基于STM32的太陽能光熱實驗系統①

管立偉,李正念,廖全當,盧 宇,黃志平,任建明

1(福建師范大學 物理與能源學院,福州 350117)

2(福建省量子調控與新能源材料重點實驗室,福州 350117)

太陽能專業人才的稀缺一直是制約太陽能行業快速健康發展的最大瓶頸,同時各高校所開展的新能源相關課程和教學模式還不成熟,配套的教學設備和實驗儀器稂莠不齊,亟待規劃和開發.本課題組研制的面向集群應用的太陽能熱水工程測控與管理系統,已經實現了異地可視化監控與管理太陽能熱水系統[1],該系統已應用于多個太陽能熱水工程項目中,取得良好的社會和經濟效益.為幫助學生學習和理解太陽能光熱系統的原理和提高工程應用動手實踐能力,特研制太陽能光熱實驗教學系統.發明專利(授權公告號CN10 3606325B)設計一種太陽能光伏發電綜合實驗平臺[2],無法應用于太陽能光熱方面的教學和研究.實用新型專利(授權公告號CN 205881277 U)提出一種可移動式光伏光熱一體化實驗實訓系統[3],在室內進行模擬實驗時無法對人工光源進行調節.本文設計一種基于STM32的太陽能光熱實驗系統,通過人工光源結合調光模塊來模擬太陽光,能夠實時獲取并通過觸摸屏顯示系統監測點的溫度、水位、光照度和水表累計值等信息,測溫精度在 0 ℃～90 ℃ 范圍內優于±0.1 ℃,通過上位機軟件實現系統數據的自動存儲處理、圖表顯示和報表打印,為系統熱性能檢測和能效指標評估提供便捷的測試環境,具有重要的應用價值.

1 系統構成

系統結構框圖如圖1所示,主要由系統微處理器STM32F103VCT6、傳感器模塊、人工光源調光模塊、存儲模塊、觸摸屏顯示模塊、通信模塊和執行模塊等組成.傳感器模塊采集溫度、水位、光照度等信息并送到微處理器,經過相應的控制算法處理獲得系統控制邏輯,通過執行模塊完成水泵、電磁閥等設備的控制.在實驗室內通過人工光源結合調光模塊來模擬太陽光,滿足光熱實驗對光照度的不同需求.SD卡存儲模塊通過SDIO總線與微處理器連接,存儲太陽能光熱實驗系統歷史數據.觸摸屏顯示模塊顯示溫度、水位、光照度和水表累計值等信息,可進行系統運行參數配置.遠傳水表通過M-BUS與微處理器通訊,為能耗評估提供數據支持.通過RS485與上位機軟件通信,進行參數顯示和初始化配置,并實現系統數據的自動存儲處理、圖表顯示和報表打印等功能.

圖1 太陽能光熱實驗系統組成框圖

2 硬件設計

2.1 溫度傳感器PT1000調理電路

恒流源驅動電路負責驅動溫度傳感器PT1000,將溫度變化產生的電阻信號轉換成可測量的電壓信號.由于集成運放相比較晶體管或場效應管參數受溫度影響較小,由集成運放構成的恒流源具有較好恒流性能和穩定性[4].采用圖2所示的雙運放恒流源,其中放大器U15和U17構成加法器,U14和U16構成跟隨器,放大器均選用開環增益高、低噪聲和低溫漂的雙極性運算放大器OPA277[5].A/D轉換電路與恒流源驅動電路采用同一低溫漂、低噪聲的電壓基準ADR421[6],測量結果不受電壓基準漂移的影響.

設圖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,當取R223=R225,R224=R226時,則U2=U1+Uref,所以恒流源的輸出電流為:

圖2 溫度傳感器PT1000調理電路

放大器U16對溫度傳感器Rpt(PT1000)和零度電阻的端電壓進行單位放大后送到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采用電位器粗調和細調相結合的方式.

該驅動電路具有以下特點:

(1)恒定電流I的大小可以通過調整參考電阻Rref大小或改變電壓基準Uref來調整,易得穩定的小電流.

(2)使用電位器調節電路且是粗調與細調相結合的方式,采用R228、R229、RP5和RP6代替參考電阻Rref,降低恒流源精度對溫度數據采集精度的影響.

2.2 A/D轉換及隔離電路

A/D轉換及隔離電路主要由16位高精度A/D轉換器TM7705和隔離芯片ADUM5401組成,如圖3所示,TM7705通過SPI接口與MCU連接.采用A/D的差分輸入可有效降低環境噪聲和直流誤差,具有完整模擬前端,可直接測量信號調理電路過來的微弱的模擬信號,簡化電路使本系統測量精度達到要求.由于微處理器數字輸出存在高頻噪聲,跟AD直接相連易引入噪聲降低AD轉換精度,為此本設計采用數字隔離器ADUM5401來進行隔離.信號調理電路的輸出接AD-通道的差分輸入端得:

即PT1000兩端電壓相對PT1000在0 ℃時的電壓變化量.

農業農村部相關負責人透露，農業農村部已經在15個省區市、22種作物上開展蜜蜂授粉與綠色防控技術集成試驗示范，同時開展蜂業質量提升行動，今后將加大資金支持力度，進一步推廣蜜蜂授粉，服務綠色農業發展。

圖3 A/D轉換及隔離電路

2.3 人工光源調光電路

要控制的對象是50 Hz的正弦交流電,通過光耦取其過零的信號(同步信號),將這個信號送至STM32的外部中斷,STM32每接收到這個同步信號后啟動一個延時程序,延時的具體時間由觸摸屏或者上位機來改變.當延時結束,單片機產生觸發信號,通過觸發信號讓可控硅導通使燈發光.延時越長,亮的時間越短,燈的亮度越暗.同步信號采樣電路如圖4所示,可控硅觸發電路如圖5所示.

主電源導通區間、同步信號和觸發信號時序關系如圖6所示,圖中陰影部分表示可控硅的導通區間,它的大小定了燈的亮度.改變延時時間可改變觸發信號和同步信號的相位關系,也改變了可控硅的導通區間的大小,達到調光的目的.

圖4 同步信號采樣電路

圖5 可控硅觸發電路

圖6 主電源導通區間、同步信號和觸發信號時序圖

3 軟件設計

3.1 多任務架構體系

借鑒計算機分時處理和Windows系統事件驅動等思想,構建多任務軟件框架[7,8].太陽能光熱實驗系統的多任務架構設計是根據實驗系統實際需求,將系統要實現的功能劃分為多個任務模塊,如時間事件(秒事件,分事件等)處理、串口通信數據處理、實時數據采集任務、控制任務、水表數據采集任務和LED指示燈任務等.采用事件/消息驅動機制,按不同優先級別來給不同的任務模塊分配MCU的控制權,各個任務模塊在相應的執行時間范圍內訪問MCU.軟件的多任務驅動機制流程如圖7所示,主程序循環以標志位控制為主,根據標志位的狀態來確定任務能否訪問MCU,即標志位相當于事件消息.

圖7 STM32多任務流程框圖

3.2 曲線擬合

根據鉑電阻溫度特性,當工作溫度在0 ℃～850 ℃時,PT1000阻值與溫度的關系為

式中R0為0 ℃時的阻值,R為溫度t時的阻值,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系,應采用分段線性化處理來提高溫度測量精度,得到各溫度段的AD-t測溫多項式(AD為A/D采樣值,t為溫度),將PT1000、信號調理及A/D轉換作為一個整體進行補償,可得到比擬合電阻-溫度R(t)特性曲線更高的測溫精度[5].

3.2.1 溫度與AD值關系式的擬合

用自主研制的硬件采集用于擬合AD-t測溫多項式的原始數據,將恒溫油槽作為溫度場,記錄A/D的采樣數據.實驗中測取了0 ℃～90 ℃溫度段共900多組數據,每隔0.1 ℃為一個溫度采樣點,在同一溫度點連續采樣10次,對每個采樣點進行數字濾波處理,剔除10個數據中最大值和最小值,該溫度采樣點的最終采樣值取剩下8個數據的平均值.表1為測取得的部分數據,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 擬合結果評估

表1 部分原始數據

式中yi是實際測量值,f(xi)是各個校正方程的擬合值,N為實際測量數據的個數.絕對誤差EABS越平穩,證明該校正方程的精度越高.算術平均誤差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溫度傳感器對四個樣本溫度段采用一次校正方程進行校正時,絕對誤差EABS的震蕩較大;對于二次、三次、四次擬合時,使用絕對誤差不太容易評估優劣.因此,通過對PT1000溫度傳感器在此3種擬合方式下的算術平均誤差EAVE和均方誤差ESTD進行對比,以便評估出適用于PT1000的最佳校正方程,如表2所示.

圖8 4個樣本溫度段不同擬合方式下的絕對誤差曲線

由表2可以看出,4個樣本點都是四次校正方程的算術平均誤差EAVE、均方誤差ESTD最小,所以可以確定出各個樣本溫度段經過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 ℃的測溫范圍內,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 系統測試

在實驗室內安裝本系統,系統的測試平臺如圖9所示,對系統進行整體測試,采用觸摸屏來近程配置和顯示實驗參數,觸摸屏主界面如圖10所示,通過上位機軟件實現系統數據的自動存儲處理、圖表顯示和報表打印,上位機軟件主界面如圖11所示.采用高精度校準儀表及本系統分別對溫度、水位、人工光源光照度進行現場測試,同時對人工光源調光效果和循環水泵、上水電磁閥的開啟情況進行記錄,系統測試結果如表3所示.

圖9 實驗系統測試平臺

圖10 觸摸屏主界面

圖11 上位機軟件主界面

表3 系統測試結果

從表3可以看出,溫度、水位、光照度精度均達到設計要求,在設定的閾值,可以自動控制人工光源、水泵和電磁閥的開啟,達到預期的設計要求.

5 結束語

本文設計一種基于STM32的太陽能光熱實驗系統,通過人工光源結合調光模塊來模擬太陽光,能夠實時獲取并通過觸摸屏顯示系統監測點的溫度、水位、光照度和水表累計值等信息,測溫精度在0 ℃～90 ℃范圍內優于±0.1 ℃,通過上位機軟件實現系統數據的自動存儲處理、圖表顯示和報表打印,為系統熱性能檢測和能效指標評估提供便捷的測試環境,具有重要的應用價值.

1管立偉,李汪彪,秦永熙,等.太陽能、熱泵熱水工程多模式測試及技術實現.現代電子技術,2013,36(12):133-136,142.[doi:10.3969/j.issn.1004-373X.2013.12.041]

2沈行良.一種太陽能光伏發電綜合實驗平臺:中國,10360 6325 B.2016-04-27.

3陳子堅,張鏈.可移動式光伏光熱一體化實驗實訓系統:中國,205881277 U.2017-01-11.

4張瑜,張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統設計.傳感技術學報,2010,23(3):311-314.

5Pihlfiyckt J.Control and measurement system for multichannel microwave radiometer[Master Thesis].Finland:Helsinki University of Technology.http://lib.tkk.fi/Dipl/2007/urn007760.pdf.2007-02-12.

6Analog Devices.ADR421 datasheet.http://www.analog.com/cn/products/linear-products,2002.

7管立偉,盧宇,吳進營,等.基于STM32的嵌入式網絡通信終端設計與實現.陜西理工學院學報(自然科學版),2016,32(4):23-28,38.

8吳允平,蔡聲鎮,樂仁昌,等.單片機程序的限時服務策略及設計.系統工程與電子技術,2004,26(11):1672-1674.[doi:10.3321/j.issn:1001-506X.2004.11.038]

9唐文彥.傳感器.北京:機械工業出版社,2006.

10費業泰.誤差理論與數據處理.6版.北京:機械工業出版社,2010:3-5.

11張鵬超,張強.一種NTC熱敏電阻校正方程的試驗研究.傳感技術學報,2012,25(2):220-223.