基于STM32和熱電材料的溫差發(fā)電系統(tǒng)的設計

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

引言

能源是支撐人類文明進步的物質(zhì)基礎，是現(xiàn)代社會發(fā)展不可或缺的基本條件。隨著能源危機的加重和環(huán)境問題的不斷出現(xiàn)，各國政府開始積極調(diào)整能源結構，重視可再生清潔能源以及綠色能源轉(zhuǎn)換技術的開發(fā)。在中國實現(xiàn)現(xiàn)代化和全體人民共同富裕的進程中，能源始終是一個重大戰(zhàn)略問題。《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》提出：到 2015年，中國非化石能源占一次能源消費比重達到 11.4%。中國政府承諾， 到2020年非化石能源占一次能源消費比重將達到15%左右[1]。

轉(zhuǎn)變能源消費結構，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的溫差發(fā)電系統(tǒng)設計方法。

1.系統(tǒng)功能分析與總體設計

1.1 系統(tǒng)功能分析

基于熱電材料塞貝克效應的溫差發(fā)電系統(tǒng)主要實現(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：實時監(jiān)控熱端和冷端的溫度值，計算溫差并顯示在上位機上。

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

④數(shù)據(jù)分析與存儲：利用溫差發(fā)電上位機對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，計算得出熱能轉(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。

⑤自動化監(jiān)控：通過主控制器完成對所有模塊的控制，形成閉環(huán)系統(tǒng)，可設定溫差發(fā)電系統(tǒng)的自動工作，對比實際利用工業(yè)冶鋼余熱發(fā)電時，當溫差超過某一閾值系統(tǒng)自動啟動，實現(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)報警關閉設備。

⑥身份識別：當出現(xiàn)異常情況時，報警裝置報警。管理員通過身份驗證后才可對系統(tǒng)進行控制。

1.2 系統(tǒng)總體框架設計

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

圖1 系統(tǒng)框圖

2.硬件模塊選型與設計

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72 MHz,內(nèi)置高速存儲器(64 KB的閃存和20 KB的SRAM),豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。STM32系列提供了全新的32位產(chǎn)品選項,結合了高性能、實時、低功耗、低電壓等特性,同時保持了高集成度和易于開發(fā)的優(yōu)勢,將32位MCU世界的性能和功效引向一個新的級別世界的性能和功效引向一個新的級別[3]。STM32負責處理對傳感器采集到的溫度、電壓并與上位機交互進行信息傳遞，以及負責人機交互界面TFT液晶屏的顯示等。

2.2 溫差發(fā)電部分

2.2.1 熱傳導模塊

溫差發(fā)電的原理是利用塞貝克效應將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能。本系統(tǒng)選用SP1848–27145半導體溫差發(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，黑色線接負極，兩端有溫差時既可發(fā)電。溫差片串并聯(lián)能提高電壓電流輸出能力。實物圖如圖2所示。

圖2 SP1848實物圖

2.2.2 穩(wěn)壓模塊由于測試時水溫波動等因素會導致發(fā)電片輸出電壓不穩(wěn)定，為保證所接負載正常工作，接入穩(wěn)壓模塊LM2596穩(wěn)定輸出電壓。

2.3 實時監(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)測溫度值，其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關系[4]，轉(zhuǎn)換關系為：0時輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV，即0～100℃溫度輸入對應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計界面控制冷熱源閥門的開關以控制溫差發(fā)電系統(tǒng)運行/停止，設置一系列系統(tǒng)工作參數(shù)，查看當前冷熱源溫差，發(fā)電片輸出電壓，轉(zhuǎn)換效率等。

2.3.3 報警模塊

當熱源溫度過低、冷源溫度持續(xù)上升超過閾值等異常情況時啟動蜂鳴器，通知相應工作人員。

2.3.4 身份識別模塊

使用RFID技術[5]，當出現(xiàn)異常報警時，管理員進行RFID管理員身份驗證后可通過串口屏進行設備的開閉操作，以進行合理的排障維修。

3.軟件設計及實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)初始化

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

3.2 LM35DZ溫度傳感器程序設計

為測定熱源和冷源的溫度，計算溫差和相應的熱能轉(zhuǎn)換效率，采用LM35DZ溫度傳感器防水探頭。LM35DZ測溫范圍是0～100℃，采用塑料封裝TO992，無需校準，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 串口屏程序設計

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

3.4 報警模塊程序設計

當出現(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啟動蜂鳴器報警通知相應工作人員。程序流程圖如圖6所示。

圖5 串口屏程序流程圖

圖6 報警模塊程序流程圖

3.5 RFID身份驗證程序設計

異常情況報警時，管理員進行RFID身份驗證后通過串口屏對設備進行操作及故障處理。程序設計流程圖如圖7所示。

圖7 身份識別程序流程圖

3.6 上位機界面設計

溫差發(fā)電系統(tǒng)上位機端接收有下位機采集的溫差發(fā)電電壓等相關信息并將其處理儲存，通過波形圖表實時顯示狀態(tài)，直觀的顯現(xiàn)當前溫差發(fā)電系統(tǒng)的各種狀況。通過Active接口技術將采集的數(shù)據(jù)進行EXCEL數(shù)據(jù)報表實時儲存以備數(shù)據(jù)分析以便于改進溫差發(fā)電系統(tǒng)的構造，從而提高發(fā)電效率。利用LABVIEW進行開發(fā)[6–7]，結合微軟ACTIVEX技術。上位機程序框圖如圖8所示，EXCEL數(shù)據(jù)報表如圖9所示。

圖8 上位機界面示意圖

圖9 EXCEL數(shù)據(jù)報表

4.系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試中，在60℃溫差下本發(fā)電系統(tǒng)設備可產(chǎn)生4～5V電壓，最優(yōu)負載情況下的電流為540mA左右，帶負載運行正常，發(fā)電設備發(fā)電有效；可成功通過RFID身份驗證識別后進行發(fā)電設備的開閉；下位機運行正常，TFT實時顯示數(shù)據(jù)正常，數(shù)據(jù)曲線清晰、直觀，時鐘顯示正確，時間可調(diào)；上位機部分登錄正常，語音播報正常，數(shù)據(jù)握手成功，波形顯示直觀正確，EXCEL表格自動化生成正常，記錄儲存數(shù)據(jù)功能正常，自動生成的數(shù)據(jù)曲線直觀、方便。系統(tǒng)測試如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)測試圖

5.結語

溫差發(fā)電技術作為新興的發(fā)電技術處于不斷的發(fā)展中，本系統(tǒng)結合電子測控相關技術，設計了一套溫差發(fā)電配套的檢測系統(tǒng)，使其具備了物聯(lián)，易控，數(shù)據(jù)快速記錄的特點。RFID身份識別防止對溫差發(fā)電系統(tǒng)的誤操作，溫度電壓數(shù)據(jù)異常時產(chǎn)生警告，上位機界面波形圖表實時展現(xiàn)溫差發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)，實時記錄的溫差發(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，結合電子測控系統(tǒng)實現(xiàn)溫差發(fā)電設備進行熱回收將會逐步發(fā)展并逐步推廣到實際的生產(chǎn)生活中。

* [1] 國務院新聞辦發(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,王長宏,陳宏. 溫差發(fā)電技術的研究進展及現(xiàn)狀[J].電源技術,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)與應用[J].微計算機應用,2010,(12)∶59—63.

* [4]楊恒新,魯翠俠. 簡易數(shù)字化溫度測量儀的設計與實現(xiàn)[J].電子工程師 ,2007,(09)∶18—20+52.

* [5]李卓徽. 基于RFID的人員身份識別及定位系統(tǒng)研制[J].計算機測量與控制 ,2012,(08)∶2281—2284.

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

* [7] 楊樂平，李海濤等. LabVIEW高級程序設計[M]，清華大學出版社，2003,4∶42～50.