基于STM32的循環(huán)水在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

索 猛，羅益民

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 210009)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)過程中為保證生產(chǎn)設(shè)備的正常運行，需要用循環(huán)冷卻水對設(shè)備進(jìn)行冷卻，但冷卻水長期循環(huán)使用后，必然會帶來沉積物附著、金屬腐蝕和微生物滋生問題，從而影響工業(yè)生產(chǎn)[1]。因此，加強監(jiān)測循環(huán)冷卻水水質(zhì)，以及提高循環(huán)冷卻水的水質(zhì)狀況顯得非常重要。目前，對循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測主要是對腐蝕和結(jié)垢傾向的監(jiān)測，循環(huán)冷卻水腐蝕和結(jié)垢是導(dǎo)致冷換設(shè)備損壞和影響換熱效率的主要原因。因此提高循環(huán)水系統(tǒng)在線監(jiān)測及自動化控制水平，使得水質(zhì)指標(biāo)測量更準(zhǔn)確、高效，藥劑能最大限度地發(fā)揮它們的效果，同時做到節(jié)能降耗、減小排污量、降低排污帶來的環(huán)境污染是當(dāng)前循環(huán)水處理中所面臨的主要問題。能夠開發(fā)出新型的、切實合理有效的循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測和控制技術(shù)顯得更加重要[2-6]。

文中以某循環(huán)水水處理控制系統(tǒng)為應(yīng)用背景，在已有的循環(huán)水處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對其控制方案進(jìn)行了改進(jìn)，提出了以基于STM32控制核心，過程控制板，現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的方案替代了原來的IPC，PLC和現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的控制方案，以μC/OS+μC/GUI替代原來的WINDOWXP+組態(tài)王的軟件平臺。研制循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測設(shè)備，完成對pH、電導(dǎo)率、溫度、ORP、濁度的在線監(jiān)測。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測部分采用STM32控制單元，STM32控制單元主要負(fù)責(zé)采集溶解氧分析儀、pH 分析儀、電導(dǎo)率傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器等水質(zhì)分析設(shè)備的模擬量數(shù)據(jù)分析。

1．1 處理器模塊

控制系統(tǒng)的STM32F103ZET6芯片為控制核心，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。STM32F103ZET6，最高工作頻率72 MHz，1．25 DMIPS/ MHz.單周期乘法和硬件除法。片上集成32～512 KB的Flash存儲器。6～64 KB的SRAM存儲器。時鐘、復(fù)位和電源管理：2．0～3．6 V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器(PVD)。4～16 MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8 MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL.帶校準(zhǔn)用于RTC的32 kHz的晶振。3種低功耗模式：休眠、停止、待機模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT.將眾多循環(huán)水水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測集中到一套系統(tǒng)中，對多參數(shù)的循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研制，選取合適的微處理器，配合相應(yīng)的外圍電路，完成信號采集、轉(zhuǎn)換，參數(shù)顯示。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 現(xiàn)場監(jiān)控硬件框圖

1．2 傳感器

對于循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，首先必須選擇合適的循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測傳感器。該系統(tǒng)設(shè)計中選用的WQ 系列的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測傳感器作為循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的前端。該系列傳感器無論在精度、重復(fù)性方面都很優(yōu)秀，具有很好的響應(yīng)時間及穩(wěn)定性，而且輸出信號具有良好的線性。下面將介紹所選擇的pH、電導(dǎo)率、溫度、ORP、濁度5種循環(huán)水常規(guī)參數(shù)檢測傳感器的原理及其特點。在系統(tǒng)中選用的5項水質(zhì)參數(shù)檢測傳感器的原理各不相同，為了便于STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)運算處理，設(shè)計了信號調(diào)理電路，將這些非標(biāo)準(zhǔn)的電流信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的0～5 V 標(biāo)準(zhǔn)信號。在信號調(diào)理電路的設(shè)計中，采用LM358型集成運算放大器構(gòu)成前后兩級放大電路，前級為同相放大電路，后級為差分放大電路，通過調(diào)節(jié)信號調(diào)理電路中的有關(guān)電位器，實現(xiàn)了由各種傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)信號向標(biāo)準(zhǔn)信號的轉(zhuǎn)變，同時也達(dá)到了各項化學(xué)或物理參數(shù)量程調(diào)零與調(diào)滿的目的。信號調(diào)理電路是由同相放大電路和差分放大電路構(gòu)成的前后兩級放大電路。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)在程序設(shè)計時采用了模塊化設(shè)計方法，首先設(shè)計好系統(tǒng)總的軟件流程，然后分別將控制器所要完成的功能分別編寫和調(diào)試，所有模塊調(diào)試成功以后，將各個模塊聯(lián)調(diào)，最后組合構(gòu)成整體軟件系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由2部分組成：系統(tǒng)主程序、任務(wù)子程序。系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，任務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各個子功能。主程序在完成系統(tǒng)初始化后，按流程選擇執(zhí)行各子模塊程序，完成系統(tǒng)控制任務(wù)。系統(tǒng)的軟件部分主要分為兩部分，分別是嵌入式μC/OS-III 操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序軟件，其中液晶屏的顯示界面基于μC/GUI 設(shè)計。圖2為控制系統(tǒng)的軟件流程圖。

圖2 控制系統(tǒng)的軟件流程圖

μC/OS-Ⅲ是一個可擴展的、可固化的、搶占式的實時內(nèi)核，它管理的任務(wù)個數(shù)不受限制。它是第三代內(nèi)核，提供了現(xiàn)代實時內(nèi)核所期望的所有功能，包括資源管理、同步、內(nèi)部任務(wù)交流等。μC/OS-III 也提供了很多在其他實時內(nèi)核中所沒有的特性。比如能在運行時測量運行性能，直接發(fā)送信號或消息給任務(wù)，任務(wù)能同時等待多個信號量和消息隊列。

μC/GUI是一種專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的圖形界面支持系統(tǒng)。它的代碼全部由標(biāo)準(zhǔn)C編寫模塊化的設(shè)計，具有很強的可移植性。μC/GUI 適應(yīng)大多數(shù)的黑白或彩色LCD 的應(yīng)用，還提供一個可擴展的2D 圖形庫及占用極少RAM 的窗口管理體系[7]。該系統(tǒng)是基于Cortex-M3 內(nèi)核的stm32f103ret6微處理器。選用的是μC/GUI3．90a 版本，LCD是RA8875控制的4．3寸彩色液晶顯示觸摸屏(1寸=2.54 cm)。移植μC/GUI 的前提是LCD 的驅(qū)動函數(shù)已經(jīng)設(shè)計完成，因為在嵌入式體系結(jié)構(gòu)中，μC/GUI 所在的是操作系統(tǒng)層，其與硬件的交互是通過設(shè)備驅(qū)動層來實現(xiàn)的。

μC/GUI 與設(shè)備驅(qū)動層的接口是以下3個函數(shù)：

Void LCD_DrawPoint(u16 x，u16 y，u16 color)；

U16 LCD_ReadPoint(u16 x，u16 y)；

Void LCD_MyInit()；

接口函數(shù)的設(shè)計是跟處理器和LCD 相關(guān)的，在移植μC/GUI 前必須完成以上3 個函數(shù)的設(shè)計，即能用LCD_MyInit() 實現(xiàn)LCD 的初始化，LCD_ReadPoint(u16 x，u16 y)返回對應(yīng)點的顏色，LCD_DrawPoint(u16 x，u16 y，u16 color)在LCD 上顯示對應(yīng)點的顏色。μC/GUI 的移植不需要對Cortex-M3 內(nèi)核及其中斷機制有所了解，也不會涉及到硬件底層需要匯編實現(xiàn)的部分。重點在于設(shè)備驅(qū)動函數(shù)的編寫及GUI_X．c中與μC/OS 的接口設(shè)計。

3 人機界面建立

在STM32處理器上移植μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核包括處理器的初始化配置、內(nèi)核的移植，為應(yīng)用軟件的多任務(wù)執(zhí)行提供軟件平臺。μC/GUI在STM32上的移植為了在TFT液晶屏上能實現(xiàn)多窗口顯示、按鈕控件的顯示等一系列顯示功能，該系統(tǒng)在STM32上移植μC/GUI圖形支持系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)就能方便地調(diào)用μC/GUI內(nèi)的繪圖函數(shù)實現(xiàn)窗口、按鈕控件的繪制與顯示。人機交互界面操作方便，實現(xiàn)功能包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、報警、控制參數(shù)設(shè)定、量程設(shè)定、累積計算、趨勢曲線和報表打印，人機界面程序總體框架如圖3所示。

圖3 人機界面程序總體框架

4 系統(tǒng)運行效果

系統(tǒng)設(shè)計完成后，對某工廠的循環(huán)冷卻水進(jìn)行了測試運行，運行期間系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。表1記錄了此工廠循環(huán)水2013年3月26至2013年4月2日的各項數(shù)據(jù)的平均值。

5 結(jié)束語

該方案實現(xiàn)了對水質(zhì)參數(shù)實時監(jiān)測。自投運以來，運行穩(wěn)定、可靠，與傳統(tǒng)的全人工操作相比，系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性得到了提高，減少了人為因素影響，克服了地理等條件的限制，減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)在循環(huán)水處理行業(yè)的應(yīng)用，具有很強的靈活性和可擴充性，由于在惡劣的環(huán)境下能實現(xiàn)低功耗、長時間即時監(jiān)測，為企業(yè)帶來了長久的效益。

表1 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱斌，羅益民，袁啟昌，等．自動加藥與監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)循環(huán)冷卻水中的應(yīng)用．工業(yè)水處理，2007，27(12)：76-79

[2] 蔡小亮．循環(huán)水水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計：[學(xué)位論文]．南京：南京工業(yè)大學(xué)，2010．

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[7] 王蘭英．基于STM32 嵌入式系統(tǒng)的μCGUI 移植與實現(xiàn)．四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，25(1)：56-58．