基于STM32和熱電材料的溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者/張加樂、王順、吳亞聯(lián)，湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院；劉旋，湘潭大學(xué)物理與光電工程學(xué)院；羅志全，湘潭大學(xué)興湘學(xué)院

引言

能源是支撐人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展不可或缺的基本條件。隨著能源危機(jī)的加重和環(huán)境問題的不斷出現(xiàn)，各國政府開始積極調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，重視可再生清潔能源以及綠色能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的開發(fā)。在中國實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化和全體人民共同富裕的進(jìn)程中，能源始終是一個(gè)重大戰(zhàn)略問題。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出：到 2015年，中國非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到 11.4%。中國政府承諾， 到2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到15%左右[1]。

轉(zhuǎn)變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，提高能源利用率是十分必要的。基于此，本文提出了基于熱電材料塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1.系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

基于熱電材料塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

①溫差發(fā)電：熱電材料通過高低溫端間的溫差完成將高溫端輸入的熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的過程[2]。

②溫度監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)岫撕屠涠说臏囟戎担?jì)算溫差并顯示在上位機(jī)上。

③發(fā)電狀態(tài)顯示：通過溫差發(fā)電上位機(jī)顯示輸出電壓曲線，冷熱端溫度曲線，溫差曲線。

④數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)：利用溫差發(fā)電上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算得出熱能轉(zhuǎn)換成電能的效率，并將數(shù)據(jù)存入excel表格，便于系統(tǒng)分析及改進(jìn)。

⑤自動(dòng)化監(jiān)控：通過主控制器完成對(duì)所有模塊的控制，形成閉環(huán)系統(tǒng)，可設(shè)定溫差發(fā)電系統(tǒng)的自動(dòng)工作，對(duì)比實(shí)際利用工業(yè)冶鋼余熱發(fā)電時(shí)，當(dāng)溫差超過某一閾值系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)余熱廢熱的最大利用率，若冷源溫度高于閥值致使溫差較低，則觸發(fā)報(bào)警關(guān)閉設(shè)備。

⑥身份識(shí)別：當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，報(bào)警裝置報(bào)警。管理員通過身份驗(yàn)證后才可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1.2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

在溫差發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，由發(fā)電片、散熱片及轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成電能產(chǎn)生系統(tǒng)，系統(tǒng)的主控裝置控制系統(tǒng)的通信和自動(dòng)化運(yùn)行，工作人員可實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)工作狀態(tài)并對(duì)可能的異常情況及時(shí)處理。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.硬件模塊選型與設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

本系統(tǒng)的主控制器選用的是ST公司的STM32F103系列芯片。該芯片基于ARM Cortex–M3 32位的RISC內(nèi)核,工作頻率最高可達(dá)72 MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(64 KB的閃存和20 KB的SRAM),豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。STM32系列提供了全新的32位產(chǎn)品選項(xiàng),結(jié)合了高性能、實(shí)時(shí)、低功耗、低電壓等特性,同時(shí)保持了高集成度和易于開發(fā)的優(yōu)勢(shì),將32位MCU世界的性能和功效引向一個(gè)新的級(jí)別世界的性能和功效引向一個(gè)新的級(jí)別[3]。STM32負(fù)責(zé)處理對(duì)傳感器采集到的溫度、電壓并與上位機(jī)交互進(jìn)行信息傳遞，以及負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面TFT液晶屏的顯示等。

2.2 溫差發(fā)電部分

2.2.1 熱傳導(dǎo)模塊

溫差發(fā)電的原理是利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能。本系統(tǒng)選用SP1848–27145半導(dǎo)體溫差發(fā)電片。將多塊溫差發(fā)電片通過串并聯(lián)的方式放置在鋁合金散熱片中間，上下兩部分散熱片分別置于熱源（模擬工廠低品熱）與冷源（水冷系統(tǒng)）中，將發(fā)電片紅色線接正極，黑色線接負(fù)極，兩端有溫差時(shí)既可發(fā)電。溫差片串并聯(lián)能提高電壓電流輸出能力。實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 SP1848實(shí)物圖

2.2.2 穩(wěn)壓模塊由于測(cè)試時(shí)水溫波動(dòng)等因素會(huì)導(dǎo)致發(fā)電片輸出電壓不穩(wěn)定，為保證所接負(fù)載正常工作，接入穩(wěn)壓模塊LM2596穩(wěn)定輸出電壓。

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

2.3.1 溫度監(jiān)控模塊

在熱源和冷源中分別放置LM35DZ溫度傳感器，監(jiān)測(cè)溫度值，其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系[4]，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：0時(shí)輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV，即0～100℃溫度輸入對(duì)應(yīng)0～1V電壓輸出。

2.3.2 串口屏顯示模塊

工作人員通過串口觸摸屏設(shè)計(jì)界面控制冷熱源閥門的開關(guān)以控制溫差發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行/停止，設(shè)置一系列系統(tǒng)工作參數(shù)，查看當(dāng)前冷熱源溫差，發(fā)電片輸出電壓，轉(zhuǎn)換效率等。

2.3.3 報(bào)警模塊

當(dāng)熱源溫度過低、冷源溫度持續(xù)上升超過閾值等異常情況時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器，通知相應(yīng)工作人員。

2.3.4 身份識(shí)別模塊

使用RFID技術(shù)[5]，當(dāng)出現(xiàn)異常報(bào)警時(shí)，管理員進(jìn)行RFID管理員身份驗(yàn)證后可通過串口屏進(jìn)行設(shè)備的開閉操作，以進(jìn)行合理的排障維修。

3.軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要完成堆棧設(shè)置，定時(shí)器的設(shè)置，串口設(shè)置等，然后根據(jù)需求調(diào)用相應(yīng)的功能，如啟動(dòng)溫差發(fā)電，異常報(bào)警等。其軟件流程圖如圖3所示。

3.2 LM35DZ溫度傳感器程序設(shè)計(jì)

為測(cè)定熱源和冷源的溫度，計(jì)算溫差和相應(yīng)的熱能轉(zhuǎn)換效率，采用LM35DZ溫度傳感器防水探頭。LM35DZ測(cè)溫范圍是0～100℃，采用塑料封裝TO992，無需校準(zhǔn)，且無散熱問題，具有良好的防水性能和精度。程序流程圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

圖4 LM35DZ程序流程圖

3.3 串口屏程序設(shè)計(jì)

工作人員通過串口觸摸屏設(shè)計(jì)界面控制冷熱源閥門的開關(guān)以控制溫差發(fā)電系統(tǒng)。其程序流程圖如圖5所示。

3.4 報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)

當(dāng)出現(xiàn)熱源溫度過低、冷源溫度持續(xù)上升超過閾值、輸出電壓極低等異常情況時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警通知相應(yīng)工作人員。程序流程圖如圖6所示。

圖5 串口屏程序流程圖

圖6 報(bào)警模塊程序流程圖

3.5 RFID身份驗(yàn)證程序設(shè)計(jì)

異常情況報(bào)警時(shí)，管理員進(jìn)行RFID身份驗(yàn)證后通過串口屏對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作及故障處理。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 身份識(shí)別程序流程圖

3.6 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

溫差發(fā)電系統(tǒng)上位機(jī)端接收有下位機(jī)采集的溫差發(fā)電電壓等相關(guān)信息并將其處理儲(chǔ)存，通過波形圖表實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)，直觀的顯現(xiàn)當(dāng)前溫差發(fā)電系統(tǒng)的各種狀況。通過Active接口技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行EXCEL數(shù)據(jù)報(bào)表實(shí)時(shí)儲(chǔ)存以備數(shù)據(jù)分析以便于改進(jìn)溫差發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造，從而提高發(fā)電效率。利用LABVIEW進(jìn)行開發(fā)[6–7]，結(jié)合微軟ACTIVEX技術(shù)。上位機(jī)程序框圖如圖8所示，EXCEL數(shù)據(jù)報(bào)表如圖9所示。

圖8 上位機(jī)界面示意圖

圖9 EXCEL數(shù)據(jù)報(bào)表

4.系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試中，在60℃溫差下本發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備可產(chǎn)生4～5V電壓，最優(yōu)負(fù)載情況下的電流為540mA左右，帶負(fù)載運(yùn)行正常，發(fā)電設(shè)備發(fā)電有效；可成功通過RFID身份驗(yàn)證識(shí)別后進(jìn)行發(fā)電設(shè)備的開閉；下位機(jī)運(yùn)行正常，TFT實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)正常，數(shù)據(jù)曲線清晰、直觀，時(shí)鐘顯示正確，時(shí)間可調(diào)；上位機(jī)部分登錄正常，語音播報(bào)正常，數(shù)據(jù)握手成功，波形顯示直觀正確，EXCEL表格自動(dòng)化生成正常，記錄儲(chǔ)存數(shù)據(jù)功能正常，自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)曲線直觀、方便。系統(tǒng)測(cè)試如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)測(cè)試圖

5.結(jié)語

溫差發(fā)電技術(shù)作為新興的發(fā)電技術(shù)處于不斷的發(fā)展中，本系統(tǒng)結(jié)合電子測(cè)控相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套溫差發(fā)電配套的檢測(cè)系統(tǒng)，使其具備了物聯(lián)，易控，數(shù)據(jù)快速記錄的特點(diǎn)。RFID身份識(shí)別防止對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)的誤操作，溫度電壓數(shù)據(jù)異常時(shí)產(chǎn)生警告，上位機(jī)界面波形圖表實(shí)時(shí)展現(xiàn)溫差發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)記錄的溫差發(fā)電數(shù)據(jù)便于處理分析及研究使用。

隨著溫差發(fā)電材料的優(yōu)值不斷提高，結(jié)合電子測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電設(shè)備進(jìn)行熱回收將會(huì)逐步發(fā)展并逐步推廣到實(shí)際的生產(chǎn)生活中。

* [1] 國務(wù)院新聞辦發(fā)布《中國的能源政策(2012)》白皮書[A].《電站信息》,2012（11）.

* [2]趙建云,朱冬生,周澤廣,王長(zhǎng)宏,陳宏. 溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀[J].電源技術(shù),2010,(03)∶310—313.

* [3]孫書鷹,陳志佳,寇超. 新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2010,(12)∶59—63.

* [4]楊恒新,魯翠俠. 簡(jiǎn)易數(shù)字化溫度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子工程師 ,2007,(09)∶18—20+52.

* [5]李卓徽. 基于RFID的人員身份識(shí)別及定位系統(tǒng)研制[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 ,2012,(08)∶2281—2284.

* [6] Robert H.Bishop著，喬瑞萍，林欣等譯.LabVIEW6i實(shí)用教程[M]，電子工業(yè)出版社,2001.7

* [7] 楊樂平，李海濤等. LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M]，清華大學(xué)出版社，2003,4∶42～50.