基于STM32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