基于STM32單片機(jī)的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)設(shè)計

0　引言

工業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)水系統(tǒng)在運(yùn)行中對淡水消耗非常大，同時，為防止工業(yè)設(shè)備結(jié)垢等現(xiàn)象，需要對循環(huán)水不斷添加各種化學(xué)藥劑，且需要不斷地排放污水、補(bǔ)充新鮮水，這樣既對水資源造成了很大的浪費(fèi)又污染環(huán)境。鑒此，筆者設(shè)計了一種基于ARM的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過極化場對水的極化作用[1]，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)循環(huán)水的處理功能，達(dá)到減少水資源消耗、避免使用化學(xué)藥劑、有效防止水資源污染的目的。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于ARM 的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)采用ST公司的STM32F103微控制器作為主控制核心，由極化能量檢測電路實(shí)時檢測循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)，經(jīng)STM32F103運(yùn)算處理后，由極化能量輸出電路調(diào)整極化能量的輸出，由LCD顯示電路實(shí)時顯示運(yùn)行參數(shù)和設(shè)置參數(shù)，由開關(guān)量輸入電路控制信號的輸入，運(yùn)行數(shù)據(jù)保存在擴(kuò)展RAM 中。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于ARM 的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1　主控制器

基于ARM 的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存微控制器STM32F103作為控制核心，具有高性能、低功耗、實(shí)時性好等特點(diǎn)[2]。STM32F103的工作頻率可達(dá)72 MHz，具有512 KB 的閃存以及64 KB 的SRAM，12位逐次逼近型ADC，可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式轉(zhuǎn)換;通道采樣時間可編程，總轉(zhuǎn)換時間可縮減到1 μs，并支持DMA 數(shù)據(jù)傳輸[3]。

STM32F103可采用定時器觸發(fā)的同步注入模式，實(shí)現(xiàn)多路模擬信號的同步采樣;具有3個USART串行通信接口，內(nèi)置波特率發(fā)生器，發(fā)送與接收共用可編程波特率，達(dá)4.5Mbit/s;靈活的靜態(tài)存儲器控制器FSMC能夠通過同步或異步存儲器與16位PC卡接口相連，便于外擴(kuò)存儲器和液晶顯示屏。

2.2　極化能量輸出電路

極化能量輸出電路將STM32F103 輸出的PWM 極化能量控制信號由硬件邏輯合成、隔離并放大后輸出驅(qū)動極化體，產(chǎn)生極化電場作用于循環(huán)水。如圖2所示，極化能量輸出電路由PWM 輸出邏輯控制、光電隔離、輸出驅(qū)動、能量提升及輸出組成。

PWM 輸出邏輯控制由非門U1A～U1D和與非門U2、U4構(gòu)成，PWM 有PWM0、PWM1、PWM2三路信號，另有CON輸出控制信號。3路PWM 輸出信號的周期完全相同，其中PWM0、PWM1兩路輸出占空比根據(jù)實(shí)際極化能量的運(yùn)行需要進(jìn)行調(diào)整，PWM　2為占空比為5　0% 的PWM信號，與PWM0、PWM1_______一起控制N-MOS功率管Q1、Q2分別在1個周期的0～180°范圍內(nèi)和180°～360°范圍內(nèi)導(dǎo)通，確保Q1、Q2不同時輸出，有效避免輸出短路。

圖2　極化能量輸出電路

PWM0、PWM1、PWM2、L1位置點(diǎn)、L2位置點(diǎn)、極化輸出u的波形如圖3所示。

圖3　PWM0、PWM1、PWM2、L1位置點(diǎn)、L2位置點(diǎn)、極化輸出u的波形

為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和抗干擾能力，并實(shí)現(xiàn)輸出電平的轉(zhuǎn)換，設(shè)計U3、U5光電耦合器，實(shí)現(xiàn)輸出PWM 信號的隔離傳輸。R2與R3、R6與R7分別組成分壓電路，實(shí)現(xiàn)對Q1、Q2的驅(qū)動功能，R4、C1、R8、C2組成阻容吸收保護(hù)電路，用于吸收升壓變壓器原邊線圈通斷產(chǎn)生的瞬時高電壓脈沖[4]，從而保護(hù)Q1、Q2。

2.3　極化能量檢測電路

極化能量檢測電路由采樣電路、有源濾波電路、信號放大和限幅保護(hù)電路組成，如圖4所示。R9、R10構(gòu)成采樣電路。R9、R10選擇精密、低溫漂的線繞電阻，以保證系統(tǒng)在較寬溫度環(huán)境下工作時信號采集的穩(wěn)定、可靠。R11、C2、U6組成一階低通有源濾波電路，濾波器的截止頻率設(shè)計為45Hz，可有效濾除現(xiàn)場工頻50Hz干擾信號。限幅保護(hù)電路采用靜電釋放保護(hù)組件TVS，有效防止工業(yè)現(xiàn)場的大型電動機(jī)等設(shè)備啟停產(chǎn)生的高壓脈沖或信號超限而影響后級電路。

圖4　極化能量檢測電路

2.4　LCD顯示電路

LCD顯示電路采用專用段式液晶顯示屏，顯示內(nèi)容包括設(shè)定極化值、極化能量運(yùn)行值、授權(quán)運(yùn)行時間等參數(shù)。LCD顯示由1片液晶驅(qū)動芯片HT1622完成，HT1622為一個32×8的LCD驅(qū)動器，內(nèi)置RC振蕩器，提供1/4偏壓、1/8COM 周期[5]，通過一條串行數(shù)據(jù)線、讀、寫及片選控制信號與STM32F103連接，同時通過RS485通信接口由上位計算機(jī)或觸摸屏HMI實(shí)時顯示水質(zhì)參數(shù)及其它工作參數(shù)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于ARM 的極化控制系統(tǒng)軟件在KeiluVision4環(huán)境下開發(fā)[5]工業(yè)循環(huán)水，采用C語言編程、模塊化設(shè)計，主要程序模塊包括初始化模塊、極化能量數(shù)據(jù)采集模塊、定時數(shù)據(jù)采集及PID功能運(yùn)算模塊、LCD顯示驅(qū)動模塊、保護(hù)功能模塊。

主程序的主要功能是完成I/O引腳配置、定時器工作模式和常數(shù)配置、串行口工作模式和啟動控制、PWM 工作模式、中斷源初始化及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置;LCD顯示驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)的數(shù)據(jù)變換和顯示功能，包括驅(qū)動芯片的初始化、顯示位分離、轉(zhuǎn)換顯示字型碼、寫入顯示映像區(qū)。

由于該系統(tǒng)的極化能量輸出作用于工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)，其輸出效果反映為一個大慣性的滯后系統(tǒng)，因

此，極化能量輸出控制采用數(shù)字PID 調(diào)節(jié)控制方式，具體程序流程如圖5所示。

圖5　極化能量輸出控制子程序流程

4　結(jié)語

基于ARM 的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)在某電廠循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用2臺(分別定義為設(shè)備A與設(shè)備

B)，并停止在循環(huán)水系統(tǒng)加化學(xué)藥劑。該系統(tǒng)運(yùn)行1年多來，其防垢、除垢、殺菌、滅藻的效果理想，在2011―09―06的部分整點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

通過表1可看出，該系統(tǒng)可控制循環(huán)水在較高濃縮倍率(4.50～5.20)下運(yùn)行，因此，可以減少污水的排放;由于循環(huán)水系統(tǒng)不再加藥處理，也避免了排放的水對河流等的污染。該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果說明其符合火電廠循環(huán)水現(xiàn)場運(yùn)行要求。