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论文案例实践-太阳能水体净化器

2021-04-19 12:34:26

  本作品针对水体流动性不强的、相对封闭的水域由于含氧量不够而设计开发了一款太阳能水体净化器,由太阳能电池、单片机、蓄电池、传感器、oled屏、空心杯电机模块等组成。以太阳能为电源动力,空心杯电机带动螺旋桨转动,增加水中的含氧量,使水体的自我净化作用有所提高,适合用在一些水体流动性较差的鱼池、风景点水池等封闭水域中。

  1.1研究背景

  近几年来我国的经济都在以飞速发展的形势一直持续着,所带来的环境问题也已经逐渐显现出来,尤其近十年在我国湖泊周边的人口数急剧增加以及工农业的高速发展,导致我国大部分湖泊内部所存在含氧量越来越低。在一个水体的常态下,水中是存在氧气的,其具有溶解度并且是水生物生活下去的必要条件,氧气也会与水中物质产生反应从而加快垃圾的降解,这是水体自我净化能力的重要原因[1]。在中国的工农业生产过程中,氮、磷、钾含量较高的污水将排入水中,导致水中有机物产生大量养分,从而加速了藻类的生长,抑制了水体与氧气的接触,溶解氧降低,当发生严重的情况,还会导致出现厌氧层。

  因此,怎样迅速增大水体的溶氧量是恢复水体自我净化能力的首要方法,而在低投资的情况下提升溶氧量也是重要的问题。

  1.2水体富营养化的现状及治理

  据调查,在我国面积最大的五大湖地区选择22个代表湖泊的调查和研究,在2010年1月至2010年12月间,在我国的许多大部分湖泊都受到了富营养化的影响[2]。

  四个点是我国对水体治理的不同时期:调查诊断阶段(1950—1989年):这一阶段是湖泊出现富营养化的开始,国家也开始重视湖泊富营养化问题,对检测湖泊作出了指标[3];控污治源阶段(1990—1999年):这一阶段是我国工业发展和城镇发展的高速阶段,发展中产生的化学物质排入水体中,我国主要对城镇和工业进行控制其源头排放;湖泊综合治理阶段(2000—2009年):这一阶段意识到了单纯的控制城镇和工业的源头排放对湖泊来说治标不治本,不能完全的解决我国出现湖泊富营养化问题,这个时候我国提出了一个湖泊修复的观点,从三大方面来治理湖泊。最后一阶段(2010年—现在):在这么多年治理中得出了许多的方法,更加意识到了湖泊富营养化原因是我国社会经济高速发展的后遗症,深化了之前的三个方面的观点,对湖泊的治理进一步的提升,与经济协同发展[4]。

  1.3课题研究意义和主要内容

  本作品是由太阳能和蓄电池共同作为电源,蓄电池的电力来源于太阳能,符合国家节能减排的政策[5]。充分利用太阳能发电作用于螺旋桨带动螺旋桨转动,结构简单,容易维护,光电转换,蓄电池存储电能,保证了系统稳定的动力,使用于各种风景池、鱼池等封闭式水域,若设备反应的效果不错,还可以扩大设备的动力及移动范围,可用于一些湖泊流域当中。

  目前我国的湖泊水体富营养化情况越发严重,如何改善水体富营养问题是我们目前的一个重点难题,而太阳能水体净化器不仅能有效改善水体富营养问题,而且还利用的太阳能发电这一新兴途径,不仅节能而且绿色,本作品的浮式设计也有利于日后的维护,与之前的一些净化水体装置相比也有一定的经济性,价格比较低廉。

  2.总体方案与器件选择

  本作品的总体方案是根据作品有着什么样的功能,然后选择一些相匹配的器件进行对比,设计运行模式和确定单片机型号部分进行架构。硬件选择对作品各个模块进行了相应的选择和介绍。

  2.1系统总体方案设计

  系统的主要电源来源于太阳能,太阳能通过太阳能电池板存储在12V锂离子电池中,12V锂离子电池为整个电路供电。在作品的四边安装了四个空心杯电动机,用于控制方向并驱动螺旋桨转动,以增强水体表面上的氧气向水体的传输;同时,用泡沫使装置悬浮,手机蓝牙功能对空心杯电机进行操控,控制装置在水面上的移动,对于解决装置不动而产生的死水部分。温度传感器以及浑浊度传感器的数据经单片机显示在OLED显示屏上,并且通过ESP8266WIFI模块将实时数据传输到onenet物联网云平台。系统总体设计方案如图2-1所示。

  图2-1.系统总体设计方案(整理)

  2.2主控制器模块选择

  本产品所选择的是STM3系的芯片,ARM32是基于位Cortext M3微控制器核心,其具有2.0-3.6V很宽的电源电压范围,CPU的工作频率高达72兆赫,具有单周期乘法和硬件分割功能,以及可编程优先级的中断的系统[6]。它有着许多有用的装置,如看门狗定时器,GPIO端口,DMA控制器,ADC,UART,SPI接口,所述IC接口[7]。STM32电路图如图2-2所示。

  图2-2.STM32F103C8T6原理图

  2.3电源选择

  本作品采用太阳能电池和锂离子电池相结合,太阳能电池作为供应电源,锂离子电池为储备电源,下面针对这两点作出如下选择。

  2.3.1太阳能电池

  本作品的核心能源就是太阳能电池,它的本质就是将太阳能转换为电能,是本作品系统的主要供应能量的装置。对于差距各异的地方光伏电池板的选型上也不同,比如给不需要多少电源的负载供电,就直接选取差不多功率的就行了,而在大功率的运用场合,就要比较多的电池,组成光伏阵列。本文研究的是太阳能水体净化器,因此所选的太阳能电池规格如下:电压5V,峰值电流370MA,尺寸135mm*125mm,标称功率1.8W,满足了系统设计的需求。

  2.3.2锂离子电池

  以太阳能电池进行供电,12V锂离子电池进行储能,12V锂电池是通过物理串联-并联连接,由规定个数的单个3.7V锂电池组成的电池组,可以作为双用电源,电池实物图如图2-3所示。当有太阳时候以太阳能作为电源为设备;阴天或者雨天时以其储存的电源进行供电,符合系统设计需求。

  图2-3.12V锂离子电池实物图

  2.4电机选择

  普通的电机在本作品上的作用不大,所以选择了空心杯电机。该电机从源头上解决了电机在转动时因铁芯涡流效应带来的消耗,使电机工作时的损耗降低,从程度上改善了电机的性能,有着绿色、稳定性强、效率高、控制拖动能力强等特点[8]。本作品的电机采用电子换向,其结构如图2-4所示,其组成由外壳、绝缘材料、软磁材料和空心杯电枢构成的定子及永磁钢转子等,在其功能以及应用上满足了本作品的要求。

  图2-4.空心杯电机

  2.5显示模块选择

  本作品采用的显示屏是0.96寸OLED显示屏。在显示模块方面采用了OLED显示屏,尺寸为0.96。OLED的中文就是有机发光二极管,其特点为显示部分可以自发光,可以不用背光,显示范围在点阵为128*64当中,可视的角度更大并且支持更多的控制芯片,功率更低,全屏照明仅需0.08W,可以直接支持5V的直流。因要显示传感器的数据,通过对比,发现本OLED屏幕更加符合设计的要求,而且安装操作更加的方便。OLED原理图如图2-5所示。(管教参数)

  图2-5.OLED原理图

  2.6电机驱动选择

  在本产品的电机驱动选择当中,选择了L298N,它具备着极强的驱动能力,并且在运行过程当中所产生的热量低,低抗干扰能力强等特点[9],电源由驱动电源部分进行取电工作。与同类型的电机驱动相比,使用了大容量滤波电容,续流保护二极管,可以更好地提高电机驱动的可靠性。L298N逻辑控制方法如表1所示,通过编程控制使能信号为0时,电机处于停止状态,使能信号为1,而且IN1和IN2为00或11时,电机就会在制动状态。

  ENA IN1 IN2直流电机状态

  0 X X停止

  1 0 0制动

  1 0 1正转

  1 1 0反转

  1 1 1制动

  表1.L298N逻辑控制方法

  2.7传感器选择

  传感器的选择当中,因为要考虑到防水性的原则,选择了温度传感器DS18B20、TWS-30浑浊度传感器。所述数字温度传感器,它具有良好的防水性,成本低,精度高的数据,体积小,和低的外部干扰。TWS-30浑浊度传感器则是输出电压信号,通过STM32单片机进行AD转换数据处理,并且这个模块价格低廉、使用方便、测量精度高,两传感器的特点都契合本设计的要求。DS18B20的内部测温电路框图如图2-6所示。

  图2-6.DS18B20的内部测温电路框图

  2.8 WIFI模块选择

  这项工作模块为ESP8266,ESP8266内置超低功耗Tensilica的L10632位RISC处理器,高达160兆赫的CPU的时钟速度,支持实时操作系统(RTOS)和Wi-Fi协议栈可以是高达80%的功率留给应用编程和开发,具有稳定的性能,高集成度,低功耗等[10]。ESP8266连接方法如表2所示。

  模块USB转TTL

  3.3V 3.3V

  RST 3.3V

  EN 3.3V

  IO2 3.3V

  GND GND

  IO0 GND

  TX RX

  RX TX

  表2.ESP8266连接方法

  3.硬件设计

  本章从7805降压电路、主控制模块设计、驱动电路设计三个部分对硬件设计进行介绍。

  3.1 7805降压电路

  在进行电路连接时,选择的连接方式是7805稳压电路,我们需要比较其内部电压基准,所以把输出端电压连接反馈输入端口上:当电压出现偏低情况,为了提升输出占空比,采用了放大器限制住内部振荡器,从而提升装置的输出电压[11];若电压过高,因7805属于线性稳压,电源提供的电压为12V,本作品需要输入的电压为5V,就有7V电压是完全的发热逸散,从而使输入电压将至5V。7805降压电路图如图3-1所示。

  图3-1 7805降压电路图

  3.2主控制模块设计

  中心控制芯片STM32的选择,它的内部的是M3内核芯片,其可大大简化外设电路设计,降低生产成品和设计成品,具有ADC、串口通信、PWM输出和按键检测功能,能满足系统设计需求。

  STM32F103C8T6单片机包含48个引脚模块,用于转换为12位,16通道,它具有有3个通用定时器和1个定时器[12]。

  在系统中需要对I/O端口进行编程,可以针对不同应用需求,调整I/O口中寄存器的编程并放置相应的电平[13]。如图3-2为STM32单片机电路图。具体步骤如下:

  (1)初始化端口GND1,保存它的数据输出端口寄存器不会影响外围工作电路,如转换器与PA2端口相连接,电机与PB2连接和紫外线灯与单片机PA4的正常运转。

  (2)根据本系统的外围电路功能,如:太阳能板电源模块供电与3.3V的端口连接、OLED显示屏显示时间与单片机PA1口连接,定义每个管脚的输出状态来满足控制要求。

  (3)检查端口的寄存器需要配置内部电阻或者外接电阻达到输入电压稳定。

  (4)最后通过软件Keil对所需要完成的控制功能进行编程,通过输出端口BOOT0相应的状态。

  图3-2 STM32电路图

  3.3驱动电路设计

  本产品在驱动上使用的是L298N,它有着足够的动力去带动整个系统运转,L298N原理图如图3-3所示。

  图3-3 L298N原理图

  3.4显示模块设计

  本作品采用OLED显示屏显示数据,首先利用STM32单片机对OLED屏幕引脚部分进行定义,如图3-4所示,将屏幕的D0口与单片机PA5、PA7口连接,RES口与PB0连接,DC口与PB1连接,CS与PA1口,之后进入屏幕的初始化阶段,通过程序实现OLED屏幕显示出电机部分实际运转之间,并通过电源模块自动断电来停止计时。

  图3-4.OLED结构图

  4.软件程序设计

  本设计采用的是Keil uVision5软件,它有着强大的特殊的窗口管理系统,使用者可以根据自身需要的不同调用不同窗口观察所有的文件,例如寄存器的值。窗口的整洁、高效利用是其一大亮点。软件在设计时充分考虑到了使用这者的使用习惯,将窗口分成不同的数据栏,不同栏之间相互影响,可以通过改变其中一个的值观察其它数据栏的情况,从而了解所有的变动。新软件支持多种芯片,类似于51、ARM。与此同时,这套系统的新版本添加了许多实用的新功能,是单片机编程集成度非常高的一款软件。开发界面如图4-1所示。(如何实现)

  图4-1.Keil5开发界面

  4.1 STM32主程序

  作为主控制程序的STM32,微控制器软件设计中心分为单芯片初始化,A/D转换的初始化,电压和温度的计算示例如PID控制模块,所述MCU STM32F103硬件设备的通过实现了控制软件程序,对数据进行传输以及对空心杯电机的控制。系统的主流程图4-2所示。

  图4-2系统主流程图

  4-2 OLED屏控制子程序

  本作品采用的OLED屏,可以方便清晰地看到温度和浑浊度的数值。为了延长OLED显示屏的寿命,使屏幕更不容易毁坏,本作品在程序中的开启和关闭电路时的所产生的高低电平间加了延时,让OLED屏有着充足的时间启动[16]。

  4.2.1 OLED开启阶段流程

  在开启阶段当中,VDD1上电后外加了100ms的延时,而后VPP也有延时,开启流程阶段如图4-3所示。

  图4-3.OLED开启阶段流程

  4.2.2 OLED关闭阶段流程

  如图4-4所示,输入关闭指令时,在VPP后添加100ms延时,VDD关闭。

  图4-4.OLED关闭阶段流程

  5.调试部分

  软硬件调试是一项非常重要的工作,只有经过调试,才能发现在制作过程当中出现的问题,设备能否正常工作等。

  5.1硬件调试

  本作品制作的第一步就是方案的设计,在方案设计完成后,就开始硬件的选择,因为在硬件选择中需要考虑到许多问题,比如设备是需要漂浮在水面上的,模块的防水是首要考虑的问题;在传感器的选择上选择了一个温度传感器,其次因经济成本原因,只再添加了一个TSW-30浊度传感器。而在考虑设备移动和悬浮问题上,本设备选择了泡沫使设备悬浮在水面上,四个空心杯电机及螺旋桨安装在四个不同的方向,这样就解决了设备移动和悬浮的问题,其它模块在选择上就比较简单。

  硬件模块选择完就是对电路图的绘制,本作品没有采用往常普通的方法,先制作电路图再转成PCB板,而是直接绘制PCB板。在查阅了许多资料后,只要是元件个数小于一百、线路不复杂的情况都是可以跳过画电路图直接绘制PCB板的,这样的好处是可以节省许多时间,但是前提要熟知元件管脚定义和封装,对自身的电路布线有着一定的构思,这样就可以使用这种方法。对于初学者的我而言从中也是出现了许多问题,例如元件库的没有的模块的需要自己制作,制作过程中会出现一些元件规格不对等问题;在布线时一开始选择的是自动布线,可能是因为摆放的问题导致自动布出来的线特别的乱,经过一番研究后也成功布好了线。

  对于PCB板的制作大体有两种方法。从步骤上看感光法还是比较难,而热转印法则较为简单。本作品第一步是将PCB板图在热转印纸上打印出来。再通过腐蚀,最后经过打孔修边等步骤就完成了电路板的制作。在PCB板的制作过程中,也遇到一些问题,如:转印效果不理想,出现断线的情况,需要采用油性笔进行填补;采用冷水的腐蚀速度特别慢,后采用热水速度明显变快;焊盘孔径太小,部分元件无法安装,改用直径合适的钻头。

  5.2软件调试

  本作品系统设计采用C语言软件程序来控制MCU的运行,通过系统软件Keil uVision来调试编写的程序,也更清晰地观察是否存在异常或错误的现象。在编写程序的过程当中,出现了很多问题,比如延迟太长或者太短,而在按钮摇动的过程中,如果时间短,则容易导致数值错误。系统软件调试工具为KEIL MDK和Jlink仿真器,具体使用方法如下:

  ⑴打开系统程序的工程文件,当keil检查程序编译后,报出“0 error”即表明程序文件没有语法错误。可以进行下一步的工程文件配置

  ⑵在工具栏上可以用C语言编写的程序仿真调试中点击“Debug”按钮。图5-1为Debug调试界面,调试的调试接口,调试过程主要是检查是否有错误的程序逻辑和各种参数是正确的,在硬件配置是成功的,以备驱动硬件使用。

  ⑶通过观察窗口对传感器检测回来的数据进行观察。程序中的每一个变量的变化都可以通过该窗口进行观察。

  在进行调试时发现,ESP8266程序运行了一次便不再运行了,经过检查发现程序缺少一个while循环语句,解决这个问题后又进行了一次调试,但程序还是不能一直进行下去,仔细检查程序中的问题后发现其中一个定义项中缺少了参数,所以导致程序不能一直运行下去。其次又发现按键查询子程序存在抖动现象,于是给按键子程序加上一定的延时进行消抖;在调试OLED子程序的时候,刚开始,需要显示的字符没有在相对应的位置上,在查看了OLED使用手册后发现,起始显示位置的地址写错了,解决该问题后显示还是不太正常,字符之间挤在一起,原因是程序中在需要间隔的字符间没有键入空格符,修改之后显示正常。当确认程序没有错误时,将改正后的程序直接烧录到单片机进行调试。

  在各个模块调试完成后,则进行总体的调试。在总体调试过程中出现的一些小问题经过资料的查询得以解决,没有出现问题。