STM32单片机在水电解制氢监测系统中的应用

左岐 祝环环 赵玉杰 王硕

摘 要：本文提出了一种基于STM32F103Z单片机和昆仑通泰触摸屏的水电解制氢监测系统，单片机作为下位机具有数据自动采集和处理功能，触摸屏作为上位机对数据进行实时监测，具有报警及异常数据存储功能。该系统具有体积小、功耗低、可移植性高等特点。

关键词：STM32单片机；电解水制氢；低功耗；触摸屏人机交互界面

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）02-0056-02

Application of STM32 Singlechip in Hydrogen Production by Water

Electrolysis Monitoring System

ZUO Qi，ZHU Huanhuan，ZHAO Yujie，WANG Shuo

（North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Abstract：This paper presents a water electrolysis hydrogen monitoring system of STM32F103Z MCU and touch screen based on the Kunlun Tongtai.As upper computerr， the MCU has the function of automatic data acquisition and processing.The touch screen is used as the host computer to monitor the data in real time.It has the function of alarm and abnormal data storage.The system has the characteristics of small size， low power consumption and high portability.

Keywords：STM32 single chip microcomputer；hydrogen production by water electrolysis；low power consumption；touch screen man-machine interface

0 引 言

氫在燃烧过程中无污染物产生，具有清洁、高效以及可再生等特点，被公认为未来最有潜力的能源载体。在工业上通常采用如下几种方法制取氢气：（1）将水蒸气通过灼热的焦炭，利用碳还原法得到纯度为75%左右的氢气；（2）将水蒸气通过灼热的铁，得到纯度约97%的氢气；（3）从水煤气中提取氢气，但这样得到的氢气纯度也较低；（4）电解水法制氢气，可得到纯度高达99%的氢气。

电解水制取氢气是目前常用的制取氢气的方式之一，制氢工艺过程中不产生污染物质，且制取的氢纯度更高，水电解制氢必将成为未来绿色制氢的核心技术，因此改善这个工艺过程中的各种参数监测和控制系统、提高制氢效率、降低系统消耗对于发展水电解制氢具有重大意义。

1 水电解制氢的工艺流程及相关参数的测量

1.1 制氢工艺流程

电解水制氢的工艺过程，首先将自来水经过净化装置制成纯净水，纯净水通过给水泵进入装有电解液的电解槽，然后在直流电的作用下进行电解。电解产生氢气和氧气，经由电解槽出来的氢气和氧气分别进入氢气气水分离罐、氧气气水分离罐。电解槽产生的气体通常带有电解液等水分，必须进行分离处理。分离后的氢气和氧气经过洗涤、冷却、干燥等处理后再进入储气罐，获得高纯度氢气和氧气。制氢工艺主要是获得氢气，产生的氧气可以视情况进行处理，可以进行收集，也可以排空放掉。制氢工艺过程如图1所示。

图1 制氢工艺

1.2 工艺参数的测量

（1）温度测量：电解过程中随着氢气和氧气的产生，电解槽系统温度会逐渐升高。若电解槽温度超过90℃，槽内石棉隔膜的寿命就会大幅度缩短；若系统温度过低又会影响电解效率，因此需要对系统温度进行测量，并将该温度控制在80～90℃的范围内。（2）压力测量：电解过程中的电解槽、储气罐、管道等均处在一定压力下进行工作，系统压力影响系统的安全。通过对电解槽、气水分离罐、氢气冷却罐压力、储气罐、压力管道等设备的压力进行测量，控制压力阀的开度来调节氢气流量、氧气流量的大小，同时控制系统高频电源、循环泵、冷却泵和冷却风扇的工作状态。（3）差压测量：若氢、氧两侧的压力不平衡，就会造成氢氧气相互渗透，形成爆炸气体，因此需要对氢氧气水分离罐的差压进行测量。此外，电解过程中，随着氢气和氧气的产生，氢气、氧气气水分离罐内的液位逐渐下降，需要不断地补水，因此需要对氢气氧气气水分离罐内的液位进行测量。

2 硬件电路设计

2.1 主控芯片

STM32系列单片机是专门为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核。它的集成度更高、运行速度更快，时钟频率可达72MHz。其内部集成了3个12位模数转换器，可实现1μs的转换时间，满足工程上多通道采集的需要。因此，选用STM32F103ZETT6作为电解水制氢系统的主控MCU芯片。

2.2 电源电压转换电路

系统主电源为5VDC，本设计中单片机和存储芯片等多款芯片均需3.3V供电，因此需将5V转换为3.3V。

5V转3.3V选用AMS1117-3.3，它是一个正向低压差稳压器，在1A电流下电压降为1.2V，1%的精度，具有限流和过热切断功能，温度范围为-40℃～125℃。为确保AMS1117的稳定性，输出需要连接一个至少22μF的钽电容。5V转3.3V电压转换原理图如图2所示。

3.3 数据采集电路

电解过程中要求的温度范围在0～90℃，同时要求保留一位小数。DS18B20测温范围为-55～+125℃，可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、 0.25℃、0.125℃和0.0625℃，同时具有与单片机的接口简单，体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，数字信号输出等优点，故采用DS18B20对温度进行测量。

由于压力、差压、液位、流量传感器输出的信号均为标准的4～20mA模拟信号，只需将电流信号转换为电压信号以供单片机采集。因单片机参考电压为3.3V，需通过165欧电阻将4～20mA转化为0.66～3.3V。

3 数据采集软件设计

本系统中数据检测的关键是模拟量的ADC与DMA的配置。需要配置相关寄存器，使ADC能够工作在多通道模式并通过DMA进行数据转移，即将数据从ADC数据寄存器中自动搬运至指定地址缓存区。在完成数据采集之后，对采集的数据进行数据处理，进行各种运算。本系统中采用去极值平均的算法对每个采样点进行数据处理，得到具有高可靠性的参数值。数据处理部分采用算术平均滤波算法，该算法的基本原理简单，即连续取N次采样值后进行算术平均。与其他算法相比，易实现且灵敏度较高，每次采集显示约为十几微妙，较为迅速，能够满足工程中实时监测的要求。

综上所述，利用传感器并结合单片机对压力、液位、流量等信号进行采集，通过单片机内部集成的ADC进行模数转换，然后对数据进行处理。DS18B20直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，处理后的数据通过RS485通信传送到触摸屏显示。

4 触摸屏及显示系统

昆仑通态触摸屏是众多工业触摸屏之一，是高性能的嵌入式一体化触摸屏，在工业上广泛应用于PLC、单片机控制的系统，具有较高的工作能力，并且相对稳定。

MCGS是昆侖通态公司研发的一套基于Windows平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要用来完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。通过MCGS组态软件，进行相关显示界面的设计。触摸屏显示的界面主要有：登录界面、状态显示、实时曲线、历史曲线、数据存盘、报警显示和报警存盘等。

5 结 论

以STM32单片机为核心的监测系统，对模拟信号进行调理后可模拟实现对电解水工程工艺的多路数据采集和处理。当电压改变后，实时曲线可随之变化，每次采集显示约为十几微妙，较为迅速，能够满足工程要求。

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