基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

李傳寶　熊遠(yuǎn)生

摘要：在水位傳感器的螺栓初始位置調(diào)試過程中，需要精密的微壓源，為此設(shè)計了一個基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統(tǒng)。該微壓控制系統(tǒng)由與氣室氣路相連的風(fēng)壓變送器檢測氣室的壓力，STM32通過ADS1256采集風(fēng)壓變送器輸出的氣壓模擬量，當(dāng)檢測氣壓小于設(shè)定值時，控制氣泵向氣室充氣;當(dāng)檢測氣壓大于設(shè)定值時，采用PID控制比例閥使氣室向外界環(huán)境排氣。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的精密微壓控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好，能夠滿足水位傳感器螺栓初始位置調(diào)試的需求。

關(guān)鍵詞：氣壓控制;STM32;比例閥

0 引言

水位傳感器在洗衣機行業(yè)中廣泛使用，負(fù)責(zé)檢測洗衣機中水位的高低[1-2]。水位傳感器是通過將水位信號轉(zhuǎn)換成氣壓信號，氣壓推動膜片使電感量發(fā)生變化，從而使組成的CLC振蕩電路頻率發(fā)生變化，洗衣機控制主板通過檢測振蕩電路的頻率，進(jìn)而獲取水位的高低。在出廠檢測時，需要在一定的氣壓下使振蕩電路的輸出頻率維持在一定范圍內(nèi)，通常使用人工調(diào)整活塞改變氣室的大小控制氣壓，但是效率低，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。因此，本文設(shè)計了一種基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統(tǒng)，通過閉環(huán)控制使氣室內(nèi)的氣壓保持在設(shè)定氣壓上，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，滿足了大規(guī)模生產(chǎn)需求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，圖中粗線表示氣路，細(xì)線表示電路，與氣室氣路相連的風(fēng)壓變送器檢測氣室的壓力變送出4～20 mA的電流信號，經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓信號送給ADS1256信號處理模塊，STM32通過SPI接口與ADS1256信號處理模塊通信，獲取AD值，經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算后得到實際氣壓值。當(dāng)檢測氣壓小于設(shè)定值時，控制氣泵向氣室充氣;當(dāng)檢測氣壓大于設(shè)定值時，采用PID控制比例閥使氣室向外界環(huán)境排氣。氣室采用的是3口氣室，其中1口接氣泵，通過氣泵充氣;2口接比例閥，通過比例閥排氣;3口接風(fēng)壓變送器來采集信號，同時通過一個三通引出一個口來接水位傳感器，在實驗時為對比氣壓，此口接的是高精度壓力表。搭建的氣路實物圖如圖2所示。

2 硬件設(shè)計

2.1? ? ADS1256信號處理模塊

ADS1256是TI公司推出的一款高分辨率、無噪的24位A/D轉(zhuǎn)換器，該器件提供高達(dá)23 bit的無噪聲精度、高達(dá)30 kS/s的數(shù)據(jù)速率、0.001 0%的非線性特性（最大值）以及眾多的板上外設(shè)（輸入模擬多路開關(guān)、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波器等），可為設(shè)計人員帶來完整而高分辨率的量測解決方案[3]。

ADS1256具有3種輸入模式，分別為4路差分信號輸入、8路單端信號輸入，差分信號和單端信號混合輸入。本設(shè)計采用單端信號輸入，AINCOM作為輸入信號的公共端。

2.2? ? 光耦驅(qū)動電路

采用STM32的PWM輸出接口通過一個電阻連接三極管2N5551的基極，2N5551的集電極和發(fā)射機串聯(lián)在光耦PC817的原邊回路中，STM32通過PWM控制2N5551從而控制光耦PC817的通斷和光耦PC817的輸出去控制NPN型達(dá)林頓三極管TIP122，用TIP122控制氣泵和比例閥。

2.3? ? 氣泵

氣泵選用12 V供電電壓，7.5 W，是一個小體積、大流量的氣泵。最大流量可達(dá)1.5 L/min，滿足所需充氣的要求，氣泵的流量大小與所供給的電壓值大小有關(guān)。通過程序控制STM32的PWM輸出占空比，從而可以控制氣泵兩端電壓的大小，以此來控制氣泵充氣的流量。

2.4? ? 風(fēng)壓變送器

風(fēng)壓變送器是一種簡單、實用并且應(yīng)用廣泛的氣壓傳感器，主要用于風(fēng)速測量、醫(yī)療設(shè)備等。所選用的風(fēng)壓變送器參數(shù)如下：量程0～4 kPa;輸出4～20 mA;精度0.2%FS;供電DC24 V。風(fēng)壓變送器的4～20 mA信號經(jīng)過低溫漂、高精度250 Ω電阻變?yōu)?～5 V的電壓信號，并從ADS1256的AIN0輸入。STM32通過SPI接口連接ADS1256，配合程序?qū)崿F(xiàn)氣壓的測量。

2.5? ? 比例閥

比例閥采用SMC公司PVQ系列的小型比例控制閥PVQ13-6L-03-M5-A，6代表使用供電電源為DC12 V，L代表帶插頭連接器、帶引線，03代表孔口直徑為0.3 mm，最高使用壓力為0.7 MPa，M5代表帶底座且螺紋大小為M5×0.8。其部分規(guī)格參數(shù)表如表1所示。

通過程序采用PWM信號控制光耦PC817通斷，從而可以控制比例閥排氣的通斷時間，以此控制需要排氣的大小。

3 軟件設(shè)計

軟件程序流程圖如圖3所示，初始化部分完成端口配置等工作，啟動定時執(zhí)行定時運行控制算法，定時時間到進(jìn)行下一步，進(jìn)行AD采樣獲取氣室的實際氣壓值，計算設(shè)定值和實際氣壓值的差值，獲得誤差，運行PID控制計算控制量，根據(jù)控制量輸出控制氣泵和比例閥。

4 實驗

搭建的實驗實物圖如圖4所示，當(dāng)設(shè)定值為1 kPa、2 kPa及3 kPa時，穩(wěn)態(tài)誤差都小于3 Pa，圖中設(shè)置氣壓值為1.5 kPa，穩(wěn)定在1.498 kPa，誤差為2 Pa。

5 結(jié)語

該精密微壓控制系統(tǒng)主要為水位傳感器的螺栓初始位置調(diào)試提供精密的微壓源，主要由STM32、比例閥和氣泵構(gòu)成。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的精密微壓控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好，能夠滿足水位傳感器螺栓初始位置調(diào)試的需求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 扈剛，王延峰.諧振式水位傳感器[J].傳感器技術(shù)，2002，21（5）：22-23.

[2] 吳秋芹，惠晶.精密水位傳感器測試儀[J].機電工程技術(shù)，2009，38（5）：40-41.

[3] 譚淞.基于ADS1256的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].中國科技縱橫，2011（9）：91.

收稿日期：2021-09-03

作者簡介：李傳寶（2000—），男，山西晉中人，研究方向：氣壓控制。