基于STM32单片机的新型智能化船舶生活污水处理控制系统的制作方法

本发明涉及一种船舶生活污水处理系统，尤其涉及基于stm32单片机的新型智能化船舶生活污水处理系统。

背景技术：

国际海事组织(imo)对船舶污水的排放要求越来越严格。尽管生活污水处理技术和装置在我国发展迅猛，但还是存在许多问题。尤其是在处理过程中的控制问题，主要表现在自动化程度低、控制精度差等方面。

目前多数污水处理装置仍采用继电器进行半手工半自动化控制，其主要缺陷有：多为手动控制，系统控制参数由人判断，不但使得劳动力增大还会由于操作失误等因素影响系统内部正常反应，不但使得生活污水处理系统处理效率低，而且耗时耗能；目前随着工业控制的长足发展，很多污水处理厂家用plc取代了继电器对污水处理设备进行控制，plc对比于继电器来说，具备控制程度高、系统稳定等优点，但是不容忽视的是，同样存在着占用体积过大、控制成本较高、控制系统单一和智能化程度较低等缺点；

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于stm32单片机的新型智能化船舶生活污水处理系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于stm32单片机的新型智能化船舶生活污水处理系统。该系统包括：电源模块、电流采集模块、ad转换模块、主控模块、外部驱动模块和外部显示与输入模块，所述的外部显示于输入模块和驱动模块通过无线通信方式进行连接。

所述电源模块包括电压转换、电源滤波和电源指示灯；当系统开启时，输入12v电压通过电压转换电路输出5v和3.3v电压；同时输出电压经电源滤波电路后，形成稳定的输出电压供单片机驱动。

所述电流采集模块包括外部传感器和电流/电压转换模块。外部传感器包括温度传感器、液位传感器和流量传感器。外部传感器传入的4‐20ma电流信号经由两个opa2333运放组成的电流/电压转换电路，转换为0.8‐4v电压以供ad转换模块信号输入。

所述ad转换模块包括stm32单片机自带12位ad，用于获取电流采集模块中传过来的模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号进行信号处理。

所述主控模块包括cpu和串口转usb电路，经过ad转换电路的电压信号传入到cpu当中，cpu根据预先设定阈值和传入的电压信号进行比较，如果没有差值，则证明系统正常运行；如果有差值的话，根据不同差值确定不同的故障类型，并将信号输出到外部驱动模块。同时我们设置了串口转usb电路，可通过接入工控机或者上位机，方便系统进行在线调试和升级扩展，监控设备的实时运行状态。

所述外部驱动模块包括驱动电路和外部驱动，外部驱动包括泵、加热器和电磁阀。由cpu处理完的信号传入到驱动电路当中，首先先经过光耦隔离，使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的干扰，特别是低压的控制电路与外部高压电路之间；光耦隔离后信号经过三极管放大，进而驱动固态继电器，一路固态继电器经由接触器启动380v三相电机；同时，另外一路固态继电器直接控制加热器和电磁阀。根据不同的故障原因进而启动不同的模块进行系统的修复：1、液位过高或者过低，相应地通过电机驱动模块启停泵；2、系统温度过高或者过低，相应通过加热模块启停加热管；3、mbr膜通量过低，相应通过阀控制模块控制阀开闭，进而实现对mbr膜的反冲洗以提高通量。

所述外部显示与控制模块包括显示屏、无线接收器和报警器。显示屏用于系统实时运行状态和参数的检测以及运行参数的输入，通过主控模块的故障诊断，显示屏能实时显示系统故障原因并通过报警器和蜂鸣器进行预警。显示屏可通过无线接收器与手机进行相连，进而可实现手机远程监视和控制设备的运行。

本发明的优势在于：

1、基于stm32单片机的智能化船舶生活污水控制系统，选用了意法半导体的stm32f106zet6单片机作为主控，基于意法半导体独有的130nm制造工艺，为实现超低的泄漏电流特性，在工作和睡眠模式下，energylitetm超低功耗技术可以最大限度提升能效。此外，该平台的内嵌闪存采用意法半导体独有的低功耗闪存技术，能够在任何设定时间以最低的功耗完成任务。对比目前市面上的船舶生活污水控制系统，功耗更低，更加节能。

2、基于stm32单片机的智能化船舶生活污水控制系统，选用的stm32电路的设计目的是以低电压实现高性能，有效延长电池供电设备的充电间隔。片上模拟功能的最低工作电源电压为1.8v。数字功能的最低工作电源电压为1.65v，在电池电压降低时，可以延长电池供电设备的工作时间。对比与传统的继电器和plc控制，寿命大大增加。

3、基于stm32单片机的智能化船舶生活污水控制系统，可以实现对新型船舶生活污水处理系统的效能评价与状态预估，得到不同运行时期的系统智能调控策略与不利条件下的系统救护方案。进行不同控制策略下的装置运行过程诊断研究，在实时监控过程中进行效能评估，系统运行不利条件下能够自动预警；

4、基于stm32单片机的智能化船舶生活污水控制系统，由于优良的制造工艺，对比于市面上的船舶生活污水控制系统，体积更小，智能化程度更高。

5、基于stm32单片机的智能化船舶生活污水控制系统，对比于市面上的船舶生活污水控制系统，易于与机器学习等算法相结合，实现更加智能化的故障诊断和预测。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。附图中：

图1是根据本发明实施的基于stm32单片机的新型智能化船舶生活污水处理系统示意图；

图2是根据本发明实施的基于stm32单片机的新型智能化船舶生活污水处理系统电源模块电路图；

图3是根据本发明实施的基于stm32单片机的新型智能化船舶生活污水处理系统电流采集模块电路图；

图4是根据本发明实施的基于stm32单片机的新型智能化船舶生活污水处理系统主控模块电路图；

图5是根据本发明实施的基于stm32单片机的新型智能化船舶生活污水处理系统usb与串口模块电路图；

图6是根据本发明实施的基于stm32单片机的新型智能化船舶生活污水处理系统外部驱动模块电路图；

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方法：该新型智能化船舶生活污水处理系统用于对船舶生活污水处理装置进行控制，该系统包括：电源模块、电流采集模块、ad转换模块、主控模块、外部驱动模块和外部显示与输入模块传感器；电源模块用于输出稳定的电压供整个控制系统的驱动；电流采集模块将传感器传出的电流信号转换为电压信号以供ad转换模块信号输入；ad转换模块与电流采集模块相连，用于将模拟信号转换成数字信号进行信号处理；主控模块与ad转换模块相连，用于根据输入的信号与预设值对比，进而判断是否有故障以及故障种类；外部驱动模块与主控模块相连，cpu判断故障种类后相应对外部驱动模块发出信号，根据不同的故障原因进而启动不同的模块进行系统的修复；外部显示与输入模块与主控模块相连，用于系统实时运行状态和参数的检测以及运行参数的输入。

所述电源模块包括电压转换电路、电源滤波和电源指示灯；当系统开启时，sd6a1‐5(u4)将电压从12v电压转换成5v输出，再通过lm117(u3)将5v转换成3.3v电压。在每一级电压转换时经过c6、c7、c8、c9电容滤波，去除电容干扰，直至稳定后，形成稳定的输出给单片机供电。

所述电流采集模块包括外部传感器和电流/电压转换模块。外部传感器包括温度传感器、液位传感器和流量传感器。以第一路为例，外部传感器传入的4‐20ma电流信号i，经r1/r1c转化为i*100大小的电压，opa2333运放的输入为高阻，其正相输入端近似看做开路，所以，其正相输入端电压也为i*100，为0.4v‐2v，运放opa2333的放大倍数为a＝(r2+r4)/r4,若r1＝10kω，rf＝10kω，则a＝2；对于4－20ma的电流输入信号，由a＝2可知，4－20ma的输入电流对应0.8－4v的输出电压信号。

所述ad转换模块包括stm32单片机自带12位ad，用于获取电流采集模块中传过来的模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号进行信号处理。单片机进行采集数据的处理过程中，采用了三种软件滤波方式。第一种为限幅滤波又称粗大误差剔除滤波，其原理是先求出相邻采样值的增量(绝对值)，再与两次采样间允许的最大差值δym进行比较，若小于或等于δym，则取本次采样值，否则把上次采样值作为本次采样值。即:若|yn-yn-1|<＝δym，取本次采样值yn，若|yn-yn-1|>δym，取上次采样值yn-1。式中yn，yn-1分别为本次和上次采样值，δym为相邻两次采样间允许的最大偏差。第二种为去极值平均滤波，其原理是对采集的一组数据进行排序并去掉首尾的几个数据，再对剩余的数据求平均。第三种为最小二乘法滤波，其原理是对于一组实验数据(ti,yi),(i＝1,2,3...,n)。当n足够大，即实验数据足够多，而且研究的对象是一个稳定的系统时，通过最小二乘法可以找出一个函数来真实地反应研究对象的运行状态。用来取代yi，得一组新的数据(ti,y′i),(i＝1,2,3...,n),其中在程序中我们把定义为一阶函数，即

本发明中对传感器方差的求解采用了三级软件滤波，其实施方式如下：系统每5‐10秒(该时间由上位计算机设置)得到一个传感器采集方差，每计算一个传感器采集方差需要样本数512个，而每一个样本是由24个采集值经过两级滤波后得到的，第一级为粗大误差剔除滤波，它的作用是剔除由各种干扰所产生的随机脉冲信号；第二级为去极值平均滤波，它的作用是滤掉脉冲干扰的同时滤掉慢随机起伏信号，其具体做法是将24个样本数通过冒泡法排序，然后去掉最大的4个和最小的4个，最后对剩下的16个样本求平均值。最后采用最小二乘法滤波对传感器采集的512个样本数进行滤波。

所述外部驱动模块包括驱动电路和外部驱动，外部驱动包括泵、加热器和电磁阀。由cpu处理完的信号传入到驱动电路当中，首先先经过光耦隔离，使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的干扰，特别是低压的控制电路与外部高压电路之间；光耦隔离后信号经过三极管放大，进而驱动固态继电器，一路固态继电器经由接触器启动380v三相电机；同时，另外一路固态继电器直接控制加热器和电磁阀。根据不同的故障原因进而启动不同的模块进行系统的修复：1、液位过高或者过低，相应地通过电机驱动模块启停泵；2、系统温度过高或者过低，相应通过加热模块启停加热管；3、mbr膜通量过低，相应通过阀控制模块控制阀开闭，进而实现对mbr膜的反冲洗以提高通量。

所述外部显示与控制模块包括显示屏、无线接收器和报警器。显示屏用于系统实时运行状态和参数的检测以及运行参数的输入，通过主控模块的故障诊断，显示屏能实时显示系统故障原因并通过报警器和蜂鸣器进行预警。显示屏可通过无线接收器与手机进行相连，进而可实现手机远程监视和控制设备的运行。