基于STM32单片机的工业循环水极化控制系统设计

0　引言

工业生产中的循环水系统在运行中对淡水消耗非常大，同时，为防止工业设备结垢等现象，需要对循环水不断添加各种化学药剂，且需要不断地排放污水、补充新鲜水，这样既对水资源造成了很大的浪费又污染环境。鉴此，笔者设计了一种基于ARM的工业循环水极化控制系统。该系统通过极化场对水的极化作用[1]，实现对工业循环水的处理功能，达到减少水资源消耗、避免使用化学药剂、有效防止水资源污染的目的。

1　系统总体设计方案

基于ARM 的工业循环水极化控制系统采用ST公司的STM32F103微控制器作为主控制核心，由极化能量检测电路实时检测循环水水质参数，经STM32F103运算处理后，由极化能量输出电路调整极化能量的输出，由LCD显示电路实时显示运行参数和设置参数，由开关量输入电路控制信号的输入，运行数据保存在扩展RAM 中。该系统结构如图1所示。

图1　基于ARM 的工业循环水极化控制系统结构

2　系统硬件设计

2.1　主控制器

基于ARM 的工业循环水极化控制系统采用基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存微控制器STM32F103作为控制核心，具有高性能、低功耗、实时性好等特点[2]。STM32F103的工作频率可达72 MHz，具有512 KB 的闪存以及64 KB 的SRAM，12位逐次逼近型ADC，可以单次、连续、扫描或间断模式转换;通道采样时间可编程，总转换时间可缩减到1 μs，并支持DMA 数据传输[3]。

STM32F103可采用定时器触发的同步注入模式，实现多路模拟信号的同步采样;具有3个USART串行通信接口，内置波特率发生器，发送与接收共用可编程波特率，达4.5Mbit/s;灵活的静态存储器控制器FSMC能够通过同步或异步存储器与16位PC卡接口相连，便于外扩存储器和液晶显示屏。

2.2　极化能量输出电路

极化能量输出电路将STM32F103 输出的PWM 极化能量控制信号由硬件逻辑合成、隔离并放大后输出驱动极化体，产生极化电场作用于循环水。如图2所示，极化能量输出电路由PWM 输出逻辑控制、光电隔离、输出驱动、能量提升及输出组成。

PWM 输出逻辑控制由非门U1A～U1D和与非门U2、U4构成，PWM 有PWM0、PWM1、PWM2三路信号，另有CON输出控制信号。3路PWM 输出信号的周期完全相同，其中PWM0、PWM1两路输出占空比根据实际极化能量的运行需要进行调整，PWM　2为占空比为5　0% 的PWM信号，与PWM0、PWM1_______一起控制N-MOS功率管Q1、Q2分别在1个周期的0～180°范围内和180°～360°范围内导通，确保Q1、Q2不同时输出，有效避免输出短路。

图2　极化能量输出电路

PWM0、PWM1、PWM2、L1位置点、L2位置点、极化输出u的波形如图3所示。

图3　PWM0、PWM1、PWM2、L1位置点、L2位置点、极化输出u的波形

为提高系统工作稳定性和抗干扰能力，并实现输出电平的转换，设计U3、U5光电耦合器，实现输出PWM 信号的隔离传输。R2与R3、R6与R7分别组成分压电路，实现对Q1、Q2的驱动功能，R4、C1、R8、C2组成阻容吸收保护电路，用于吸收升压变压器原边线圈通断产生的瞬时高电压脉冲[4]，从而保护Q1、Q2。

2.3　极化能量检测电路

极化能量检测电路由采样电路、有源滤波电路、信号放大和限幅保护电路组成，如图4所示。R9、R10构成采样电路。R9、R10选择精密、低温漂的线绕电阻，以保证系统在较宽温度环境下工作时信号采集的稳定、可靠。R11、C2、U6组成一阶低通有源滤波电路，滤波器的截止频率设计为45Hz，可有效滤除现场工频50Hz干扰信号。限幅保护电路采用静电释放保护组件TVS，有效防止工业现场的大型电动机等设备启停产生的高压脉冲或信号超限而影响后级电路。

图4　极化能量检测电路

2.4　LCD显示电路

LCD显示电路采用专用段式液晶显示屏，显示内容包括设定极化值、极化能量运行值、授权运行时间等参数。LCD显示由1片液晶驱动芯片HT1622完成，HT1622为一个32×8的LCD驱动器，内置RC振荡器，提供1/4偏压、1/8COM 周期[5]，通过一条串行数据线、读、写及片选控制信号与STM32F103连接，同时通过RS485通信接口由上位计算机或触摸屏HMI实时显示水质参数及其它工作参数。

3　系统软件设计

基于ARM 的极化控制系统软件在KeiluVision4环境下开发[5]工业循环水，采用C语言编程、模块化设计，主要程序模块包括初始化模块、极化能量数据采集模块、定时数据采集及PID功能运算模块、LCD显示驱动模块、保护功能模块。

主程序的主要功能是完成I/O引脚配置、定时器工作模式和常数配置、串行口工作模式和启动控制、PWM 工作模式、中断源初始化及系统参数设置;LCD显示驱动模块实现参数的数据变换和显示功能，包括驱动芯片的初始化、显示位分离、转换显示字型码、写入显