基于STM32的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)設計

工業(yè)生產(chǎn)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(jié)垢等現(xiàn)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［１］，實現(xiàn)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(zhì)參數(shù)，經(jīng)ＳＴＭ３２Ｆ１０３運算處理后，由極化能量輸出電路調(diào)整極化能量的輸出，由ＬＣＤ顯示電路實時顯示運行參數(shù)和設置參數(shù)，由開關(guān)量輸入電路控制信號的輸入，運行數(shù)據(jù)保存在擴展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［２］。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(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(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。

　?。校祝?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)實際極化能量的運行需要進行調(diào)整，ＰＷＭ?。矠檎伎毡葹椋怠。埃?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、Ｌ２位置點、極化輸出ｕ的波形如圖３所示。

圖３?。校祝停?、ＰＷＭ１、ＰＷＭ２、Ｌ１位置點、Ｌ２位置點、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，并實現(xiàn)輸出電平的轉(zhuǎn)換，設計Ｕ３、Ｕ５光電耦合器，實現(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，實現(xiàn)對Ｑ１、Ｑ２的驅(qū)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(chǎn)生的瞬時高電壓脈沖［４］，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(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計為４５Ｈｚ，可有效濾除現(xiàn)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(xiàn)場的大型電動機等設備啟停產(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)容包括設定極化值、極化能量運行值、授權(quán)運行時間等參數(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或觸摸屏ＨＭＩ實時顯示水質(zhì)參數(shù)及其它工作參數(shù)。

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)［５］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(shù)據(jù)采集模塊、定時數(shù)據(jù)采集及ＰＩＤ功能運算模塊、ＬＣＤ顯示驅(qū)動模塊、保護功能模塊?！　?/p>

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)設置；ＬＣＤ顯示驅(qū)動模塊實現(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，在２０１１―０９―０６的部分整點運行數(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)實際運行效果說明其符合火電廠循環(huán)水現(xiàn)場運行要求。