基于STM32的工業循環水極化控制系統設計

工業生產中的循環水系統在運行中對淡水消耗非常大，同時，為防止工業設備結垢等現象，需要對循環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境。鑒此，筆者設計了一種基于ＡＲＭ的工業循環水極化控制系統。該系統通過極化場對水的極化作用［１］，實現對工業循環水的處理功能，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　系統總體設計方案

基于ＡＲＭ 的工業循環水極化控制系統采用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。該系統結構如圖１所示。

圖１　基于ＡＲＭ 的工業循環水極化控制系統結構

２　系統硬件設計

２．１　主控制器

基于ＡＲＭ 的工業循環水極化控制系統采用基于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［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、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［３］。

ＳＴＭ３２Ｆ１０３可采用定時器觸發的同步注入模式，實現多路模擬信號的同步采樣；具有３個ＵＳＡＲＴ串行通信接口，內置波特率發生器，發送與接收共用可編程波特率，達４．５Ｍｂｉｔ／ｓ；靈活的靜態存儲器控制器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。

　?。校祝?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?。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。

圖２　極化能量輸出電路

　?。校祝停?、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

　　為提高系統工作穩定性和抗干擾能力，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［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構成采樣電路。Ｒ９、Ｒ１０選擇精密、低溫漂的線繞電阻，以保證系統在較寬溫度環境下工作時信號采集的穩定、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。

圖４　極化能量檢測電路

２．４?。蹋茫娘@示電路

ＬＣＤ顯示電路采用專用段式液晶顯示屏，顯示內容包括設定極化值、極化能量運行值、授權運行時間等參數。ＬＣＤ顯示由１片液晶驅動芯片ＨＴ１６２２完成，ＨＴ１６２２為一個３２×８的ＬＣＤ驅動器，內置ＲＣ振蕩器，提供１／４偏壓、１／８ＣＯＭ 周期［５］，通過一條串行數據線、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實時顯示水質參數及其它工作參數。

３　系統軟件設計

基于ＡＲＭ 的極化控制系統軟件在ＫｅｉｌｕＶｉｓｉｏｎ４環境下開發［５］工業循環水，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?！　?/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。

由于該系統的極化能量輸出作用于工業循環水系統，其輸出效果反映為一個大慣性的滯后系統，因
此，極化能量輸出控制采用數字ＰＩＤ 調節控制方式，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　結語

基于ＡＲＭ 的工業循環水極化控制系統在某電廠循環水系統應用２臺（分別定義為設備Ａ與設備
Ｂ），并停止在循環水系統加化學藥劑。該系統運行１年多來，其防垢、除垢、殺菌、滅藻的效果理想，在２０１１―０９―０６的部分整點運行數據如表１所示。

通過表１可看出，該系統可控制循環水在較高濃縮倍率（４．５０～５．２０）下運行，因此，可以減少污水的排放；由于循環水系統不再加藥處理，也避免了排放的水對河流等的污染。該系統實際運行效果說明其符合火電廠循環水現場運行要求。