STM32單片機(jī)在水電解制氫監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

左岐 祝環(huán)環(huán) 趙玉杰 王碩

摘 要：本文提出了一種基于STM32F103Z單片機(jī)和昆侖通泰觸摸屏的水電解制氫監(jiān)測系統(tǒng)，單片機(jī)作為下位機(jī)具有數(shù)據(jù)自動采集和處理功能，觸摸屏作為上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，具有報警及異常數(shù)據(jù)存儲功能。該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、可移植性高等特點。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；電解水制氫；低功耗；觸摸屏人機(jī)交互界面

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0056-02

Application of STM32 Singlechip in Hydrogen Production by Water

Electrolysis Monitoring System

ZUO Qi，ZHU Huanhuan，ZHAO Yujie，WANG Shuo

（North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Abstract：This paper presents a water electrolysis hydrogen monitoring system of STM32F103Z MCU and touch screen based on the Kunlun Tongtai.As upper computerr， the MCU has the function of automatic data acquisition and processing.The touch screen is used as the host computer to monitor the data in real time.It has the function of alarm and abnormal data storage.The system has the characteristics of small size， low power consumption and high portability.

Keywords：STM32 single chip microcomputer；hydrogen production by water electrolysis；low power consumption；touch screen man-machine interface

0 引 言

氫在燃燒過程中無污染物產(chǎn)生，具有清潔、高效以及可再生等特點，被公認(rèn)為未來最有潛力的能源載體。在工業(yè)上通常采用如下幾種方法制取氫氣：（1）將水蒸氣通過灼熱的焦炭，利用碳還原法得到純度為75%左右的氫氣；（2）將水蒸氣通過灼熱的鐵，得到純度約97%的氫氣；（3）從水煤氣中提取氫氣，但這樣得到的氫氣純度也較低；（4）電解水法制氫氣，可得到純度高達(dá)99%的氫氣。

電解水制取氫氣是目前常用的制取氫氣的方式之一，制氫工藝過程中不產(chǎn)生污染物質(zhì)，且制取的氫純度更高，水電解制氫必將成為未來綠色制氫的核心技術(shù)，因此改善這個工藝過程中的各種參數(shù)監(jiān)測和控制系統(tǒng)、提高制氫效率、降低系統(tǒng)消耗對于發(fā)展水電解制氫具有重大意義。

1 水電解制氫的工藝流程及相關(guān)參數(shù)的測量

1.1 制氫工藝流程

電解水制氫的工藝過程，首先將自來水經(jīng)過凈化裝置制成純凈水，純凈水通過給水泵進(jìn)入裝有電解液的電解槽，然后在直流電的作用下進(jìn)行電解。電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，經(jīng)由電解槽出來的氫氣和氧氣分別進(jìn)入氫氣氣水分離罐、氧氣氣水分離罐。電解槽產(chǎn)生的氣體通常帶有電解液等水分，必須進(jìn)行分離處理。分離后的氫氣和氧氣經(jīng)過洗滌、冷卻、干燥等處理后再進(jìn)入儲氣罐，獲得高純度氫氣和氧氣。制氫工藝主要是獲得氫氣，產(chǎn)生的氧氣可以視情況進(jìn)行處理，可以進(jìn)行收集，也可以排空放掉。制氫工藝過程如圖1所示。

圖1 制氫工藝

1.2 工藝參數(shù)的測量

（1）溫度測量：電解過程中隨著氫氣和氧氣的產(chǎn)生，電解槽系統(tǒng)溫度會逐漸升高。若電解槽溫度超過90℃，槽內(nèi)石棉隔膜的壽命就會大幅度縮短；若系統(tǒng)溫度過低又會影響電解效率，因此需要對系統(tǒng)溫度進(jìn)行測量，并將該溫度控制在80～90℃的范圍內(nèi)。（2）壓力測量：電解過程中的電解槽、儲氣罐、管道等均處在一定壓力下進(jìn)行工作，系統(tǒng)壓力影響系統(tǒng)的安全。通過對電解槽、氣水分離罐、氫氣冷卻罐壓力、儲氣罐、壓力管道等設(shè)備的壓力進(jìn)行測量，控制壓力閥的開度來調(diào)節(jié)氫氣流量、氧氣流量的大小，同時控制系統(tǒng)高頻電源、循環(huán)泵、冷卻泵和冷卻風(fēng)扇的工作狀態(tài)。（3）差壓測量：若氫、氧兩側(cè)的壓力不平衡，就會造成氫氧氣相互滲透，形成爆炸氣體，因此需要對氫氧氣水分離罐的差壓進(jìn)行測量。此外，電解過程中，隨著氫氣和氧氣的產(chǎn)生，氫氣、氧氣氣水分離罐內(nèi)的液位逐漸下降，需要不斷地補(bǔ)水，因此需要對氫氣氧氣氣水分離罐內(nèi)的液位進(jìn)行測量。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控芯片

STM32系列單片機(jī)是專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。它的集成度更高、運行速度更快，時鐘頻率可達(dá)72MHz。其內(nèi)部集成了3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)1μs的轉(zhuǎn)換時間，滿足工程上多通道采集的需要。因此，選用STM32F103ZETT6作為電解水制氫系統(tǒng)的主控MCU芯片。

2.2 電源電壓轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)主電源為5VDC，本設(shè)計中單片機(jī)和存儲芯片等多款芯片均需3.3V供電，因此需將5V轉(zhuǎn)換為3.3V。

5V轉(zhuǎn)3.3V選用AMS1117-3.3，它是一個正向低壓差穩(wěn)壓器，在1A電流下電壓降為1.2V，1%的精度，具有限流和過熱切斷功能，溫度范圍為-40℃～125℃。為確保AMS1117的穩(wěn)定性，輸出需要連接一個至少22μF的鉭電容。5V轉(zhuǎn)3.3V電壓轉(zhuǎn)換原理圖如圖2所示。

3.3 數(shù)據(jù)采集電路

電解過程中要求的溫度范圍在0～90℃，同時要求保留一位小數(shù)。DS18B20測溫范圍為-55～+125℃，可編程的分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、 0.25℃、0.125℃和0.0625℃，同時具有與單片機(jī)的接口簡單，體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)字信號輸出等優(yōu)點，故采用DS18B20對溫度進(jìn)行測量。

由于壓力、差壓、液位、流量傳感器輸出的信號均為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA模擬信號，只需將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號以供單片機(jī)采集。因單片機(jī)參考電壓為3.3V，需通過165歐電阻將4～20mA轉(zhuǎn)化為0.66～3.3V。

3 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)檢測的關(guān)鍵是模擬量的ADC與DMA的配置。需要配置相關(guān)寄存器，使ADC能夠工作在多通道模式并通過DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，即將數(shù)據(jù)從ADC數(shù)據(jù)寄存器中自動搬運至指定地址緩存區(qū)。在完成數(shù)據(jù)采集之后，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行各種運算。本系統(tǒng)中采用去極值平均的算法對每個采樣點進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到具有高可靠性的參數(shù)值。數(shù)據(jù)處理部分采用算術(shù)平均濾波算法，該算法的基本原理簡單，即連續(xù)取N次采樣值后進(jìn)行算術(shù)平均。與其他算法相比，易實現(xiàn)且靈敏度較高，每次采集顯示約為十幾微妙，較為迅速，能夠滿足工程中實時監(jiān)測的要求。

綜上所述，利用傳感器并結(jié)合單片機(jī)對壓力、液位、流量等信號進(jìn)行采集，通過單片機(jī)內(nèi)部集成的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。DS18B20直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號給單片機(jī)處理，處理后的數(shù)據(jù)通過RS485通信傳送到觸摸屏顯示。

4 觸摸屏及顯示系統(tǒng)

昆侖通態(tài)觸摸屏是眾多工業(yè)觸摸屏之一，是高性能的嵌入式一體化觸摸屏，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用于PLC、單片機(jī)控制的系統(tǒng)，具有較高的工作能力，并且相對穩(wěn)定。

MCGS是昆侖通態(tài)公司研發(fā)的一套基于Windows平臺，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要用來完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。通過MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)行相關(guān)顯示界面的設(shè)計。觸摸屏顯示的界面主要有：登錄界面、狀態(tài)顯示、實時曲線、歷史曲線、數(shù)據(jù)存盤、報警顯示和報警存盤等。

5 結(jié) 論

以STM32單片機(jī)為核心的監(jiān)測系統(tǒng)，對模擬信號進(jìn)行調(diào)理后可模擬實現(xiàn)對電解水工程工藝的多路數(shù)據(jù)采集和處理。當(dāng)電壓改變后，實時曲線可隨之變化，每次采集顯示約為十幾微妙，較為迅速，能夠滿足工程要求。

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