的输入端连接。

所述电流信号采集电路单元包括N个电压信号采集电路；N为大于等于1的正整数；N的取值与需要检测的太阳能光伏阵列的维数有关；所述太阳能光伏阵列是X*Y维阵列，其中，X是相互串联的太阳能电池板个数；由X个太阳能电池板构成一条支路；Y是相互并联的支路的个数；所述电流信号采集电路单元中的电压信号采集电路的个数N＝Y+1。

所述电流信号采集电路(见图3)是由霍尔传感器H、电阻R、电容C构成；其中所述霍尔传感器H有1管脚、2管脚、3管脚、4管脚；所述电阻R的一端与霍尔传感器H的4管脚连接，其另一端与电容C的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C的另一端接地；所述霍尔传感器H的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H的2管脚置空；所述霍尔传感器H的1管脚接地。

所述太阳能光伏阵列是6*4维阵列，即有4条支路；所述电流信号采集电路单元(见图3)是由5个的电流信号采集电路构成，分别记为电流信号采集电路I、电流信号采集电路II、电流信号采集电路III、电流信号采集电路IV、电流信号采集电路V；其中，所述电流信号采集电路I、电流信号采集电路II、电流信号采集电路III、电流信号采集电路IV分别采集4条支路的电流信号；所述电流信号采集电路V则采集太阳能光伏发电系统的总的电流信号。

所述电流信号采集电路I(见图3)是由霍尔传感器H1、电阻R101、电容C101构成；所述电阻R101的一端与霍尔传感器H1的4管脚连接，其另一端与电容C101的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C101的另一端接地；所述霍尔传感器H1的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H1的2管脚置空；所述霍尔传感器H1的1管脚接地；

所述电流信号采集电路II(见图3)是由霍尔传感器H2、电阻R102、电容C102构成；所述电阻R102的一端与霍尔传感器H2的4管脚连接，其另一端与电容C102的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C102的另一端接地；所述霍尔传感器H2的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H2的2管脚置空；所述霍尔传感器H2的1管脚接地；

所述电流信号采集电路III(见图3)是由霍尔传感器H3、电阻R103、电容C103构成；所述电阻R103的一端与霍尔传感器H3的4管脚连接，其另一端与电容C103的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C103的另一端接地；所述霍尔传感器H3的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H3的2管脚置空；所述霍尔传感器H3的1管脚接地；

所述电流信号采集电路IV(见图3)是由霍尔传感器H4、电阻R104、电容C104构成；所述电阻R104的一端与霍尔传感器H4的4管脚连接，其另一端与电容C104的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C104的另一端接地；所述霍尔传感器H4的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H4的2管脚置空；所述霍尔传感器H4的1管脚接地；

所述电流信号采集电路V(见图3)是由霍尔传感器H5、电阻R105、电容C105构成；所述电阻R105的一端与霍尔传感器H5的4管脚连接，其另一端与电容C105的一端连接，同时连接数据处理电路单元的输入端；所述电容C105的另一端接地；所述霍尔传感器H5的3管脚连接5V电源；所述霍尔传感器H5的2管脚置空；所述霍尔传感器H5的1管脚接地；

所述霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3、霍尔传感器H4、霍尔传感器H5、是型号为NHA-01的电流霍尔传感器。

所述数据处理电路单元(见图4)是由单片机U1、电阻R28、电阻R1、电阻R5、电容C10、电容C1、电容C2、电容C3、晶振Y1、LED灯L2、接线端子J1构成；其中，所述电容C10的一端与单片机U1连接，其另一端接地；所述电容C1和电容C2一端同时接地，而另一端则分别与晶振Y1的两端相连；所述晶振Y1的两端还分别与单片机U1连接；所述电阻R28的一端与单片机U1连接，其另一端连接接线端子J1；所述电容C3的一端连接接线端子J1；其另一端接地；所述电阻R1的一端连接接线端子J1；其另一端接电源VCC；所述接线端子J1还与电源VCC连接；所述电阻R5的一端与单片机U1连接，其另一端与LED灯L2的一端连接；所述LED灯L2的另一端接地；所述接线端子J1依编程线与实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机的USB口连接。

所述单片机U1(见图4)是PIC18F25K80单片机芯片，共28个引脚，从MCLR/RE3引脚起逆时针顺序编号，依次记作1号引脚～28号引脚；所述接线端子J1是单片机编程接口且用于调试程序用的接线端子，有6个引脚，标号记作1号接口～6号接口；所述单片机U1的2号引脚、3号引脚、4号引脚、5号引脚、7号引脚分别连接电流信号采集电路I中电阻R101、电流信号采集电路II中电阻R102、电流信号采集电路III中电阻R103、电流信号采集电路IV中电阻R104、电流信号采集电路V中电阻R105；所述单片机U1的6号引脚与电容C10的一端连接；所述单片机U1的8号引脚接地；所述单片机U1的9号引脚和10号引脚连接分别与晶振Y1的两端连接；所述单片机1号引脚与电阻R28的一端连接；所述接线端子J1的1号接口与电阻R28的另一端连接；所述接线端子J1的1号接口与电容C3的一端连接；所述接线端子J1的1号接口与电阻R1的一端连接；所述接线端子J1的2号接口连接电源VCC；其3号接口接地，4号接口接单片机U1的28引脚，5号接口接单片机U1的27号引脚；所述单片机U1的26号引脚与电阻R5的一端连接；所述单片机U1的19号引脚接地；所述单片机U1有输入输出引脚，即2号～5号引脚、7号引脚、21号～28号引脚、11号～18号引脚，其中11号～18号引脚分别与拨码开关单元的8位手动选择开关连接。

所述晶振Y1晶振选择16MHz，构成单片机最小系统

所示稳压电路单元(见图2)是由电容C4、电容C5、电容CV2、电容CV3、二极管D1、二极管D2、接线端子J2、接线端子J4、电源芯片MC7805和电源芯片MC7815构成；所述电容C4正极端连接电源VCC，负极端接地；所述电容C5正极端连接+15V电源，负极端接地；所述电容CV2正极端连接+24V直流电源，负极端接地；所述电容CV3正极端连接连接+24V直流电源，负极端接地；所述二极管D1的负极与电源芯片MC7805的电压输入口Vin端子连接，其正极端与接口端子J2连接；所述二极管D2的负极与电源芯片MC7815的电压输入口Vin端子连接，其正极端与接口端子J2连接；所述接线端子J2的端子还与与地、单片机U1连接；所述接线端子J2的端子还有两个置空的端子；所述接线端子J4的端子分别与接线端子J2的非置空端子连接；所述电源芯片MC7805电压输出口Vout输出+5V电压，其GND口接地；所述电源芯片MC7815的电压输出口Vout输出+15V电压，其GND口接地。

所述拨码开关单元(见图2)为8位手动选择开关，由8位独立开关组成，每一位手动选择开关分别与单片机U1的8个I/O引脚，即连接单片机U1的11号～18号引脚。

所述数据传输电路单元(见图5)包括通讯收发芯片U6、分压电阻R2、分压电阻R3、共模滤波电感L3、CAN总线滤波放大电路、瞬态抑制二极管Z1、瞬态抑制二极管Z2、保险F1和保险F2构成；所述分压电阻R2的两端分别与通讯收发芯片U6和单片机U1连接；所述分压电阻R3的两端分别与通讯收发芯片U6和单片机U1连接；所述通讯收发芯片U6与共模滤波电感L3连接；所述CAN总线滤波放大电路的输入端与共模滤波电感L3连接，其输出端分别与瞬态抑制二极管Z1、瞬态抑制二极管Z2、保险F1和保险F2连接。

所述CAN总线滤波放大电路(见图5、图6)是由电容C6、电容C7、电容C8、电阻R10、电阻R11、电阻R12和电阻R13构成(见图5、图6)；所述通讯收发芯片U6是型号为TJA1040的通讯芯片(见图5)；所述TJA1040通讯芯片与单片机PIC18F25K80的通讯接口之间是CAN总线通讯方式连接；所述通讯收发芯片U6有8个管脚，分别记作1号管脚～8号管脚；所述分压电阻R2的两端分别与通讯收发芯片U6的1号管脚和单片机U1的23号引脚连接；所述分压电阻R3的两端分别与通讯收发芯片U6的4号管脚和单片机U1的24号引脚连接；所述通讯收发芯片U6的2号管脚接地，3号管脚接电源VCC，8号管脚接地；所述通讯收发芯片U6的6号引脚和7号引脚分别与共模滤波电感L3连接；所述电容C6的一端与共模滤波电感L3连接，其另一端接地；所述电容C7一端与共模滤波电感L3连接，其另一端接地；所述电阻R10一端与共模滤波电感L3连接，其另一端与电容C8的一端连接，电容C8另一端接地；所述R11一端与共模滤波电感L3连接，其另一端与电容C8的一端连接；所述R12的一端与共模滤波电感L3连接，其另一端与瞬态抑制二极管Z1的一端连接，瞬态抑制二极管Z1的另一端接地；所述R13的一端与共模滤波电感L3连接，其另一端与瞬态抑制二极管Z2的一端连接，瞬态抑制二极管Z2的另一端接地；所述保险F1的一端与瞬态抑制二极管Z1连接，其另一端接接线端子J2；所述保险F2的与瞬态抑制二极管Z2连接，其另一端与接线端子J2连接(见图2)。

所述共模滤波电感L3(见图5)有4个端子，分别记作1号端子～4号端子；所述共模滤波电感L3的1号端子、2号端子、3号端子、4号端子分别与通讯收发芯片U6的7号管脚、电容C6、电容C7、通讯收发芯片U6的6号管脚连接；所述共模滤波电感L3的2号端子和3号端子还分别与电阻R10和电阻R11连接；所述共模滤波电感L3的2号端子和3号端子还分别与电阻R12和电阻R13连接(见图5)。

一种基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①将外部+24V直流电源通过稳压电路单元接入接线端子J2的一端，接线端子J2一端与电源芯片MC7805和MC7815(见图2)相连，MC7805将24V电源转化为+5V，MC7815将24V电源转化为+15V；+5V直流电源用于为单片机供电，+15V直流电源用于为霍尔传感器供电，电源部分为通用电路；

②将太阳能电池板输出电流导线穿过霍尔传感器H的电流感应孔，由电流信号采集电路单元中的霍尔传感器H采集流过太阳能电池板的电流(见图2、见图3)，霍尔传感器H采集太阳能电池板的电流后内部产生霍尔效应，得到0-2.5V的电压信号，该电压信号流向数据处理电路中的单片机U1(见图4)，单片机U1与每个霍尔传感器之间的分压电阻R起到分压作用，防止出现过高的感应电流损坏单片机(见图3)。

③数据处理电路单元中的单片机U1接收到霍尔传感器H输出的电流信号，单片机U1内部A/D模块对其进行数模转换，将模拟信号转换成数字信号，并通过单片机U1的内部程序按照如下公式进行数据计算和相应分析处理：

被测电流＝((ad结果采样)*基准)/AD位数，8位AD位数＝256

得到的检测结果存储至单片机U1的内部寄存器，再由其内部的ECAN模块将检测结果通过CAN总线技术输出给CAN总线数据传输电路单元；单片机U1内部的ECAN模块引脚通过CAN总线数据传输电路单元中的分压电阻R2、分压电阻R3与通讯收发芯片U6相连(见图5)；所述数据处理电路单元中的LED灯L2可分辨单片机的工作状态，当单片机处于工作状态时指示灯L2会闪烁；所述接线端子J1依编程线与实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机的USB接口连接，可以通过计算机实现对单片机U1的程序下载、编写和运行调试；

④通过拨码开关设置每个基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统的站号，拨码开关的每一位与单片机U1的I/O引脚相连，每一位有开/关两种状态，手动向上拨即为开向单片机写1，手动向下拨即为关向单片机写0，拨码开关的输出相当于一个8位2进制数，即0000 0000-1111 1111，手动调节拨码开关的8个开关触点，生成一个8位2进制数，即一个检测系统的站号，每个单独的电流检测系统在CAN总线中相当于一个节点，每个节点都有一个不同的站号，以此在总线系统里区分各个节点的身份；

⑤数据传输电路单元(见图5、图6)得到的电流信号经过分压电阻R2和分压电阻R3流向通讯收发芯片U6，通讯收发芯片U6自带CAN总线通讯协议，在接收到单片机U1传输的电流数据后对其进行通讯协议转化，转化后的电流数据信号流向共模滤波电感L3，滤除掉信号中的干扰成分，并经过电阻R12和电阻R13的分压保护，经过瞬态抑制二极管Z1和瞬态抑制二极管Z2后流向保险F1和保险F2，最终通过接线端子J2和外部CAN总线相连，并通过CAN总线将测量得到的电流数据上传至实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机，完成整个检测流程。

本发明以一个实际光伏发电系统为例，该光伏发电系统由6*4维光伏阵列构成；4条支路相互并联，每条支路由6块太阳能电池板相互串联构成；每条支路需要一个电流信号采集电路对该支路的电流进行检测，该光伏发电系统还需要一个电流信号采集电路对4支路的汇总电流进行检测。每块太阳能电池板额定输出电流为2A。本检测系统使用5个霍尔传感器，其中4个霍尔传感器检测单块太阳能板的输出电流，1个霍尔传感器检测太阳能板总的输出电流，通过单片机对电流数据进行分析处理得知每个光伏组件的运行状态，并对每块太阳能板进行编号，通过CAN总线将数据结果上传至上位机，可以清楚地了解光伏系统中的故障位置。

本发明电路原理图如图1所示，电路有三个主要部分组成：

1、电流信号采集电路单元

电流信号采集电路单元(如图3所示)由5个霍尔传感器H组成，(图3中H1-H5为霍尔传感器)。其中霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3、霍尔传感器H4检测单块太阳能电池板电流，霍尔传感器H5检测并联后的太阳能电池板总电流，上述霍尔传感器H自身带有电流感应孔，将太阳能电池板输出电流导线穿过霍尔传感器H的电流感应孔，霍尔传感器内部产生霍尔效应，将被测电流转化为0-2.5V电压信号，霍尔传感器H输出0-2.5伏电压信号，霍尔传感器H输出端链接一个电阻R，达到保护电路的目的，霍尔传感器H输出信号经电阻R连接到单片机的A/D引脚，传感器使用+5V直流电源供电。

2、数据处理电路单元

数据处理部分主要由单片机U1构成(见图4)，单片机U1的1号引脚用于连接编程器，外接分压电阻R28和5V电源，单片机U1采用+5V电源供电，由MC7805电源芯片提供。单片机U1的28号引脚、27号引脚连接至接线端子J1用于程序编写，单片机U1的26号引脚接LED灯L2用于系统运行指示，单片机U1的2号引脚、3号引脚、4号引脚、5号引脚、7号引脚是单片机A/D引脚。单片机U1的2号引脚连接霍尔传感器H1、单片机U1的3号引脚连接霍尔传感器H2、单片机U1的4号引脚连接霍尔传感器H3、单片机U1的5号引脚连接霍尔传感器H4、单片机U1的7号引脚连接霍尔传感器H5。单片机U1的9号引脚、单片机U1的10号引脚连接晶振Y1构成单片机最小系统，单片机U1的23号引脚连接数据传输电路中的分压电阻R2，单片机U1 24号引脚连接数据传输电路中的分压电阻R3。

3、CAN总线数据传输电路单元

CAN总线数据传输部分电路原理(见图5)，本部分电路主要围绕通讯收发芯片U6、分压电阻R2、分压电阻R3、共模滤波电感L3、CAN总线滤波放大电路、瞬态抑制二极管Z1、瞬态抑制二极管Z2、保险F1和保险F2构成，通讯收发芯片U6用于CAN总线协议的转换，上述U6 1号管脚和4号管脚为TX和RX,用于和单片机U1之间的数据交互，分压电阻R2、分压电阻R3连接在通讯收发芯片U6和单片机U1之间，起到保护电路的作用。通讯收发芯片U6 6号管脚、7号管脚为CAN总线数据连接引脚，在U6的6号管脚、7号管脚外部链接共模滤波电感L3，共模滤波电感L3在电路中起到抗干扰的作用，如图5所示，这部分电路在CAN总线传输电路中对输入信号进行滤波放大，上述瞬态抑制二极管Z1、瞬态抑制二极管Z2是一种限压型的过电压保护器件,在电路中把过高的电压限制在一个安全范围之内，从而起到保护后面电路的作用。保险F1和保险F2防止过高的电压从外部涌入电路，用来保护电路中其他电子器件。OCANH、OCANL为CAN总线与外部连接端，连接至接线端子J2，用来进行和上位机之间的通讯。

具体的检测方法如下：

①将外部+24V直流电源通过稳压电路单元接入接线端子J2的一端，接线端子J2一端与电源芯片MC7805和MC7815(见图2)相连，MC7805将24V电源转化为+5V，MC7815将24V电源转化为+15V；+5V直流电源用于为单片机供电，+15V直流电源用于为霍尔传感器供电，电源部分为通用电路；

②将太阳能电池板输出电流导线穿过霍尔传感器H的电流感应孔，单块太阳能电池板电流分别穿过上述电流信号采集电路I、电流信号采集电路II、电流信号采集电路III、电流信号采集电路IV，太阳能电池板并联后总电流导线穿过电流信号采集电路V；霍尔传感器H得到太阳能电池板的电流后内部产生霍尔效应，得到0-2.5V的电压信号，上述电压信号流向数据处理电路中的单片机U1(见图4)，在U1与每个霍尔传感器H之间放置有分压电阻R(R101、R102、R103、R104、R105)(见图3)，电阻R起到分压作用，防止出现过高的感应电压损坏单片机；

③数据处理电路单元中的单片机U1接收到霍尔传感器H输出的电流信号，单片机U1内部A/D模块对其进行数模转换，将模拟信号转换成数字信号，并通过单片机U1的内部程序按照如下公式进行数据计算和相应分析处理：

被测电流＝((ad结果采样)*基准)/AD位数，8位AD位数＝256

得到的检测结果存储至单片机U1的内部寄存器，再由其内部的ECAN模块将检测结果通过CAN总线技术输出给CAN总线数据传输电路单元；单片机U1内部的ECAN模块引脚通过CAN总线数据传输电路单元中的分压电阻R2、分压电阻R3与通讯收发芯片U6相连(见图5)；所述数据处理电路单元中的LED灯L2可分辨单片机的工作状态，当单片机处于工作状态时指示灯L2会闪烁；所述接线端子J1依编程线与实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机的USB接口连接，可以通过计算机实现对单片机U1的程序下载、编写和运行调试；

④通过拨码开关设置每个基于霍尔电流传感器的太阳能光伏发电检测系统的站号，拨码开关的每一位与单片机U1的I/O引脚，即21号～28号引脚相连，每一位有开/关两种状态，手动向上拨即为开向单片机写1，手动向下拨即为关向单片机写0，拨码开关的输出相当于一个8位2进制数，即0000 0000-1111 1111，手动调节拨码开关的8个开关触点，生成一个8位2进制数，即一个检测系统的站号，每个单独的电流检测系统在CAN总线中相当于一个节点，每个节点都有一个不同的站号，以此在总线系统里区分各个节点的身份；

⑤数据传输电路单元(见图5、图6)得到的电流信号经过分压电阻R2和分压电阻R3流向通讯收发芯片U6，通讯收发芯片U6自带CAN总线通讯协议，在接收到单片机U1传输的电流数据后对其进行通讯协议转化，转化后的电流数据信号流向共模滤波电感L3，滤除掉信号中的干扰成分，并经过电阻R12和电阻R13的分压保护，经过瞬态抑制二极管Z1和瞬态抑制二极管Z2后流向保险F1和保险F2，最终通过接线端子J2和外部CAN总线相连，并通过CAN总线将测量得到的电流数据上传至实时监测光伏组件运行状态的数据处理计算机，完成整个检测流程。

本电路可根据光伏组件的实际数量做出具体调整，可以第一时间发现光伏发电系统的故障节点，实时监测光伏系统的发电效率，以方便工作人员及时维护，从而提高光伏发电效率，在光伏发电系统中有着重要作用。