基于STM32單片機的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)設計
2016/12/11 16:18:04??????點擊：
0 引言
工業(yè)生產中的循環(huán)水系統(tǒng)在運行中對淡水消耗非常大，同時，為防止工業(yè)設備結垢等現象，需要對循環(huán)水不斷添加各種化學藥劑，且需要不斷地排放污水、補充新鮮水，這樣既對水資源造成了很大的浪費又污染環(huán)境。鑒此，筆者設計了一種基于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，實現對工業(yè)循環(huán)水的處理功能，達到減少水資源消耗、避免使用化學藥劑、有效防止水資源污染的目的。
1 系統(tǒng)總體設計方案
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時檢測循環(huán)水水質參數，經STM32F103運算處理后，由極化能量輸出電路調整極化能量的輸出，由LCD顯示電路實時顯示運行參數和設置參數，由開關量輸入電路控制信號的輸入，運行數據保存在擴展RAM 中。
2 系統(tǒng)硬件設計
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內核的32位增強型閃存微控制器STM32F103作為控制核心，具有高性能、低功耗、實時性好等特點。STM32F103的工作頻率可達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)、掃描或間斷模式轉換;通道采樣時間可編程，總轉換時間可縮減到1 μs，并支持DMA 數據傳輸。
STM32F103可采用定時器觸發(fā)的同步注入模式，實現多路模擬信號的同步采樣;具有3個USART串行通信接口，內置波特率發(fā)生器，發(fā)送與接收共用可編程波特率，達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動極化體，產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實際極化能量的運行需要進行調整，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°范圍內和180°～360°范圍內導通，確保Q1、Q2不同時輸出，有效避免輸出短路。
為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和抗干擾能力，并實現輸出電平的轉換，設計U3、U5光電耦合器，實現輸出PWM 信號的隔離傳輸。R2與R3、R6與R7分別組成分壓電路，實現對Q1、Q2的驅動功能，R4、C1、R8、C2組成阻容吸收保護電路，用于吸收升壓變壓器原邊線圈通斷產生的瞬時高電壓脈沖，從而保護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電路組成，如圖4所示。R9、R10構成采樣電路。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計為45Hz，可有效濾除現場工頻50Hz干擾信號。限幅保護電路采用靜電釋放保護組件TVS，有效防止工業(yè)現場的大型電動機等設備啟停產生的高壓脈沖或信號超限而影響后級電路。
3 系統(tǒng)軟件設計
基于ARM 的極化控制系統(tǒng)軟件在KeiluVision4環(huán)境下開發(fā)工業(yè)循環(huán)水，采用C語言編程、模塊化設計，主要程序模塊包括初始化模塊、極化能量數據采集模塊、定時數據采集及PID功能運算模塊、LCD顯示驅動模塊、保護功能模塊。
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)參數設置;LCD顯示驅動模塊實現參數的數據變換和顯示功能，包括驅動芯片的初始化、顯示位分離、轉換顯示字型碼、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字PID 調節(jié)控制方式。
4 結語
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)應用2臺(分別定義為設備A與設備
B)，并停止在循環(huán)水系統(tǒng)加化學藥劑。該系統(tǒng)運行1年多來，其防垢、除垢、殺菌、滅藻的效果理想，
工業(yè)生產中的循環(huán)水系統(tǒng)在運行中對淡水消耗非常大，同時，為防止工業(yè)設備結垢等現象，需要對循環(huán)水不斷添加各種化學藥劑，且需要不斷地排放污水、補充新鮮水，這樣既對水資源造成了很大的浪費又污染環(huán)境。鑒此，筆者設計了一種基于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，實現對工業(yè)循環(huán)水的處理功能，達到減少水資源消耗、避免使用化學藥劑、有效防止水資源污染的目的。
1 系統(tǒng)總體設計方案
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時檢測循環(huán)水水質參數，經STM32F103運算處理后，由極化能量輸出電路調整極化能量的輸出，由LCD顯示電路實時顯示運行參數和設置參數，由開關量輸入電路控制信號的輸入，運行數據保存在擴展RAM 中。
2 系統(tǒng)硬件設計
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內核的32位增強型閃存微控制器STM32F103作為控制核心，具有高性能、低功耗、實時性好等特點。STM32F103的工作頻率可達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)、掃描或間斷模式轉換;通道采樣時間可編程，總轉換時間可縮減到1 μs，并支持DMA 數據傳輸。
STM32F103可采用定時器觸發(fā)的同步注入模式，實現多路模擬信號的同步采樣;具有3個USART串行通信接口，內置波特率發(fā)生器，發(fā)送與接收共用可編程波特率，達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動極化體，產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實際極化能量的運行需要進行調整，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°范圍內和180°～360°范圍內導通，確保Q1、Q2不同時輸出，有效避免輸出短路。
為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和抗干擾能力，并實現輸出電平的轉換，設計U3、U5光電耦合器，實現輸出PWM 信號的隔離傳輸。R2與R3、R6與R7分別組成分壓電路，實現對Q1、Q2的驅動功能，R4、C1、R8、C2組成阻容吸收保護電路，用于吸收升壓變壓器原邊線圈通斷產生的瞬時高電壓脈沖，從而保護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電路組成，如圖4所示。R9、R10構成采樣電路。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計為45Hz，可有效濾除現場工頻50Hz干擾信號。限幅保護電路采用靜電釋放保護組件TVS，有效防止工業(yè)現場的大型電動機等設備啟停產生的高壓脈沖或信號超限而影響后級電路。
3 系統(tǒng)軟件設計
基于ARM 的極化控制系統(tǒng)軟件在KeiluVision4環(huán)境下開發(fā)工業(yè)循環(huán)水，采用C語言編程、模塊化設計，主要程序模塊包括初始化模塊、極化能量數據采集模塊、定時數據采集及PID功能運算模塊、LCD顯示驅動模塊、保護功能模塊。
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)參數設置;LCD顯示驅動模塊實現參數的數據變換和顯示功能，包括驅動芯片的初始化、顯示位分離、轉換顯示字型碼、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字PID 調節(jié)控制方式。
4 結語
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)應用2臺(分別定義為設備A與設備
B)，并停止在循環(huán)水系統(tǒng)加化學藥劑。該系統(tǒng)運行1年多來，其防垢、除垢、殺菌、滅藻的效果理想，
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