基於STM32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理控制系統的製作方法

2024-03-28 15:08:05 2

本發明涉及一種船舶生活汙水處理系統，尤其涉及基於stm32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理系統。

背景技術：

國際海事組織(imo)對船舶汙水的排放要求越來越嚴格。儘管生活汙水處理技術和裝置在我國發展迅猛，但還是存在許多問題。尤其是在處理過程中的控制問題，主要表現在自動化程度低、控制精度差等方面。

目前多數汙水處理裝置仍採用繼電器進行半手工半自動化控制，其主要缺陷有：多為手動控制，系統控制參數由人判斷，不但使得勞動力增大還會由於操作失誤等因素影響系統內部正常反應，不但使得生活汙水處理系統處理效率低，而且耗時耗能；目前隨著工業控制的長足發展，很多汙水處理廠家用plc取代了繼電器對汙水處理設備進行控制，plc對比於繼電器來說，具備控制程度高、系統穩定等優點，但是不容忽視的是，同樣存在著佔用體積過大、控制成本較高、控制系統單一和智能化程度較低等缺點；

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述現有技術中存在的問題，提供了一種基於stm32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理系統。

為了實現上述目的，本發明提供了一種基於stm32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理系統。該系統包括：電源模塊、電流採集模塊、ad轉換模塊、主控模塊、外部驅動模塊和外部顯示與輸入模塊，所述的外部顯示於輸入模塊和驅動模塊通過無線通信方式進行連接。

所述電源模塊包括電壓轉換、電源濾波和電源指示燈；當系統開啟時，輸入12v電壓通過電壓轉換電路輸出5v和3.3v電壓；同時輸出電壓經電源濾波電路後，形成穩定的輸出電壓供單片機驅動。

所述電流採集模塊包括外部傳感器和電流/電壓轉換模塊。外部傳感器包括溫度傳感器、液位傳感器和流量傳感器。外部傳感器傳入的4‐20ma電流信號經由兩個opa2333運放組成的電流/電壓轉換電路，轉換為0.8‐4v電壓以供ad轉換模塊信號輸入。

所述ad轉換模塊包括stm32單片機自帶12位ad，用於獲取電流採集模塊中傳過來的模擬信號，並將模擬信號轉換成數位訊號進行信號處理。

所述主控模塊包括cpu和串口轉usb電路，經過ad轉換電路的電壓信號傳入到cpu當中，cpu根據預先設定閾值和傳入的電壓信號進行比較，如果沒有差值，則證明系統正常運行；如果有差值的話，根據不同差值確定不同的故障類型，並將信號輸出到外部驅動模塊。同時我們設置了串口轉usb電路，可通過接入工控機或者上位機，方便系統進行在線調試和升級擴展，監控設備的實時運行狀態。

所述外部驅動模塊包括驅動電路和外部驅動，外部驅動包括泵、加熱器和電磁閥。由cpu處理完的信號傳入到驅動電路當中，首先先經過光耦隔離，使被隔離的兩部分電路之間沒有電的直接連接，主要是防止因有電的連接而引起的幹擾，特別是低壓的控制電路與外部高壓電路之間；光耦隔離後信號經過三極體放大，進而驅動固態繼電器，一路固態繼電器經由接觸器啟動380v三相電機；同時，另外一路固態繼電器直接控制加熱器和電磁閥。根據不同的故障原因進而啟動不同的模塊進行系統的修復：1、液位過高或者過低，相應地通過電機驅動模塊啟停泵；2、系統溫度過高或者過低，相應通過加熱模塊啟停加熱管；3、mbr膜通量過低，相應通過閥控制模塊控制閥開閉，進而實現對mbr膜的反衝洗以提高通量。

所述外部顯示與控制模塊包括顯示屏、無線接收器和報警器。顯示屏用於系統實時運行狀態和參數的檢測以及運行參數的輸入，通過主控模塊的故障診斷，顯示屏能實時顯示系統故障原因並通過報警器和蜂鳴器進行預警。顯示屏可通過無線接收器與手機進行相連，進而可實現手機遠程監視和控制設備的運行。

本發明的優勢在於：

1、基於stm32單片機的智能化船舶生活汙水控制系統，選用了意法半導體的stm32f106zet6單片機作為主控，基於意法半導體獨有的130nm製造工藝，為實現超低的洩漏電流特性，在工作和睡眠模式下，energylitetm超低功耗技術可以最大限度提升能效。此外，該平臺的內嵌快閃記憶體採用意法半導體獨有的低功耗快閃記憶體技術，能夠在任何設定時間以最低的功耗完成任務。對比目前市面上的船舶生活汙水控制系統，功耗更低，更加節能。

2、基於stm32單片機的智能化船舶生活汙水控制系統，選用的stm32電路的設計目的是以低電壓實現高性能，有效延長電池供電設備的充電間隔。片上模擬功能的最低工作電源電壓為1.8v。數字功能的最低工作電源電壓為1.65v，在電池電壓降低時，可以延長電池供電設備的工作時間。對比與傳統的繼電器和plc控制，壽命大大增加。

3、基於stm32單片機的智能化船舶生活汙水控制系統，可以實現對新型船舶生活汙水處理系統的效能評價與狀態預估，得到不同運行時期的系統智能調控策略與不利條件下的系統救護方案。進行不同控制策略下的裝置運行過程診斷研究，在實時監控過程中進行效能評估，系統運行不利條件下能夠自動預警；

4、基於stm32單片機的智能化船舶生活汙水控制系統，由於優良的製造工藝，對比於市面上的船舶生活汙水控制系統，體積更小，智能化程度更高。

5、基於stm32單片機的智能化船舶生活汙水控制系統，對比於市面上的船舶生活汙水控制系統，易於與機器學習等算法相結合，實現更加智能化的故障診斷和預測。

附圖說明

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。附圖中：

圖1是根據本發明實施的基於stm32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理系統示意圖；

圖2是根據本發明實施的基於stm32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理系統電源模塊電路圖；

圖3是根據本發明實施的基於stm32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理系統電流採集模塊電路圖；

圖4是根據本發明實施的基於stm32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理系統主控模塊電路圖；

圖5是根據本發明實施的基於stm32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理系統usb與串口模塊電路圖；

圖6是根據本發明實施的基於stm32單片機的新型智能化船舶生活汙水處理系統外部驅動模塊電路圖；

具體實施方式

本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意合理組合。

具體實施方法：該新型智能化船舶生活汙水處理系統用於對船舶生活汙水處理裝置進行控制，該系統包括：電源模塊、電流採集模塊、ad轉換模塊、主控模塊、外部驅動模塊和外部顯示與輸入模塊傳感器；電源模塊用於輸出穩定的電壓供整個控制系統的驅動；電流採集模塊將傳感器傳出的電流信號轉換為電壓信號以供ad轉換模塊信號輸入；ad轉換模塊與電流採集模塊相連，用於將模擬信號轉換成數位訊號進行信號處理；主控模塊與ad轉換模塊相連，用於根據輸入的信號與預設值對比，進而判斷是否有故障以及故障種類；外部驅動模塊與主控模塊相連，cpu判斷故障種類後相應對外部驅動模塊發出信號，根據不同的故障原因進而啟動不同的模塊進行系統的修復；外部顯示與輸入模塊與主控模塊相連，用於系統實時運行狀態和參數的檢測以及運行參數的輸入。

所述電源模塊包括電壓轉換電路、電源濾波和電源指示燈；當系統開啟時，sd6a1‐5(u4)將電壓從12v電壓轉換成5v輸出，再通過lm117(u3)將5v轉換成3.3v電壓。在每一級電壓轉換時經過c6、c7、c8、c9電容濾波，去除電容幹擾，直至穩定後，形成穩定的輸出給單片機供電。

所述電流採集模塊包括外部傳感器和電流/電壓轉換模塊。外部傳感器包括溫度傳感器、液位傳感器和流量傳感器。以第一路為例，外部傳感器傳入的4‐20ma電流信號i，經r1/r1c轉化為i*100大小的電壓，opa2333運放的輸入為高阻，其正相輸入端近似看做開路，所以，其正相輸入端電壓也為i*100，為0.4v‐2v，運放opa2333的放大倍數為a＝(r2+r4)/r4,若r1＝10kω，rf＝10kω，則a＝2；對於4－20ma的電流輸入信號，由a＝2可知，4－20ma的輸入電流對應0.8－4v的輸出電壓信號。

所述ad轉換模塊包括stm32單片機自帶12位ad，用於獲取電流採集模塊中傳過來的模擬信號，並將模擬信號轉換成數位訊號進行信號處理。單片機進行採集數據的處理過程中，採用了三種軟體濾波方式。第一種為限幅濾波又稱粗大誤差剔除濾波，其原理是先求出相鄰採樣值的增量(絕對值)，再與兩次採樣間允許的最大差值δym進行比較，若小於或等於δym，則取本次採樣值，否則把上次採樣值作為本次採樣值。即:若|yn-yn-1|δym，取上次採樣值yn-1。式中yn，yn-1分別為本次和上次採樣值，δym為相鄰兩次採樣間允許的最大偏差。第二種為去極值平均濾波，其原理是對採集的一組數據進行排序並去掉首尾的幾個數據，再對剩餘的數據求平均。第三種為最小二乘法濾波，其原理是對於一組實驗數據(ti,yi),(i＝1,2,3...,n)。當n足夠大，即實驗數據足夠多，而且研究的對象是一個穩定的系統時，通過最小二乘法可以找出一個函數來真實地反應研究對象的運行狀態。用來取代yi，得一組新的數據(ti,y′i),(i＝1,2,3...,n),其中在程序中我們把定義為一階函數，即

本發明中對傳感器方差的求解採用了三級軟體濾波，其實施方式如下：系統每5‐10秒(該時間由上位計算機設置)得到一個傳感器採集方差，每計算一個傳感器採集方差需要樣本數512個，而每一個樣本是由24個採集值經過兩級濾波後得到的，第一級為粗大誤差剔除濾波，它的作用是剔除由各種幹擾所產生的隨機脈衝信號；第二級為去極值平均濾波，它的作用是濾掉脈衝幹擾的同時濾掉慢隨機起伏信號，其具體做法是將24個樣本數通過冒泡法排序，然後去掉最大的4個和最小的4個，最後對剩下的16個樣本求平均值。最後採用最小二乘法濾波對傳感器採集的512個樣本數進行濾波。

所述外部驅動模塊包括驅動電路和外部驅動，外部驅動包括泵、加熱器和電磁閥。由cpu處理完的信號傳入到驅動電路當中，首先先經過光耦隔離，使被隔離的兩部分電路之間沒有電的直接連接，主要是防止因有電的連接而引起的幹擾，特別是低壓的控制電路與外部高壓電路之間；光耦隔離後信號經過三極體放大，進而驅動固態繼電器，一路固態繼電器經由接觸器啟動380v三相電機；同時，另外一路固態繼電器直接控制加熱器和電磁閥。根據不同的故障原因進而啟動不同的模塊進行系統的修復：1、液位過高或者過低，相應地通過電機驅動模塊啟停泵；2、系統溫度過高或者過低，相應通過加熱模塊啟停加熱管；3、mbr膜通量過低，相應通過閥控制模塊控制閥開閉，進而實現對mbr膜的反衝洗以提高通量。

所述外部顯示與控制模塊包括顯示屏、無線接收器和報警器。顯示屏用於系統實時運行狀態和參數的檢測以及運行參數的輸入，通過主控模塊的故障診斷，顯示屏能實時顯示系統故障原因並通過報警器和蜂鳴器進行預警。顯示屏可通過無線接收器與手機進行相連，進而可實現手機遠程監視和控制設備的運行。