張乾 王飛 杜向陽

摘 ?要： 為了實(shí)現(xiàn)在晴天的時(shí)候可以模擬雨天雨水從樓頂下落時(shí)的情景，同時(shí)記錄雨水所能產(chǎn)生電壓的大小，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32單片機(jī)的雨水發(fā)電測量裝置實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)平臺通過滾珠絲杠機(jī)構(gòu)裝置調(diào)整雨水下落的高度;利用AS-136液位變送器將所采集到的水壓信號經(jīng)RS485通訊傳送到STM32單片機(jī)上;利用ADC0808將發(fā)電機(jī)電壓傳送到STM32上的LCD液晶顯示屏上顯示;利用矩陣鍵盤來控制液晶顯示屏上顯示的是發(fā)電機(jī)的電壓還是所測量水壓的值;根據(jù)測量水壓的大小，通過光電耦合器控制繼電器的開關(guān)，從而達(dá)到控制電動機(jī)的停轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)表明：此套裝置可以模擬雨天雨水從樓上降落的過程，并可以調(diào)整雨水落下的高度，對探究雨水發(fā)電的可行性及穩(wěn)定性做了分析。研究對開發(fā)新能源測量裝置有借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 雨水發(fā)電測量;滾珠絲杠機(jī)構(gòu);ADC0808電壓測量;水位控制

中圖分類號： TP23 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.018

本文著錄格式：張乾，王飛，杜向陽. 基于STM32的雨水發(fā)電測量裝置設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2019，40（5）：9397

【Abstract】： In order to simulate the situation of rain water falling from the upper floor in sunny days and record the power generated by rain water， an experimental platform of rain power generation. Measurement based on STM32 single chip microcomputer was designed. The experimental platform adjusts the height of rain water falling through the ball screw mechanism， the water pressure signal is collected by AS-136 level transmitter， the signal is transferred to STM32 through digital-to-analogue conversion; ADC0808 is used to transfer the voltage of small motor to the single chip display; the keyboard controls whether the voltage of the generator or measured water pressure is displayed on the LCD screen; according to the measurement of water pressure， through the photoelectric couple control relay switch， so that to control the motor open or close .Experiments show that this device can simulate rain falling from the upper floor in rainy days and adjust the height of rain falling， the feasibility and stability of rainwater power generation are analyzed. The research can be used for reference in developing new energy measuring devices.

【Key words】： Rain power generation survey; Ball screw mechanism; ADC0808 voltage measurement; Water level control

0 ?引言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，電力的供應(yīng)對于城市化進(jìn)程的發(fā)展顯現(xiàn)出重要的作用。人民生活的改善，工業(yè)的發(fā)展，對電能的需求量變的越來越大，雖然國家進(jìn)行了西電東送的工程，但是卻忽略了東部沿海地區(qū)所存在的大量的雨水能源。所以，利用下落的雨水的勢能增加電能的提供途徑，是目前社會的一個(gè)趨勢。徐蘇榮提出了超高層建筑雨水資源利用水力發(fā)電的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)[1];劉志偉也對雨水收集反饋發(fā)電系統(tǒng)的收集裝置進(jìn)行了研究[2];羅洋也對高層公共建筑屋面雨水高效綜合利用系統(tǒng)進(jìn)行了研究[3]。到目前為止，人們對雨水發(fā)電的裝置進(jìn)行了研究，但是這些裝置由于都是用固定容器收集其所需要的水資源，這就造成了固定容器在儲存雨水的時(shí)候，會造成樓的重心偏高，增加了樓層的負(fù)擔(dān)。而且，因?yàn)闆]有專門測量雨水下落時(shí)所能夠產(chǎn)生的電壓，因此設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，對高層雨水發(fā)電進(jìn)行驗(yàn)證性分析，便于以后的推廣和應(yīng)用。

1 ?總體設(shè)計(jì)

雨水發(fā)電測量裝置是由工作實(shí)驗(yàn)平臺和控制部分以及龍門吊、發(fā)電機(jī)及扇葉、電動機(jī)、兩個(gè)盛水裝置及排水管等組成?？刂撇糠质怯蒘TM32單片機(jī)，AS-136投入式液位變送器，LCD液晶顯示模塊，按鍵模塊，以LM7812芯片為核心的電壓變換模塊，以TCP521-1光電耦合器為核心的電機(jī)驅(qū)動模塊和以AD0808芯片為核心的電壓測量模塊組成[4-6]。

通過龍門吊將盛水裝置1提高到一定的高度，利用硬質(zhì)排水管將盛水裝置1中的水從高處引下來，通過AS-136液位變送器測量水壓信號，經(jīng)STM32單片機(jī)處理后，控制電動機(jī)是否從盛水裝置2中抽水。將發(fā)電機(jī)所得到的電壓通過AD0808芯片輸送到LCD顯示單元上顯示，并通過矩陣鍵盤切換顯示。同時(shí)，通過工作實(shí)驗(yàn)平臺來改變硬質(zhì)管出口處水流下落的不同高度以及扇葉距水流的中心距離。

2 ?工作實(shí)驗(yàn)平臺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能控制從硬質(zhì)排水管落下來的水距離發(fā)電機(jī)扇葉的高度，以及控制扇葉中心距水流的中心的距離。因此，設(shè)計(jì)了如下圖圖1所示的實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)平臺由支撐平臺、滾珠絲桿、肋板、底座等幾部分構(gòu)成。在工作實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)中采用支撐平臺來固定排水管的高度和調(diào)整排水管的位置。要探究雨水下落高度對發(fā)電電壓的影響，采用了滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是剛度好[7]。為了加強(qiáng)支撐平臺的剛度，采用了肋板結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行加強(qiáng)。同時(shí)，底座為發(fā)電機(jī)的放置提供了一個(gè)良好的場所。

3 ?控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103為控制單元對系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過電壓變換電路驅(qū)動AS-136投入式液位變送器能夠進(jìn)行進(jìn)行正常的工作。將AS-136投入式液位變送器采集到的信號，經(jīng)過MAX485芯片轉(zhuǎn)換，將采集到的信號輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)測量所得的壓強(qiáng)值大于預(yù)設(shè)的壓強(qiáng)，單片機(jī)驅(qū)動光電耦合器，使繼電器斷開，從而停止電動機(jī)的工作;當(dāng)水位低于預(yù)期值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動光電耦合器，使繼電器打開，從而使電動機(jī)開始工作[8]。當(dāng)水從盛水裝置1下落的時(shí)候，會驅(qū)動扇葉的轉(zhuǎn)動，從而使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生連續(xù)的電壓。使用STM32F103自帶的ADC調(diào)理電路，其所能測得的電壓值范圍為0～3.3V之間，但是根據(jù)DIY發(fā)電機(jī)商家所提供的資料，其發(fā)電機(jī)所能夠產(chǎn)生的電壓值范圍為0～5V左右。使用電壓傳感器和電壓跟隨器組成的電路測量電壓的話，會導(dǎo)致電路變的復(fù)雜，ADC0808的測量范圍是0～5V之間，因此采用ADC0808符合測量的需要。其控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如下圖2所示。

3.1 ?電壓變換電路

使用AS-136投入式液位變送器時(shí)，AS-136投入式液位變送器可以輸出電壓信號、電流信號和符合RS485的信號。但是由于輸出的電壓（0～10V）、電流值（4～20 mA），超出了STM32單片機(jī)能夠承受的最大電壓（0～5 V）和電流（5～+5 mA），因此采用RS485這種輸出信號的方式，并且RS-485具有通訊速度快、抗干擾距離長、通訊距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[9]。AS-136能夠在12～36 V的直流電壓下進(jìn)行正常的工作，但獲取20.2 V的直流電壓比較簡單，因此選取20.2 V直流電壓為其工作電壓。在設(shè)計(jì)電壓變換電路時(shí)用到了LM7812穩(wěn)壓集成模塊，LM7812的穩(wěn)壓值為12 V，但其穩(wěn)壓值是相對于地而言的，IN4738的穩(wěn)壓值是8.2 V左右，選用IN4738和穩(wěn)壓集成塊的地端連接起來，在沒有損耗的條件下，Vout的輸出電壓是20.2 V。LM7812的電流驅(qū)動能力比較弱，在Vout輸出端，放置一個(gè)三極管，增加其電流放大的能力。在后續(xù)電路中，加上電容C3和C4對要輸出的電壓濾波保護(hù)。為了保護(hù)電源，在后面加入二極管和熱保險(xiǎn)絲組成反接保護(hù)電路，當(dāng)電源反接時(shí)，電流經(jīng)過二極管和保險(xiǎn)絲返回，被保護(hù)電流即負(fù)載端不會有反向電流的存在，其電壓變換電路如圖3所示[10]。

3.2 ?電動機(jī)驅(qū)動模塊

在搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺的時(shí)候，由于要用到從下水管道中下來的水。如果等到下雨天做實(shí)驗(yàn)的話，實(shí)驗(yàn)會變的很不方便，因此，采用了電動機(jī)抽水來補(bǔ)充其中所缺少的雨水。當(dāng)AS-136投入式液位變送器測水壓低于額定的值時(shí)，控制器通過控制繼電器驅(qū)動電動機(jī)工作;當(dāng)水壓高于額定的值時(shí)，電動機(jī)停止抽水。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了簡化電路設(shè)計(jì)為了，使STM32單片機(jī)與繼電器部分完全隔離，增加電路的安全性，且TLP521-1光電耦合器在市場中容易獲得，因此選用它做電動機(jī)驅(qū)動模塊的核心部分。TLP521-1的LED的正向電流為20mA，采用了5V的直流電源為其供電為：

在市面上沒有250歐姆的電阻，用270歐姆的電阻來替代是可以行的通的。在光電耦合器的接收側(cè)，其是一個(gè)低速開關(guān)驅(qū)動電路，繼電器工作需要較大的工作電流，后面接一個(gè)三極管[11]，可以增加其驅(qū)動電流的大小。三極管通過產(chǎn)生電流驅(qū)動繼電器工作。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇R3的電阻值為1.1 K，R2電阻為10 K，在此時(shí)可以提供較大的電流從而驅(qū)動繼電器的工作。繼電器在斷開和關(guān)閉的時(shí)候會產(chǎn)生一個(gè)反感應(yīng)電動勢，加上一個(gè)二極管可以釋放繼電器工作時(shí)候產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。其的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3 ?電壓測量模塊

根據(jù)DIY商家所提供的數(shù)據(jù)，發(fā)電機(jī)的工作電壓維持在0～5 V之間。如果采用STM32F103自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)化（0～3.3 V），則會把單片機(jī)燒毀。因?yàn)镾TM32F103有較多的I/O引腳，且ADC0808芯片的工作范圍為0～5V。因此選用ADC0808芯片，將所測的電壓輸送到STM32單片機(jī)進(jìn)行處理[12]。因?yàn)锳DDA、ADDB、ADDC的引腳都是連接在地上的，這就是IN0在工作，將發(fā)電機(jī)的正極連接在IN0，負(fù)極連接在GND上，就可以測量電壓值的大小。其電壓測量模塊如圖5所示。

3.4 ?水壓測量軟件設(shè)計(jì)

水壓測量是利用AS-136通過傳感器來測量壓力源的值，然后通過壓力處理電路把其所測的值通過RS-485的RTU模式輸出給STM32F103進(jìn)行處理。首先設(shè)定系統(tǒng)水壓的取值范圍;然后通過STM32F103發(fā)送傳感器通訊地址，AS-136回復(fù)，進(jìn)而得到AS-136輸出傳感器的數(shù)據(jù)值。因?yàn)锳S-136所輸出的值是16位的，所以需要對數(shù)據(jù)輸出值進(jìn)行轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的，并且根據(jù)AS-136所規(guī)定0～2000所對應(yīng)的是0～1.6 MPa將所得到的十進(jìn)制的數(shù)值乘以0.008得到水壓值。通過測量得到的水壓值和系統(tǒng)設(shè)置的取值范圍進(jìn)行對比，從而控制繼電器的通斷。

4 ?實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺，對不同高度下來的水流進(jìn)行分析。記錄的數(shù)據(jù)如表1所示。

5 ?結(jié)語

實(shí)驗(yàn)研究了對雨水發(fā)電測量裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，水壓采集，驅(qū)動電機(jī)等方面做了研究，并對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了測試，從而使其能夠正常的工作。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)雨水高度從高于某一特定的高度下落的時(shí)候，電壓提升會變的很小。實(shí)驗(yàn)解決了在沒有雨的時(shí)候也可以進(jìn)行雨水測試。這為以后新能源技術(shù)的發(fā)展打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)中，由于制造扇葉的成本過高，所以采用的是在市場上買來的扇葉，在以后的研究中，可以通過優(yōu)化扇葉的形狀使其的發(fā)電效率更加的高效，同時(shí)也可以提高同軸度，使實(shí)驗(yàn)的誤差更加的少。在實(shí)驗(yàn)過程中，可以看到當(dāng)扇葉中心距水流距離5cm時(shí)從35cm～55cm下落時(shí)電壓的線性度比較好，當(dāng)扇葉中心距水流距離6cm時(shí)35cm～45cm下落時(shí)電壓的線性度比較好，在后續(xù)的研究中，可以考慮將所發(fā)的電通過升壓濾波將其并入網(wǎng)中。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐蘇容， 周科， 王學(xué)超. 超高層樓房雨水資源水力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 水電能源科學(xué)， 2018（3）.

[2] 劉志偉， 陶宇飛. 雨水收集反饋發(fā)電系統(tǒng)研究[J]. 綠色科技， 2015（07）： 274-275.

[3] 羅洋， 饒尚. 高層公共建筑屋面雨水高效綜合利用系統(tǒng)[J]. 煤氣與熱力， 2016， 36（04）： 11-16.

[4] 曹延超. 基于STM32 的四旋翼飛行器姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2015， 36（1）： 104-109

[5] 丁月林. 基于STM32 的低功耗溫濕度采集器實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件， 2015， 36（5）： 84-88

[6] 楊彥偉， 雒志秀， 鄭肖宇， 等. 基于STM32 芯片的樓宇火災(zāi)遠(yuǎn)程自動報(bào)警系統(tǒng)[J]. 軟件， 2015， 36（8）： 117-120

[7] 王希強(qiáng)， 蔡素文， 余向陽. 船閘閘門滾珠絲桿傳動式啟閉機(jī)的運(yùn)動及受力分析[J]. 水運(yùn)工程， 2012（11）： 165-168.

[8] 張曉軍， 王少平， 葉銘銘， 等. 基于多傳感器水流量識別的節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程， 2018， 46（05）： 1038-1042.

[9] 劉喜增， 金湘亮. RS485總線信號反射分析及傳感器采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2017（05）： 53-56.

[10] 田智文. 一種帶有保護(hù)電路的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[D]. 西安電子科技大學(xué)， 2011.

[11] 王凌云， 徐輕塵， 宋亮. 基于三極管的倍頻器研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2017， 25（17）： 78-80.

[12] 周潤景， 劉波. Altium Designer電路設(shè)計(jì)20例詳解[M]. 北京： 北京航空航天出版社， 2017， 4.