基于STM32的太陽(yáng)能光熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)①

管立偉,李正念,廖全當(dāng),盧 宇,黃志平,任建明

1(福建師范大學(xué) 物理與能源學(xué)院,福州 350117)

2(福建省量子調(diào)控與新能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350117)

太陽(yáng)能專(zhuān)業(yè)人才的稀缺一直是制約太陽(yáng)能行業(yè)快速健康發(fā)展的最大瓶頸,同時(shí)各高校所開(kāi)展的新能源相關(guān)課程和教學(xué)模式還不成熟,配套的教學(xué)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)儀器稂莠不齊,亟待規(guī)劃和開(kāi)發(fā).本課題組研制的面向集群應(yīng)用的太陽(yáng)能熱水工程測(cè)控與管理系統(tǒng),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了異地可視化監(jiān)控與管理太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)[1],該系統(tǒng)已應(yīng)用于多個(gè)太陽(yáng)能熱水工程項(xiàng)目中,取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益.為幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的原理和提高工程應(yīng)用動(dòng)手實(shí)踐能力,特研制太陽(yáng)能光熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng).發(fā)明專(zhuān)利(授權(quán)公告號(hào)CN10 3606325B)設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能光伏發(fā)電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[2],無(wú)法應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱方面的教學(xué)和研究.實(shí)用新型專(zhuān)利(授權(quán)公告號(hào)CN 205881277 U)提出一種可移動(dòng)式光伏光熱一體化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)[3],在室內(nèi)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法對(duì)人工光源進(jìn)行調(diào)節(jié).本文設(shè)計(jì)一種基于STM32的太陽(yáng)能光熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)人工光源結(jié)合調(diào)光模塊來(lái)模擬太陽(yáng)光,能夠?qū)崟r(shí)獲取并通過(guò)觸摸屏顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、水位、光照度和水表累計(jì)值等信息,測(cè)溫精度在 0 ℃～90 ℃ 范圍內(nèi)優(yōu)于±0.1 ℃,通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)處理、圖表顯示和報(bào)表打印,為系統(tǒng)熱性能檢測(cè)和能效指標(biāo)評(píng)估提供便捷的測(cè)試環(huán)境,具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,主要由系統(tǒng)微處理器STM32F103VCT6、傳感器模塊、人工光源調(diào)光模塊、存儲(chǔ)模塊、觸摸屏顯示模塊、通信模塊和執(zhí)行模塊等組成.傳感器模塊采集溫度、水位、光照度等信息并送到微處理器,經(jīng)過(guò)相應(yīng)的控制算法處理獲得系統(tǒng)控制邏輯,通過(guò)執(zhí)行模塊完成水泵、電磁閥等設(shè)備的控制.在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)人工光源結(jié)合調(diào)光模塊來(lái)模擬太陽(yáng)光,滿(mǎn)足光熱實(shí)驗(yàn)對(duì)光照度的不同需求.SD卡存儲(chǔ)模塊通過(guò)SDIO總線與微處理器連接,存儲(chǔ)太陽(yáng)能光熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù).觸摸屏顯示模塊顯示溫度、水位、光照度和水表累計(jì)值等信息,可進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)配置.遠(yuǎn)傳水表通過(guò)M-BUS與微處理器通訊,為能耗評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持.通過(guò)RS485與上位機(jī)軟件通信,進(jìn)行參數(shù)顯示和初始化配置,并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)處理、圖表顯示和報(bào)表打印等功能.

圖1 太陽(yáng)能光熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器PT1000調(diào)理電路

恒流源驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)溫度傳感器PT1000,將溫度變化產(chǎn)生的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓信號(hào).由于集成運(yùn)放相比較晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)受溫度影響較小,由集成運(yùn)放構(gòu)成的恒流源具有較好恒流性能和穩(wěn)定性[4].采用圖2所示的雙運(yùn)放恒流源,其中放大器U15和U17構(gòu)成加法器,U14和U16構(gòu)成跟隨器,放大器均選用開(kāi)環(huán)增益高、低噪聲和低溫漂的雙極性運(yùn)算放大器OPA277[5].A/D轉(zhuǎn)換電路與恒流源驅(qū)動(dòng)電路采用同一低溫漂、低噪聲的電壓基準(zhǔn)ADR421[6],測(cè)量結(jié)果不受電壓基準(zhǔn)漂移的影響.

設(shè)圖2中參考電阻Rref上端、下端的電位分別為U1和U2,U2為同相加法器U15的輸出,當(dāng)取R223=R225,R224=R226時(shí),則U2=U1+Uref,所以恒流源的輸出電流為:

圖2 溫度傳感器PT1000調(diào)理電路

放大器U16對(duì)溫度傳感器Rpt(PT1000)和零度電阻的端電壓進(jìn)行單位放大后送到TM7705差分輸入的正向輸入端,其值為

放大器U17對(duì)零度電阻Rz的端電壓放大2倍后送到TM7705差分輸入的反向輸入端,其值為

其中零度電阻Rz采用電位器粗調(diào)和細(xì)調(diào)相結(jié)合的方式.

該驅(qū)動(dòng)電路具有以下特點(diǎn):

(1)恒定電流I的大小可以通過(guò)調(diào)整參考電阻Rref大小或改變電壓基準(zhǔn)Uref來(lái)調(diào)整,易得穩(wěn)定的小電流.

(2)使用電位器調(diào)節(jié)電路且是粗調(diào)與細(xì)調(diào)相結(jié)合的方式,采用R228、R229、RP5和RP6代替參考電阻Rref,降低恒流源精度對(duì)溫度數(shù)據(jù)采集精度的影響.

2.2 A/D轉(zhuǎn)換及隔離電路

A/D轉(zhuǎn)換及隔離電路主要由16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器TM7705和隔離芯片ADUM5401組成,如圖3所示,TM7705通過(guò)SPI接口與MCU連接.采用A/D的差分輸入可有效降低環(huán)境噪聲和直流誤差,具有完整模擬前端,可直接測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路過(guò)來(lái)的微弱的模擬信號(hào),簡(jiǎn)化電路使本系統(tǒng)測(cè)量精度達(dá)到要求.由于微處理器數(shù)字輸出存在高頻噪聲,跟AD直接相連易引入噪聲降低AD轉(zhuǎn)換精度,為此本設(shè)計(jì)采用數(shù)字隔離器ADUM5401來(lái)進(jìn)行隔離.信號(hào)調(diào)理電路的輸出接AD-通道的差分輸入端得:

即PT1000兩端電壓相對(duì)PT1000在0 ℃時(shí)的電壓變化量.

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部相關(guān)負(fù)責(zé)人透露，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部已經(jīng)在15個(gè)省區(qū)市、22種作物上開(kāi)展蜜蜂授粉與綠色防控技術(shù)集成試驗(yàn)示范，同時(shí)開(kāi)展蜂業(yè)質(zhì)量提升行動(dòng)，今后將加大資金支持力度，進(jìn)一步推廣蜜蜂授粉，服務(wù)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換及隔離電路

2.3 人工光源調(diào)光電路

要控制的對(duì)象是50 Hz的正弦交流電,通過(guò)光耦取其過(guò)零的信號(hào)(同步信號(hào)),將這個(gè)信號(hào)送至STM32的外部中斷,STM32每接收到這個(gè)同步信號(hào)后啟動(dòng)一個(gè)延時(shí)程序,延時(shí)的具體時(shí)間由觸摸屏或者上位機(jī)來(lái)改變.當(dāng)延時(shí)結(jié)束,單片機(jī)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),通過(guò)觸發(fā)信號(hào)讓可控硅導(dǎo)通使燈發(fā)光.延時(shí)越長(zhǎng),亮的時(shí)間越短,燈的亮度越暗.同步信號(hào)采樣電路如圖4所示,可控硅觸發(fā)電路如圖5所示.

主電源導(dǎo)通區(qū)間、同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)時(shí)序關(guān)系如圖6所示,圖中陰影部分表示可控硅的導(dǎo)通區(qū)間,它的大小定了燈的亮度.改變延時(shí)時(shí)間可改變觸發(fā)信號(hào)和同步信號(hào)的相位關(guān)系,也改變了可控硅的導(dǎo)通區(qū)間的大小,達(dá)到調(diào)光的目的.

圖4 同步信號(hào)采樣電路

圖5 可控硅觸發(fā)電路

圖6 主電源導(dǎo)通區(qū)間、同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)時(shí)序圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 多任務(wù)架構(gòu)體系

借鑒計(jì)算機(jī)分時(shí)處理和Windows系統(tǒng)事件驅(qū)動(dòng)等思想,構(gòu)建多任務(wù)軟件框架[7,8].太陽(yáng)能光熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的多任務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際需求,將系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能劃分為多個(gè)任務(wù)模塊,如時(shí)間事件(秒事件,分事件等)處理、串口通信數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集任務(wù)、控制任務(wù)、水表數(shù)據(jù)采集任務(wù)和LED指示燈任務(wù)等.采用事件/消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制,按不同優(yōu)先級(jí)別來(lái)給不同的任務(wù)模塊分配MCU的控制權(quán),各個(gè)任務(wù)模塊在相應(yīng)的執(zhí)行時(shí)間范圍內(nèi)訪問(wèn)MCU.軟件的多任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制流程如圖7所示,主程序循環(huán)以標(biāo)志位控制為主,根據(jù)標(biāo)志位的狀態(tài)來(lái)確定任務(wù)能否訪問(wèn)MCU,即標(biāo)志位相當(dāng)于事件消息.

圖7 STM32多任務(wù)流程框圖

3.2 曲線擬合

根據(jù)鉑電阻溫度特性,當(dāng)工作溫度在0 ℃～850 ℃時(shí),PT1000阻值與溫度的關(guān)系為

式中R0為0 ℃時(shí)的阻值,R為溫度t時(shí)的阻值,a=3.90802×10-3℃-1,b=-5.802×10-7℃-2[9].可看出溫度與阻值不是線性關(guān)系,應(yīng)采用分段線性化處理來(lái)提高溫度測(cè)量精度,得到各溫度段的AD-t測(cè)溫多項(xiàng)式(AD為A/D采樣值,t為溫度),將PT1000、信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換作為一個(gè)整體進(jìn)行補(bǔ)償,可得到比擬合電阻-溫度R(t)特性曲線更高的測(cè)溫精度[5].

3.2.1 溫度與AD值關(guān)系式的擬合

用自主研制的硬件采集用于擬合AD-t測(cè)溫多項(xiàng)式的原始數(shù)據(jù),將恒溫油槽作為溫度場(chǎng),記錄A/D的采樣數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)中測(cè)取了0 ℃～90 ℃溫度段共900多組數(shù)據(jù),每隔0.1 ℃為一個(gè)溫度采樣點(diǎn),在同一溫度點(diǎn)連續(xù)采樣10次,對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字濾波處理,剔除10個(gè)數(shù)據(jù)中最大值和最小值,該溫度采樣點(diǎn)的最終采樣值取剩下8個(gè)數(shù)據(jù)的平均值.表1為測(cè)取得的部分?jǐn)?shù)據(jù),樣本 1:44.0 ℃～44.9 ℃,樣本 2:55.0 ℃～55.9 ℃,樣本 3:60.0 ℃～60.9 ℃,樣本 4:64.0 ℃～64.9 ℃.

3.2.2 擬合結(jié)果評(píng)估

表1 部分原始數(shù)據(jù)

式中yi是實(shí)際測(cè)量值,f(xi)是各個(gè)校正方程的擬合值,N為實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù).絕對(duì)誤差EABS越平穩(wěn),證明該校正方程的精度越高.算術(shù)平均誤差EAVE和均方誤差ESTD越小,表示校正方程越理想.

從圖8可以直觀的看出PT1000溫度傳感器對(duì)四個(gè)樣本溫度段采用一次校正方程進(jìn)行校正時(shí),絕對(duì)誤差EABS的震蕩較大;對(duì)于二次、三次、四次擬合時(shí),使用絕對(duì)誤差不太容易評(píng)估優(yōu)劣.因此,通過(guò)對(duì)PT1000溫度傳感器在此3種擬合方式下的算術(shù)平均誤差EAVE和均方誤差ESTD進(jìn)行對(duì)比,以便評(píng)估出適用于PT1000的最佳校正方程,如表2所示.

圖8 4個(gè)樣本溫度段不同擬合方式下的絕對(duì)誤差曲線

由表2可以看出,4個(gè)樣本點(diǎn)都是四次校正方程的算術(shù)平均誤差EAVE、均方誤差ESTD最小,所以可以確定出各個(gè)樣本溫度段經(jīng)過(guò)四次擬合的校正方程是適用于PT1000的最佳校正方程.其中在44.0 ℃～44.9 ℃的測(cè)溫范圍內(nèi),適用于PT1000的最佳校正方程如下:

表2 不同校正方程下的擬合誤差

4 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝本系統(tǒng),系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)如圖9所示,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試,采用觸摸屏來(lái)近程配置和顯示實(shí)驗(yàn)參數(shù),觸摸屏主界面如圖10所示,通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)處理、圖表顯示和報(bào)表打印,上位機(jī)軟件主界面如圖11所示.采用高精度校準(zhǔn)儀表及本系統(tǒng)分別對(duì)溫度、水位、人工光源光照度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,同時(shí)對(duì)人工光源調(diào)光效果和循環(huán)水泵、上水電磁閥的開(kāi)啟情況進(jìn)行記錄,系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表3所示.

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

圖10 觸摸屏主界面

圖11 上位機(jī)軟件主界面

表3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

從表3可以看出,溫度、水位、光照度精度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,在設(shè)定的閾值,可以自動(dòng)控制人工光源、水泵和電磁閥的開(kāi)啟,達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于STM32的太陽(yáng)能光熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)人工光源結(jié)合調(diào)光模塊來(lái)模擬太陽(yáng)光,能夠?qū)崟r(shí)獲取并通過(guò)觸摸屏顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、水位、光照度和水表累計(jì)值等信息,測(cè)溫精度在0 ℃～90 ℃范圍內(nèi)優(yōu)于±0.1 ℃,通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)處理、圖表顯示和報(bào)表打印,為系統(tǒng)熱性能檢測(cè)和能效指標(biāo)評(píng)估提供便捷的測(cè)試環(huán)境,具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

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