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(diào)控與新能源材料重點實驗室,福州 350117)

太陽能專業(yè)人才的稀缺一直是制約太陽能行業(yè)快速健康發(fā)展的最大瓶頸,同時各高校所開展的新能源相關(guān)課程和教學模式還不成熟,配套的教學設(shè)備和實驗儀器稂莠不齊,亟待規(guī)劃和開發(fā).本課題組研制的面向集群應(yīng)用的太陽能熱水工程測控與管理系統(tǒng),已經(jīng)實現(xiàn)了異地可視化監(jiān)控與管理太陽能熱水系統(tǒng)[1],該系統(tǒng)已應(yīng)用于多個太陽能熱水工程項目中,取得良好的社會和經(jīng)濟效益.為幫助學生學習和理解太陽能光熱系統(tǒng)的原理和提高工程應(yīng)用動手實踐能力,特研制太陽能光熱實驗教學系統(tǒng).發(fā)明專利(授權(quán)公告號CN10 3606325B)設(shè)計一種太陽能光伏發(fā)電綜合實驗平臺[2],無法應(yīng)用于太陽能光熱方面的教學和研究.實用新型專利(授權(quán)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(tǒng)[3],在室內(nèi)進行模擬實驗時無法對人工光源進行調(diào)節(jié).本文設(shè)計一種基于STM32的太陽能光熱實驗系統(tǒng),通過人工光源結(jié)合調(diào)光模塊來模擬太陽光,能夠?qū)崟r獲取并通過觸摸屏顯示系統(tǒng)監(jiān)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(nèi)優(yōu)于±0.1 ℃,通過上位機軟件實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動存儲處理、圖表顯示和報表打印,為系統(tǒng)熱性能檢測和能效指標評估提供便捷的測試環(huán)境,具有重要的應(yīng)用價值.

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)過相應(yīng)的控制算法處理獲得系統(tǒng)控制邏輯,通過執(zhí)行模塊完成水泵、電磁閥等設(shè)備的控制.在實驗室內(nèi)通過人工光源結(jié)合調(diào)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(tǒng)歷史數(shù)據(jù).觸摸屏顯示模塊顯示溫度、水位、光照度和水表累計值等信息,可進行系統(tǒng)運行參數(shù)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(shù)據(jù)支持.通過RS485與上位機軟件通信,進行參數(shù)顯示和初始化配置,并實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 溫度傳感器PT1000調(diào)理電路

恒流源驅(qū)動電路負責驅(qū)動溫度傳感器PT1000,將溫度變化產(chǎn)生的電阻信號轉(zhuǎn)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(yīng)管參數(shù)受溫度影響較小,由集成運放構(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,放大器均選用開環(huán)增益高、低噪聲和低溫漂的雙極性運算放大器OPA277[5].A/D轉(zhuǎn)換電路與恒流源驅(qū)動電路采用同一低溫漂、低噪聲的電壓基準ADR421[6],測量結(jié)果不受電壓基準漂移的影響.

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(diào)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(diào)和細調(diào)相結(jié)合的方式.

該驅(qū)動電路具有以下特點:

(1)恒定電流I的大小可以通過調(diào)整參考電阻Rref大小或改變電壓基準Uref來調(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,可直接測量信號調(diào)理電路過來的微弱的模擬信號,簡化電路使本系統(tǒng)測量精度達到要求.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)計采用數(shù)字隔離器ADUM5401來進行隔離.信號調(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PT1000在0 ℃時的電壓變化量.

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部相關(guān)負責人透露，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部已經(jīng)在15個省區(qū)市、22種作物上開展蜜蜂授粉與綠色防控技術(shù)集成試驗示范，同時開展蜂業(yè)質(zhì)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(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(jié)束,單片機產(chǎn)生觸發(fā)信號,通過觸發(fā)信號讓可控硅導通使燈發(fā)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(fā)電路如圖5所示.

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

圖4 同步信號采樣電路

圖5 可控硅觸發(fā)電路

圖6 主電源導通區(qū)間、同步信號和觸發(fā)信號時序圖

3 軟件設(shè)計

3.1 多任務(wù)架構(gòu)體系

借鑒計算機分時處理和Windows系統(tǒng)事件驅(qū)動等思想,構(gòu)建多任務(wù)軟件框架[7,8].太陽能光熱實驗系統(tǒng)的多任務(wù)架構(gòu)設(shè)計是根據(jù)實驗系統(tǒng)實際需求,將系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能劃分為多個任務(wù)模塊,如時間事件(秒事件,分事件等)處理、串口通信數(shù)據(jù)處理、實時數(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)動機制,按不同優(yōu)先級別來給不同的任務(wù)模塊分配MCU的控制權(quán),各個任務(wù)模塊在相應(yīng)的執(zhí)行時間范圍內(nèi)訪問MCU.軟件的多任務(wù)驅(qū)動機制流程如圖7所示,主程序循環(huán)以標志位控制為主,根據(jù)標志位的狀態(tài)來確定任務(wù)能否訪問MCU,即標志位相當于事件消息.

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,當工作溫度在0 ℃～850 ℃時,PT1000阻值與溫度的關(guān)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(guān)系,應(yīng)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(diào)理及A/D轉(zhuǎn)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(guān)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(shù)據(jù),將恒溫油槽作為溫度場,記錄A/D的采樣數(shù)據(jù).實驗中測取了0 ℃～90 ℃溫度段共900多組數(shù)據(jù),每隔0.1 ℃為一個溫度采樣點,在同一溫度點連續(xù)采樣10次,對每個采樣點進行數(shù)字濾波處理,剔除10個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的平均值.表1為測取得的部分數(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)果評估

表1 部分原始數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)的個數(shù).絕對誤差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(yōu)劣.因此,通過對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(shù)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(jīng)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(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)測試

在實驗室內(nèi)安裝本系統(tǒng),系統(tǒng)的測試平臺如圖9所示,對系統(tǒng)進行整體測試,采用觸摸屏來近程配置和顯示實驗參數(shù),觸摸屏主界面如圖10所示,通過上位機軟件實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)分別對溫度、水位、人工光源光照度進行現(xiàn)場測試,同時對人工光源調(diào)光效果和循環(huán)水泵、上水電磁閥的開啟情況進行記錄,系統(tǒng)測試結(jié)果如表3所示.

圖9 實驗系統(tǒng)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(tǒng)測試結(jié)果

從表3可以看出,溫度、水位、光照度精度均達到設(shè)計要求,在設(shè)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(yù)期的設(shè)計要求.

5 結(jié)束語

本文設(shè)計一種基于STM32的太陽能光熱實驗系統(tǒng),通過人工光源結(jié)合調(diào)光模塊來模擬太陽光,能夠?qū)崟r獲取并通過觸摸屏顯示系統(tǒng)監(jiān)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(nèi)優(yōu)于±0.1 ℃,通過上位機軟件實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自動存儲處理、圖表顯示和報表打印,為系統(tǒng)熱性能檢測和能效指標評估提供便捷的測試環(huán)境,具有重要的應(yīng)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(shù)實現(xiàn).現(xiàn)代電子技術(shù),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(fā)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(tǒng):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(tǒng)設(shè)計.傳感技術(shù)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(wǎng)絡(luò)通信終端設(shè)計與實現(xiàn).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(zhèn),樂仁昌,等.單片機程序的限時服務(wù)策略及設(shè)計.系統(tǒng)工程與電子技術(shù),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(yè)出版社,2006.

10費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理.6版.北京:機械工業(yè)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(shù)學報,2012,25(2):220-223.