基于STM32和热电材料的温差发电系统的设计

作者/张加乐、王顺、吴亚联，湘潭大学信息工程学院；刘旋，湘潭大学物理与光电工程学院；罗志全，湘潭大学兴湘学院

引言

能源是支撑人类文明进步的物质基础，是现代社会发展不可或缺的基本条件。随着能源危机的加重和环境问题的不断出现，各国政府开始积极调整能源结构，重视可再生清洁能源以及绿色能源转换技术的开发。在中国实现现代化和全体人民共同富裕的进程中，能源始终是一个重大战略问题。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》提出：到 2015年，中国非化石能源占一次能源消费比重达到 11.4%。中国政府承诺， 到2020年非化石能源占一次能源消费比重将达到15%左右[1]。

转变能源消费结构，提高能源利用率是十分必要的。基于此，本文提出了基于热电材料塞贝克效应的温差发电系统设计方法。

1.系统功能分析与总体设计

1.1 系统功能分析

基于热电材料塞贝克效应的温差发电系统主要实现以下功能：

①温差发电：热电材料通过高低温端间的温差完成将高温端输入的热能直接转换成电能的过程[2]。

②温度监控：实时监控热端和冷端的温度值，计算温差并显示在上位机上。

③发电状态显示：通过温差发电上位机显示输出电压曲线，冷热端温度曲线，温差曲线。

④数据分析与存储：利用温差发电上位机对数据进行数据分析，计算得出热能转换成电能的效率，并将数据存入excel表格，便于系统分析及改进。

⑤自动化监控：通过主控制器完成对所有模块的控制，形成闭环系统，可设定温差发电系统的自动工作，对比实际利用工业冶钢余热发电时，当温差超过某一阈值系统自动启动，实现余热废热的最大利用率，若冷源温度高于阀值致使温差较低，则触发报警关闭设备。

⑥身份识别：当出现异常情况时，报警装置报警。管理员通过身份验证后才可对系统进行控制。

1.2 系统总体框架设计

在温差发电系统的实际运行中，由发电片、散热片及转换装置构成电能产生系统，系统的主控装置控制系统的通信和自动化运行，工作人员可实时查看系统工作状态并对可能的异常情况及时处理。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.硬件模块选型与设计

2.1 主控制器

本系统的主控制器选用的是ST公司的STM32F103系列芯片。该芯片基于ARM Cortex–M3 32位的RISC内核,工作频率最高可达72 MHz,内置高速存储器(64 KB的闪存和20 KB的SRAM),丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。STM32系列提供了全新的32位产品选项,结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性,同时保持了高集成度和易于开发的优势,将32位MCU世界的性能和功效引向一个新的级别世界的性能和功效引向一个新的级别[3]。STM32负责处理对传感器采集到的温度、电压并与上位机交互进行信息传递，以及负责人机交互界面TFT液晶屏的显示等。

2.2 温差发电部分

2.2.1 热传导模块

温差发电的原理是利用塞贝克效应将热能直接转换为电能。本系统选用SP1848–27145半导体温差发电片。将多块温差发电片通过串并联的方式放置在铝合金散热片中间，上下两部分散热片分别置于热源（模拟工厂低品热）与冷源（水冷系统）中，将发电片红色线接正极，黑色线接负极，两端有温差时既可发电。温差片串并联能提高电压电流输出能力。实物图如图2所示。

图2 SP1848实物图

2.2.2 稳压模块由于测试时水温波动等因素会导致发电片输出电压不稳定，为保证所接负载正常工作，接入稳压模块LM2596稳定输出电压。

2.3 实时监控模块

2.3.1 温度监控模块

在热源和冷源中分别放置LM35DZ温度传感器，监测温度值，其输出电压与摄氏温标呈线性关系[4]，转换关系为：0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV，即0～100℃温度输入对应0～1V电压输出。

2.3.2 串口屏显示模块

工作人员通过串口触摸屏设计界面控制冷热源阀门的开关以控制温差发电系统运行/停止，设置一系列系统工作参数，查看当前冷热源温差，发电片输出电压，转换效率等。

2.3.3 报警模块

当热源温度过低、冷源温度持续上升超过阈值等异常情况时启动蜂鸣器，通知相应工作人员。

2.3.4 身份识别模块

使用RFID技术[5]，当出现异常报警时，管理员进行RFID管理员身份验证后可通过串口屏进行设备的开闭操作，以进行合理的排障维修。

3.软件设计及实现

3.1 系统初始化

系统初始化主要完成堆栈设置，定时器的设置，串口设置等，然后根据需求调用相应的功能，如启动温差发电，异常报警等。其软件流程图如图3所示。

3.2 LM35DZ温度传感器程序设计

为测定热源和冷源的温度，计算温差和相应的热能转换效率，采用LM35DZ温度传感器防水探头。LM35DZ测温范围是0～100℃，采用塑料封装TO992，无需校准，且无散热问题，具有良好的防水性能和精度。程序流程图如图4所示。

图3 系统软件流程图

图4 LM35DZ程序流程图

3.3 串口屏程序设计

工作人员通过串口触摸屏设计界面控制冷热源阀门的开关以控制温差发电系统。其程序流程图如图5所示。

3.4 报警模块程序设计

当出现热源温度过低、冷源温度持续上升超过阈值、输出电压极低等异常情况时启动蜂鸣器报警通知相应工作人员。程序流程图如图6所示。

图5 串口屏程序流程图

图6 报警模块程序流程图

3.5 RFID身份验证程序设计

异常情况报警时，管理员进行RFID身份验证后通过串口屏对设备进行操作及故障处理。程序设计流程图如图7所示。

图7 身份识别程序流程图

3.6 上位机界面设计

温差发电系统上位机端接收有下位机采集的温差发电电压等相关信息并将其处理储存，通过波形图表实时显示状态，直观的显现当前温差发电系统的各种状况。通过Active接口技术将采集的数据进行EXCEL数据报表实时储存以备数据分析以便于改进温差发电系统的构造，从而提高发电效率。利用LABVIEW进行开发[6–7]，结合微软ACTIVEX技术。上位机程序框图如图8所示，EXCEL数据报表如图9所示。

图8 上位机界面示意图

图9 EXCEL数据报表

4.系统测试

系统测试中，在60℃温差下本发电系统设备可产生4～5V电压，最优负载情况下的电流为540mA左右，带负载运行正常，发电设备发电有效；可成功通过RFID身份验证识别后进行发电设备的开闭；下位机运行正常，TFT实时显示数据正常，数据曲线清晰、直观，时钟显示正确，时间可调；上位机部分登录正常，语音播报正常，数据握手成功，波形显示直观正确，EXCEL表格自动化生成正常，记录储存数据功能正常，自动生成的数据曲线直观、方便。系统测试如图10所示。

图10 系统测试图

5.结语

温差发电技术作为新兴的发电技术处于不断的发展中，本系统结合电子测控相关技术，设计了一套温差发电配套的检测系统，使其具备了物联，易控，数据快速记录的特点。RFID身份识别防止对温差发电系统的误操作，温度电压数据异常时产生警告，上位机界面波形图表实时展现温差发电系统运行状态，实时记录的温差发电数据便于处理分析及研究使用。

随着温差发电材料的优值不断提高，结合电子测控系统实现温差发电设备进行热回收将会逐步发展并逐步推广到实际的生产生活中。

* [1] 国务院新闻办发布《中国的能源政策(2012)》白皮书[A].《电站信息》,2012（11）.

* [2]赵建云,朱冬生,周泽广,王长宏,陈宏. 温差发电技术的研究进展及现状[J].电源技术,2010,(03)∶310—313.

* [3]孙书鹰,陈志佳,寇超. 新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用,2010,(12)∶59—63.

* [4]杨恒新,鲁翠侠. 简易数字化温度测量仪的设计与实现[J].电子工程师 ,2007,(09)∶18—20+52.

* [5]李卓徽. 基于RFID的人员身份识别及定位系统研制[J].计算机测量与控制 ,2012,(08)∶2281—2284.

* [6] Robert H.Bishop著，乔瑞萍，林欣等译.LabVIEW6i实用教程[M]，电子工业出版社,2001.7

* [7] 杨乐平，李海涛等. LabVIEW高级程序设计[M]，清华大学出版社，2003,4∶42～50.