本發(fā)明涉及一種船舶生活污水處理系統(tǒng)，尤其涉及基于stm32單片機(jī)的新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

國(guó)際海事組織(imo)對(duì)船舶污水的排放要求越來(lái)越嚴(yán)格。盡管生活污水處理技術(shù)和裝置在我國(guó)發(fā)展迅猛，但還是存在許多問(wèn)題。尤其是在處理過(guò)程中的控制問(wèn)題，主要表現(xiàn)在自動(dòng)化程度低、控制精度差等方面。

目前多數(shù)污水處理裝置仍采用繼電器進(jìn)行半手工半自動(dòng)化控制，其主要缺陷有：多為手動(dòng)控制，系統(tǒng)控制參數(shù)由人判斷，不但使得勞動(dòng)力增大還會(huì)由于操作失誤等因素影響系統(tǒng)內(nèi)部正常反應(yīng)，不但使得生活污水處理系統(tǒng)處理效率低，而且耗時(shí)耗能；目前隨著工業(yè)控制的長(zhǎng)足發(fā)展，很多污水處理廠(chǎng)家用plc取代了繼電器對(duì)污水處理設(shè)備進(jìn)行控制，plc對(duì)比于繼電器來(lái)說(shuō)，具備控制程度高、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是不容忽視的是，同樣存在著占用體積過(guò)大、控制成本較高、控制系統(tǒng)單一和智能化程度較低等缺點(diǎn)；

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供了一種基于stm32單片機(jī)的新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于stm32單片機(jī)的新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：電源模塊、電流采集模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、外部驅(qū)動(dòng)模塊和外部顯示與輸入模塊，所述的外部顯示于輸入模塊和驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式進(jìn)行連接。

所述電源模塊包括電壓轉(zhuǎn)換、電源濾波和電源指示燈；當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，輸入12v電壓通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路輸出5v和3.3v電壓；同時(shí)輸出電壓經(jīng)電源濾波電路后，形成穩(wěn)定的輸出電壓供單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。

所述電流采集模塊包括外部傳感器和電流/電壓轉(zhuǎn)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(hào)經(jīng)由兩個(gè)opa2333運(yùn)放組成的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為0.8‐4v電壓以供ad轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)輸入。

所述ad轉(zhuǎn)換模塊包括stm32單片機(jī)自帶12位ad，用于獲取電流采集模塊中傳過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理。

所述主控模塊包括cpu和串口轉(zhuǎn)usb電路，經(jīng)過(guò)ad轉(zhuǎn)換電路的電壓信號(hào)傳入到cpu當(dāng)中，cpu根據(jù)預(yù)先設(shè)定閾值和傳入的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，如果沒(méi)有差值，則證明系統(tǒng)正常運(yùn)行；如果有差值的話(huà)，根據(jù)不同差值確定不同的故障類(lèi)型，并將信號(hào)輸出到外部驅(qū)動(dòng)模塊。同時(shí)我們?cè)O(shè)置了串口轉(zhuǎn)usb電路，可通過(guò)接入工控機(jī)或者上位機(jī)，方便系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試和升級(jí)擴(kuò)展，監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

所述外部驅(qū)動(dòng)模塊包括驅(qū)動(dòng)電路和外部驅(qū)動(dòng)，外部驅(qū)動(dòng)包括泵、加熱器和電磁閥。由cpu處理完的信號(hào)傳入到驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)中，首先先經(jīng)過(guò)光耦隔離，使被隔離的兩部分電路之間沒(méi)有電的直接連接，主要是防止因有電的連接而引起的干擾，特別是低壓的控制電路與外部高壓電路之間；光耦隔離后信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，一路固態(tài)繼電器經(jīng)由接觸器啟動(dòng)380v三相電機(jī)；同時(shí)，另外一路固態(tài)繼電器直接控制加熱器和電磁閥。根據(jù)不同的故障原因進(jìn)而啟動(dòng)不同的模塊進(jìn)行系統(tǒng)的修復(fù)：1、液位過(guò)高或者過(guò)低，相應(yīng)地通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊啟停泵；2、系統(tǒng)溫度過(guò)高或者過(guò)低，相應(yīng)通過(guò)加熱模塊啟停加熱管；3、mbr膜通量過(guò)低，相應(yīng)通過(guò)閥控制模塊控制閥開(kāi)閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)mbr膜的反沖洗以提高通量。

所述外部顯示與控制模塊包括顯示屏、無(wú)線(xiàn)接收器和報(bào)警器。顯示屏用于系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的檢測(cè)以及運(yùn)行參數(shù)的輸入，通過(guò)主控模塊的故障診斷，顯示屏能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)故障原因并通過(guò)報(bào)警器和蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。顯示屏可通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收器與手機(jī)進(jìn)行相連，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制設(shè)備的運(yùn)行。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

1、基于stm32單片機(jī)的智能化船舶生活污水控制系統(tǒng)，選用了意法半導(dǎo)體的stm32f106zet6單片機(jī)作為主控，基于意法半導(dǎo)體獨(dú)有的130nm制造工藝，為實(shí)現(xiàn)超低的泄漏電流特性，在工作和睡眠模式下，energylitetm超低功耗技術(shù)可以最大限度提升能效。此外，該平臺(tái)的內(nèi)嵌閃存采用意法半導(dǎo)體獨(dú)有的低功耗閃存技術(shù)，能夠在任何設(shè)定時(shí)間以最低的功耗完成任務(wù)。對(duì)比目前市面上的船舶生活污水控制系統(tǒng)，功耗更低，更加節(jié)能。

2、基于stm32單片機(jī)的智能化船舶生活污水控制系統(tǒng)，選用的stm32電路的設(shè)計(jì)目的是以低電壓實(shí)現(xiàn)高性能，有效延長(zhǎng)電池供電設(shè)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(shù)字功能的最低工作電源電壓為1.65v，在電池電壓降低時(shí)，可以延長(zhǎng)電池供電設(shè)備的工作時(shí)間。對(duì)比與傳統(tǒng)的繼電器和plc控制，壽命大大增加。

3、基于stm32單片機(jī)的智能化船舶生活污水控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)新型船舶生活污水處理系統(tǒng)的效能評(píng)價(jià)與狀態(tài)預(yù)估，得到不同運(yùn)行時(shí)期的系統(tǒng)智能調(diào)控策略與不利條件下的系統(tǒng)救護(hù)方案。進(jìn)行不同控制策略下的裝置運(yùn)行過(guò)程診斷研究，在實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程中進(jìn)行效能評(píng)估，系統(tǒng)運(yùn)行不利條件下能夠自動(dòng)預(yù)警；

4、基于stm32單片機(jī)的智能化船舶生活污水控制系統(tǒng)，由于優(yōu)良的制造工藝，對(duì)比于市面上的船舶生活污水控制系統(tǒng)，體積更小，智能化程度更高。

5、基于stm32單片機(jī)的智能化船舶生活污水控制系統(tǒng)，對(duì)比于市面上的船舶生活污水控制系統(tǒng)，易于與機(jī)器學(xué)習(xí)等算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加智能化的故障診斷和預(yù)測(cè)。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的基于stm32單片機(jī)的新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的基于stm32單片機(jī)的新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)電源模塊電路圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的基于stm32單片機(jī)的新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)電流采集模塊電路圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的基于stm32單片機(jī)的新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)主控模塊電路圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的基于stm32單片機(jī)的新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)usb與串口模塊電路圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的基于stm32單片機(jī)的新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)外部驅(qū)動(dòng)模塊電路圖；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式間的任意合理組合。

具體實(shí)施方法：該新型智能化船舶生活污水處理系統(tǒng)用于對(duì)船舶生活污水處理裝置進(jìn)行控制，該系統(tǒng)包括：電源模塊、電流采集模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、外部驅(qū)動(dòng)模塊和外部顯示與輸入模塊傳感器；電源模塊用于輸出穩(wěn)定的電壓供整個(gè)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)；電流采集模塊將傳感器傳出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)以供ad轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)輸入；ad轉(zhuǎn)換模塊與電流采集模塊相連，用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理；主控模塊與ad轉(zhuǎn)換模塊相連，用于根據(jù)輸入的信號(hào)與預(yù)設(shè)值對(duì)比，進(jìn)而判斷是否有故障以及故障種類(lèi)；外部驅(qū)動(dòng)模塊與主控模塊相連，cpu判斷故障種類(lèi)后相應(yīng)對(duì)外部驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出信號(hào)，根據(jù)不同的故障原因進(jìn)而啟動(dòng)不同的模塊進(jìn)行系統(tǒng)的修復(fù)；外部顯示與輸入模塊與主控模塊相連，用于系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的檢測(cè)以及運(yùn)行參數(shù)的輸入。

所述電源模塊包括電壓轉(zhuǎn)換電路、電源濾波和電源指示燈；當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，sd6a1‐5(u4)將電壓從12v電壓轉(zhuǎn)換成5v輸出，再通過(guò)lm117(u3)將5v轉(zhuǎn)換成3.3v電壓。在每一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換時(shí)經(jīng)過(guò)c6、c7、c8、c9電容濾波，去除電容干擾，直至穩(wěn)定后，形成穩(wěn)定的輸出給單片機(jī)供電。

所述電流采集模塊包括外部傳感器和電流/電壓轉(zhuǎn)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(hào)i，經(jīng)r1/r1c轉(zhuǎn)化為i*100大小的電壓，opa2333運(yùn)放的輸入為高阻，其正相輸入端近似看做開(kāi)路，所以，其正相輸入端電壓也為i*100，為0.4v‐2v，運(yùn)放opa2333的放大倍數(shù)為a＝(r2+r4)/r4,若r1＝10kω，rf＝10kω，則a＝2；對(duì)于4－20ma的電流輸入信號(hào)，由a＝2可知，4－20ma的輸入電流對(duì)應(yīng)0.8－4v的輸出電壓信號(hào)。

所述ad轉(zhuǎn)換模塊包括stm32單片機(jī)自帶12位ad，用于獲取電流采集模塊中傳過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理。單片機(jī)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，采用了三種軟件濾波方式。第一種為限幅濾波又稱(chēng)粗大誤差剔除濾波，其原理是先求出相鄰采樣值的增量(絕對(duì)值)，再與兩次采樣間允許的最大差值δym進(jìn)行比較，若小于或等于δym，則取本次采樣值，否則把上次采樣值作為本次采樣值。即:若|yn-yn-1|<＝δym，取本次采樣值yn，若|yn-yn-1|>δym，取上次采樣值yn-1。式中yn，yn-1分別為本次和上次采樣值，δym為相鄰兩次采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(duì)采集的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行排序并去掉首尾的幾個(gè)數(shù)據(jù)，再對(duì)剩余的數(shù)據(jù)求平均。第三種為最小二乘法濾波，其原理是對(duì)于一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(ti,yi),(i＝1,2,3...,n)。當(dāng)n足夠大，即實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)足夠多，而且研究的對(duì)象是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)最小二乘法可以找出一個(gè)函數(shù)來(lái)真實(shí)地反應(yīng)研究對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。用來(lái)取代yi，得一組新的數(shù)據(jù)(ti,y′i),(i＝1,2,3...,n),其中在程序中我們把定義為一階函數(shù)，即

本發(fā)明中對(duì)傳感器方差的求解采用了三級(jí)軟件濾波，其實(shí)施方式如下：系統(tǒng)每5‐10秒(該時(shí)間由上位計(jì)算機(jī)設(shè)置)得到一個(gè)傳感器采集方差，每計(jì)算一個(gè)傳感器采集方差需要樣本數(shù)512個(gè)，而每一個(gè)樣本是由24個(gè)采集值經(jīng)過(guò)兩級(jí)濾波后得到的，第一級(jí)為粗大誤差剔除濾波，它的作用是剔除由各種干擾所產(chǎn)生的隨機(jī)脈沖信號(hào)；第二級(jí)為去極值平均濾波，它的作用是濾掉脈沖干擾的同時(shí)濾掉慢隨機(jī)起伏信號(hào)，其具體做法是將24個(gè)樣本數(shù)通過(guò)冒泡法排序，然后去掉最大的4個(gè)和最小的4個(gè)，最后對(duì)剩下的16個(gè)樣本求平均值。最后采用最小二乘法濾波對(duì)傳感器采集的512個(gè)樣本數(shù)進(jìn)行濾波。

所述外部驅(qū)動(dòng)模塊包括驅(qū)動(dòng)電路和外部驅(qū)動(dòng)，外部驅(qū)動(dòng)包括泵、加熱器和電磁閥。由cpu處理完的信號(hào)傳入到驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)中，首先先經(jīng)過(guò)光耦隔離，使被隔離的兩部分電路之間沒(méi)有電的直接連接，主要是防止因有電的連接而引起的干擾，特別是低壓的控制電路與外部高壓電路之間；光耦隔離后信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，一路固態(tài)繼電器經(jīng)由接觸器啟動(dòng)380v三相電機(jī)；同時(shí)，另外一路固態(tài)繼電器直接控制加熱器和電磁閥。根據(jù)不同的故障原因進(jìn)而啟動(dòng)不同的模塊進(jìn)行系統(tǒng)的修復(fù)：1、液位過(guò)高或者過(guò)低，相應(yīng)地通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊啟停泵；2、系統(tǒng)溫度過(guò)高或者過(guò)低，相應(yīng)通過(guò)加熱模塊啟停加熱管；3、mbr膜通量過(guò)低，相應(yīng)通過(guò)閥控制模塊控制閥開(kāi)閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)mbr膜的反沖洗以提高通量。

所述外部顯示與控制模塊包括顯示屏、無(wú)線(xiàn)接收器和報(bào)警器。顯示屏用于系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的檢測(cè)以及運(yùn)行參數(shù)的輸入，通過(guò)主控模塊的故障診斷，顯示屏能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)故障原因并通過(guò)報(bào)警器和蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。顯示屏可通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收器與手機(jī)進(jìn)行相連，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制設(shè)備的運(yùn)行。