基于STM32F745野外無人值守太陽能泵站系統

無錫機電高等職業技術學校 毛新剛

0 引言

隨著人類社會的發展，能源的消耗量在不斷增加，總有一天能源會達到極限，由于大量燃燒能源帶來的全球生態環境的惡化，同時太陽能系統使用范圍的逐漸增多，產品占有市場份額的增加，迫切推進光伏智能水泵的相關技術發展，基于以上理念發明了一種500W新型野外太陽能水泵系統，解決一些實際問題，具有低碳、節能、環保的概念。無需架設電網，無需柴油發電，安裝快捷，省錢，省力。十分符合我國可持續發展的戰略。它的運用場合廣泛，尤其能夠在野外惡劣的環境中使用。

1 野外太陽能泵站控制系統功能及架構

為了使得太陽能控制系統（見圖1）能夠滿足當前流行的自動水泵控制需求，本系統需要具有人機通訊功能。當水泵抽水工作時水源缺水、蓄水池缺水或滿水時，系統能夠檢測到水壓，并通過水壓信號的反饋與設定值比較來控制電機啟動或停止，警示燈的閃爍來判斷水泵是否空轉或故障。以此實現水泵的自動控制。

圖1 控制系統框圖

通過太陽能板對蓄電池的充電，實現在野外無需架設電網，無需柴油發電。在晴天時太陽能板對蓄電池的充電，因此太陽能水泵系統需要實時跟蹤太陽能板中的最大的功率點，來發揮出太陽能板的最大功效。

野外太陽能泵站主要分：100W太陽能帆板，12v，100aH蓄電池，電池充電管理控制器，水壓力開關控制器，水管，水箱，管路接頭等配件。

2 野外太陽能泵站控制系統的硬件設計

2.1 MCU

本系統采用ST公司cortex-M7內核單片機STM32F745VG芯片作為控制器，能夠對人機接口觸摸屏，缺水故障報警，水管壓力檢測，水箱液位檢測，蓄電池溫度檢測，水泵調速控制，能夠在一塊電路板實現嵌入式應用，達到良好的人機接口控制要求。STM32F745內置最高1MB閃存、320KB RAM、以太網接口、QSPI接口、攝像頭接口和靈活存儲控制器（FMC）。STM32F746比STM32F745多一個TFT-LCD控制器。STM32F756比STM32F746多一個加密/哈什（Crypto/Hash）處理器，可對AES-128/-192/-256加密算法進行硬件加速，支持GCM和CCM、Triple DES和hash（MD5、SHA-1、SHA-2）加密算法。這個芯片具有12位ADC檢測轉換模塊，定時器PWM輸出功能，采用100pinTQFP封裝，最多高達82個IO口，高性能的計算能力能滿足大數據量計算的需求。

2.2 人機接口電路

為了讓整個產品富有科技感和人文感，增加賣點。人機接口方面用了2.8寸TFT觸摸屏LCD，分辨率320X240，驅動芯片為ISL9325。STM32主控芯片采用并行FSMC接口驅動TFT真彩LCD。這個借口就是能達到并行吞吐數據，進行快速讀取。和LCD的接口控制采用這個模式，不需要外擴模式。并且讀寫操作的時序一樣。當HCLK的頻率是72MHZ，使用此模式。

觸摸屏控制芯片采用了ADI公司的AD7843，這款芯片用在個人數字助理，智能手持設備，觸摸監控屏幕，它具有4線觸摸接口功能，特定的輸入輸出速率能夠達到125kps，相對低的功耗1.37mW工作在3.6V，可編程設置12位或者10位接口編程，有兩個輔助模擬輸入接口。

整個人機接口的電路如圖2所示。在電路板上上采用FPC柔性接口和主控板進行電氣連接，觸摸控制芯片放在主控制板上，LCD背光采用場效應管進行開關驅動。

圖2 觸控屏接口電路設計

2.3 壓力傳感器檢測電路（見圖3）

圖3 傳感器信號處理電路

陶瓷壓力傳感器的滿量程輸出是25～50mV左右，電橋輸出的是差分信號，為了獲得很好的精度和放大倍數，本系統采用集成儀表放大器LTC1100CN8，零點偏置電壓由電壓跟隨器U4提供，零點偏置電壓0.5V。儀表放大器輸出再外接一個額外的同相放大器，整個放大電路對輸入零漂的抑制有很好的作用。

整個壓力傳感器檢測范圍為0～1Mpa。

3 野外太陽能泵站控制系統的軟件設計

本系統采用一種基于PWM的方式來控制直流水泵，靈活可靠，精度也符合要求。當設置完參數后，系統進入運行模式，根據人機接口要求（運行任務，設置任務，停機任務，報警任務），運行時候只負責檢測ADC數據，壓力參數，水泵電壓參數，調整水泵電機轉速。執行時如果是運行指令，則執行PID函數并輸出PWM控制電機的運行，如果是IO口輸出指令則通過IO輸出高低電平，同時在運行過程中如果遇到緊急停止、限位信號、停止信號的觸發，則立即停止水泵驅動文件的解析執行，同時系統復位，等待下一次的觸發。圖4為運行流程圖。

圖4 流程圖

4 結語

本文所提出的野外智能泵站通過把系統根據功能模塊劃分成多個任務，開發出相應的應用程序，使得軟件編程結構清晰明了，升級可維護性好，系統實時性和可靠性有保證，對于野外泵站控制系統采用商業級μC/OSIII操作系統提供了一種思路。