基于STM32F745野外無人值守太陽能泵站系統(tǒng)

無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 毛新剛

0 引言

隨著人類社會的發(fā)展，能源的消耗量在不斷增加，總有一天能源會達(dá)到極限，由于大量燃燒能源帶來的全球生態(tài)環(huán)境的惡化，同時(shí)太陽能系統(tǒng)使用范圍的逐漸增多，產(chǎn)品占有市場份額的增加，迫切推進(jìn)光伏智能水泵的相關(guān)技術(shù)發(fā)展，基于以上理念發(fā)明了一種500W新型野外太陽能水泵系統(tǒng)，解決一些實(shí)際問題，具有低碳、節(jié)能、環(huán)保的概念。無需架設(shè)電網(wǎng)，無需柴油發(fā)電，安裝快捷，省錢，省力。十分符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。它的運(yùn)用場合廣泛，尤其能夠在野外惡劣的環(huán)境中使用。

1 野外太陽能泵站控制系統(tǒng)功能及架構(gòu)

為了使得太陽能控制系統(tǒng)（見圖1）能夠滿足當(dāng)前流行的自動水泵控制需求，本系統(tǒng)需要具有人機(jī)通訊功能。當(dāng)水泵抽水工作時(shí)水源缺水、蓄水池缺水或滿水時(shí)，系統(tǒng)能夠檢測到水壓，并通過水壓信號的反饋與設(shè)定值比較來控制電機(jī)啟動或停止，警示燈的閃爍來判斷水泵是否空轉(zhuǎn)或故障。以此實(shí)現(xiàn)水泵的自動控制。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

通過太陽能板對蓄電池的充電，實(shí)現(xiàn)在野外無需架設(shè)電網(wǎng)，無需柴油發(fā)電。在晴天時(shí)太陽能板對蓄電池的充電，因此太陽能水泵系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)跟蹤太陽能板中的最大的功率點(diǎn)，來發(fā)揮出太陽能板的最大功效。

野外太陽能泵站主要分：100W太陽能帆板，12v，100aH蓄電池，電池充電管理控制器，水壓力開關(guān)控制器，水管，水箱，管路接頭等配件。

2 野外太陽能泵站控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU

本系統(tǒng)采用ST公司cortex-M7內(nèi)核單片機(jī)STM32F745VG芯片作為控制器，能夠?qū)θ藱C(jī)接口觸摸屏，缺水故障報(bào)警，水管壓力檢測，水箱液位檢測，蓄電池溫度檢測，水泵調(diào)速控制，能夠在一塊電路板實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用，達(dá)到良好的人機(jī)接口控制要求。STM32F745內(nèi)置最高1MB閃存、320KB RAM、以太網(wǎng)接口、QSPI接口、攝像頭接口和靈活存儲控制器（FMC）。STM32F746比STM32F745多一個(gè)TFT-LCD控制器。STM32F756比STM32F746多一個(gè)加密/哈什（Crypto/Hash）處理器，可對AES-128/-192/-256加密算法進(jìn)行硬件加速，支持GCM和CCM、Triple DES和hash（MD5、SHA-1、SHA-2）加密算法。這個(gè)芯片具有12位ADC檢測轉(zhuǎn)換模塊，定時(shí)器PWM輸出功能，采用100pinTQFP封裝，最多高達(dá)82個(gè)IO口，高性能的計(jì)算能力能滿足大數(shù)據(jù)量計(jì)算的需求。

2.2 人機(jī)接口電路

為了讓整個(gè)產(chǎn)品富有科技感和人文感，增加賣點(diǎn)。人機(jī)接口方面用了2.8寸TFT觸摸屏LCD，分辨率320X240，驅(qū)動芯片為ISL9325。STM32主控芯片采用并行FSMC接口驅(qū)動TFT真彩LCD。這個(gè)借口就是能達(dá)到并行吞吐數(shù)據(jù)，進(jìn)行快速讀取。和LCD的接口控制采用這個(gè)模式，不需要外擴(kuò)模式。并且讀寫操作的時(shí)序一樣。當(dāng)HCLK的頻率是72MHZ，使用此模式。

觸摸屏控制芯片采用了ADI公司的AD7843，這款芯片用在個(gè)人數(shù)字助理，智能手持設(shè)備，觸摸監(jiān)控屏幕，它具有4線觸摸接口功能，特定的輸入輸出速率能夠達(dá)到125kps，相對低的功耗1.37mW工作在3.6V，可編程設(shè)置12位或者10位接口編程，有兩個(gè)輔助模擬輸入接口。

整個(gè)人機(jī)接口的電路如圖2所示。在電路板上上采用FPC柔性接口和主控板進(jìn)行電氣連接，觸摸控制芯片放在主控制板上，LCD背光采用場效應(yīng)管進(jìn)行開關(guān)驅(qū)動。

圖2 觸控屏接口電路設(shè)計(jì)

2.3 壓力傳感器檢測電路（見圖3）

圖3 傳感器信號處理電路

陶瓷壓力傳感器的滿量程輸出是25～50mV左右，電橋輸出的是差分信號，為了獲得很好的精度和放大倍數(shù)，本系統(tǒng)采用集成儀表放大器LTC1100CN8，零點(diǎn)偏置電壓由電壓跟隨器U4提供，零點(diǎn)偏置電壓0.5V。儀表放大器輸出再外接一個(gè)額外的同相放大器，整個(gè)放大電路對輸入零漂的抑制有很好的作用。

整個(gè)壓力傳感器檢測范圍為0～1Mpa。

3 野外太陽能泵站控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用一種基于PWM的方式來控制直流水泵，靈活可靠，精度也符合要求。當(dāng)設(shè)置完參數(shù)后，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行模式，根據(jù)人機(jī)接口要求（運(yùn)行任務(wù)，設(shè)置任務(wù)，停機(jī)任務(wù)，報(bào)警任務(wù)），運(yùn)行時(shí)候只負(fù)責(zé)檢測ADC數(shù)據(jù)，壓力參數(shù)，水泵電壓參數(shù)，調(diào)整水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速。執(zhí)行時(shí)如果是運(yùn)行指令，則執(zhí)行PID函數(shù)并輸出PWM控制電機(jī)的運(yùn)行，如果是IO口輸出指令則通過IO輸出高低電平，同時(shí)在運(yùn)行過程中如果遇到緊急停止、限位信號、停止信號的觸發(fā)，則立即停止水泵驅(qū)動文件的解析執(zhí)行，同時(shí)系統(tǒng)復(fù)位，等待下一次的觸發(fā)。圖4為運(yùn)行流程圖。

圖4 流程圖

4 結(jié)語

本文所提出的野外智能泵站通過把系統(tǒng)根據(jù)功能模塊劃分成多個(gè)任務(wù)，開發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用程序，使得軟件編程結(jié)構(gòu)清晰明了，升級可維護(hù)性好，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性有保證，對于野外泵站控制系統(tǒng)采用商業(yè)級μC/OSIII操作系統(tǒng)提供了一種思路。