基于STM32的雨水发电测量装置设计

张乾 王飞 杜向阳

摘  要： 为了实现在晴天的时候可以模拟雨天雨水从楼顶下落时的情景，同时记录雨水所能产生电压的大小，设计了一个基于STM32单片机的雨水发电测量装置实验平台。实验平台通过滚珠丝杠机构装置调整雨水下落的高度;利用AS-136液位变送器将所采集到的水压信号经RS485通讯传送到STM32单片机上;利用ADC0808将发电机电压传送到STM32上的LCD液晶显示屏上显示;利用矩阵键盘来控制液晶显示屏上显示的是发电机的电压还是所测量水压的值;根据测量水压的大小，通过光电耦合器控制继电器的开关，从而达到控制电动机的停转。实验表明：此套装置可以模拟雨天雨水从楼上降落的过程，并可以调整雨水落下的高度，对探究雨水发电的可行性及稳定性做了分析。研究对开发新能源测量装置有借鉴意义。

关键词： 雨水发电测量;滚珠丝杠机构;ADC0808电压测量;水位控制

中图分类号： TP23    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.018

本文著录格式：张乾，王飞，杜向阳. 基于STM32的雨水发电测量装置设计[J]. 软件，2019，40（5）：9397

【Abstract】： In order to simulate the situation of rain water falling from the upper floor in sunny days and record the power generated by rain water， an experimental platform of rain power generation. Measurement based on STM32 single chip microcomputer was designed. The experimental platform adjusts the height of rain water falling through the ball screw mechanism， the water pressure signal is collected by AS-136 level transmitter， the signal is transferred to STM32 through digital-to-analogue conversion; ADC0808 is used to transfer the voltage of small motor to the single chip display; the keyboard controls whether the voltage of the generator or measured water pressure is displayed on the LCD screen; according to the measurement of water pressure， through the photoelectric couple control relay switch， so that to control the motor open or close .Experiments show that this device can simulate rain falling from the upper floor in rainy days and adjust the height of rain falling， the feasibility and stability of rainwater power generation are analyzed. The research can be used for reference in developing new energy measuring devices.

【Key words】： Rain power generation survey; Ball screw mechanism; ADC0808 voltage measurement; Water level control

0  引言

隨着城市化进程的发展，电力的供应对于城市化进程的发展显现出重要的作用。人民生活的改善，工业的发展，对电能的需求量变的越来越大，虽然国家进行了西电东送的工程，但是却忽略了东部沿海地区所存在的大量的雨水能源。所以，利用下落的雨水的势能增加电能的提供途径，是目前社会的一个趋势。徐苏荣提出了超高层建筑雨水资源利用水力发电的总体架构设计[1];刘志伟也对雨水收集反馈发电系统的收集装置进行了研究[2];罗洋也对高层公共建筑屋面雨水高效综合利用系统进行了研究[3]。到目前为止，人们对雨水发电的装置进行了研究，但是这些装置由于都是用固定容器收集其所需要的水资源，这就造成了固定容器在储存雨水的时候，会造成楼的重心偏高，增加了楼层的负担。而且，因为没有专门测量雨水下落时所能够产生的电压，因此设计了一套实验装置，对高层雨水发电进行验证性分析，便于以后的推广和应用。

1  总体设计

雨水发电测量装置是由工作实验平台和控制部分以及龙门吊、发电机及扇叶、电动机、两个盛水装置及排水管等组成。控制部分是由STM32单片机，AS-136投入式液位变送器，LCD液晶显示模块，按键模块，以LM7812芯片为核心的电压变换模块，以TCP521-1光电耦合器为核心的电机驱动模块和以AD0808芯片为核心的电压测量模块组成[4-6]。

通过龙门吊将盛水装置1提高到一定的高度，利用硬质排水管将盛水装置1中的水从高处引下来，通过AS-136液位变送器测量水压信号，经STM32单片机处理后，控制电动机是否从盛水装置2中抽水。将发电机所得到的电压通过AD0808芯片输送到LCD显示单元上显示，并通过矩阵键盘切换显示。同时，通过工作实验平台来改变硬质管出口处水流下落的不同高度以及扇叶距水流的中心距离。

2  工作实验平台机构设计

为了能控制从硬质排水管落下来的水距离发电机扇叶的高度，以及控制扇叶中心距水流的中心的距离。因此，设计了如下图图1所示的实验平台，实验平台由支撑平台、滚珠丝杆、肋板、底座等几部分构成。在工作实验平台设计中采用支撑平台来固定排水管的高度和调整排水管的位置。要探究雨水下落高度对发电电压的影响，采用了滚珠丝杠的结构，这种结构的特点是刚度好[7]。为了加强支撑平台的刚度，采用了肋板结构对其进行加强。同时，底座为发电机的放置提供了一个良好的场所。

3  控制系统硬件设计

系统采用STM32F103为控制单元对系统进行控制。通过电压变换电路驱动AS-136投入式液位变送器能够进行进行正常的工作。将AS-136投入式液位变送器采集到的信号，经过MAX485芯片转换，将采集到的信号输入到单片机进行处理。当测量所得的压强值大于预设的压强，单片机驱动光电耦合器，使继电器断开，从而停止电动机的工作;当水位低于预期值时，单片机驱动光电耦合器，使继电器打开，从而使电动机开始工作[8]。当水从盛水装置1下落的时候，会驱动扇叶的转动，从而使发电机产生连续的电压。使用STM32F103自带的ADC调理电路，其所能测得的电压值范围为0～3.3V之间，但是根据DIY发电机商家所提供的资料，其发电机所能够产生的电压值范围为0～5V左右。使用电压传感器和电压跟随器组成的电路测量电压的话，会导致电路变的复杂，ADC0808的测量范围是0～5V之间，因此采用ADC0808符合测量的需要。其控制系统硬件设计如下图2所示。

3.1  电压变换电路

使用AS-136投入式液位变送器时，AS-136投入式液位变送器可以输出电压信号、电流信号和符合RS485的信號。但是由于输出的电压（0～10V）、电流值（4～20 mA），超出了STM32单片机能够承受的最大电压（0～5 V）和电流（5～+5 mA），因此采用RS485这种输出信号的方式，并且RS-485具有通讯速度快、抗干扰距离长、通讯距离远等特点[9]。AS-136能够在12～36 V的直流电压下进行正常的工作，但获取20.2 V的直流电压比较简单，因此选取20.2 V直流电压为其工作电压。在设计电压变换电路时用到了LM7812稳压集成模块，LM7812的稳压值为12 V，但其稳压值是相对于地而言的，IN4738的稳压值是8.2 V左右，选用IN4738和稳压集成块的地端连接起来，在没有损耗的条件下，Vout的输出电压是20.2 V。LM7812的电流驱动能力比较弱，在Vout输出端，放置一个三极管，增加其电流放大的能力。在后续电路中，加上电容C3和C4对要输出的电压滤波保护。为了保护电源，在后面加入二极管和热保险丝组成反接保护电路，当电源反接时，电流经过二极管和保险丝返回，被保护电流即负载端不会有反向电流的存在，其电压变换电路如图3所示[10]。

3.2  电动机驱动模块

在搭建实验设计平台的时候，由于要用到从下水管道中下来的水。如果等到下雨天做实验的话，实验会变的很不方便，因此，采用了电动机抽水来补充其中所缺少的雨水。当AS-136投入式液位变送器测水压低于额定的值时，控制器通过控制继电器驱动电动机工作;当水压高于额定的值时，电动机停止抽水。在实验过程中，为了简化电路设计为了，使STM32单片机与继电器部分完全隔离，增加电路的安全性，且TLP521-1光电耦合器在市场中容易获得，因此选用它做电动机驱动模块的核心部分。TLP521-1的LED的正向电流为20mA，采用了5V的直流电源为其供电为：

在市面上没有250欧姆的电阻，用270欧姆的电阻来替代是可以行的通的。在光电耦合器的接收侧，其是一个低速开关驱动电路，继电器工作需要较大的工作电流，后面接一个三极管[11]，可以增加其驱动电流的大小。三极管通过产生电流驱动继电器工作。根据经验选择R3的电阻值为1.1 K，R2电阻为10 K，在此时可以提供较大的电流从而驱动继电器的工作。继电器在断开和关闭的时候会产生一个反感应电动势，加上一个二极管可以释放继电器工作时候产生的感应电压。其的结构如图4所示。

3.3  电压测量模块

根据DIY商家所提供的数据，发电机的工作电压维持在0～5 V之间。如果采用STM32F103自带的模数转化（0～3.3 V），则会把单片机烧毁。因为STM32F103有较多的I/O引脚，且ADC0808芯片的工作范围为0～5V。因此选用ADC0808芯片，将所测的电压输送到STM32单片机进行处理[12]。因为ADDA、ADDB、ADDC的引脚都是连接在地上的，这就是IN0在工作，将发电机的正极连接在IN0，负极连接在GND上，就可以测量电压值的大小。其电压测量模块如图5所示。

3.4  水压测量软件设计

水压测量是利用AS-136通过传感器来测量压力源的值，然后通过压力处理电路把其所测的值通过RS-485的RTU模式输出给STM32F103进行处理。首先设定系统水压的取值范围;然后通过STM32F103发送传感器通讯地址，AS-136回复，进而得到AS-136输出传感器的数据值。因为AS-136所输出的值是16位的，所以需要对数据输出值进行转换为十进制的，并且根据AS-136所规定0～2000所对应的是0～1.6 MPa将所得到的十进制的数值乘以0.008得到水压值。通过测量得到的水压值和系统设置的取值范围进行对比，从而控制继电器的通断。

4  实验与分析

根据所搭建的实验平台，对不同高度下来的水流进行分析。记录的数据如表1所示。

5  结语

实验研究了对雨水发电测量装置的机构设计，水压采集，驱动电机等方面做了研究，并对系统的软硬件进行了测试，从而使其能够正常的工作。实验数据显示：当雨水高度从高于某一特定的高度下落的时候，电压提升会变的很小。实验解决了在没有雨的时候也可以进行雨水测试。这为以后新能源技术的发展打下了一个坚实的基础。在实验中，由于制造扇叶的成本过高，所以采用的是在市场上买来的扇叶，在以后的研究中，可以通过优化扇叶的形状使其的发电效率更加的高效，同时也可以提高同轴度，使实验的误差更加的少。在实验过程中，可以看到当扇叶中心距水流距离5cm时从35cm～55cm下落时电压的线性度比较好，当扇叶中心距水流距离6cm时35cm～45cm下落时电压的线性度比较好，在后续的研究中，可以考虑将所发的电通过升压滤波将其并入网中。

参考文献

[1] 徐苏容， 周科， 王学超. 超高层楼房雨水资源水力发电系统设计研究[J]. 水电能源科学， 2018（3）.

[2] 刘志伟， 陶宇飞. 雨水收集反馈发电系统研究[J]. 绿色科技， 2015（07）： 274-275.

[3] 罗洋， 饶尚. 高层公共建筑屋面雨水高效综合利用系统[J]. 煤气与热力， 2016， 36（04）： 11-16.

[4] 曹延超. 基于STM32 的四旋翼飞行器姿态测量系统设计[J]. 软件， 2015， 36（1）： 104-109

[5] 丁月林. 基于STM32 的低功耗温湿度采集器实现[J]. 软件， 2015， 36（5）： 84-88

[6] 杨彦伟， 雒志秀， 郑肖宇， 等. 基于STM32 芯片的楼宇火灾远程自动报警系统[J]. 软件， 2015， 36（8）： 117-120

[7] 王希强， 蔡素文， 余向阳. 船闸闸门滚珠丝杆传动式启闭机的运动及受力分析[J]. 水运工程， 2012（11）： 165-168.

[8] 张晓军， 王少平， 叶铭铭， 等. 基于多传感器水流量识别的节水循环控制系统[J]. 计算机与数字工程， 2018， 46（05）： 1038-1042.

[9] 刘喜增， 金湘亮. RS485总线信号反射分析及传感器采集系统设计[J]. 仪表技术与传感器， 2017（05）： 53-56.

[10] 田智文. 一种带有保护电路的直流稳压电源的设计[D]. 西安电子科技大学， 2011.

[11] 王凌云， 徐轻尘， 宋亮. 基于三极管的倍频器研究[J]. 电子设计工程， 2017， 25（17）： 78-80.

[12] 周润景， 刘波. Altium Designer电路设计20例详解[M]. 北京： 北京航空航天出版社， 2017， 4.