基于STM8S103的壓力控制器設計

肖永松

（江南大學 物聯網工程學院，無錫 214122）

壓力作為工業生產過程中的重要參數之一，其檢測和控制方法歷來受到科研和工程技術人員的高度重視。在不同行業背景以及不同的使用環境和條件下的壓力控制，只有為其匹配合適的測控儀器和方法才能以比較經濟的方式得到良好的控制效果。

壓力傳感器根據工作原理的不同可以分為應變式、壓阻式、電容式等多種，本控制器以陶瓷壓阻壓力傳感器為壓力信號檢測器件展開設計。陶瓷壓力傳感器壓力輸出毫伏級別的微弱電信號，然后經過調理放大電路處理后得到一個4～20 mA模擬信號或者直接得到數字信號再傳輸給控制器轉換得到。較常見的壓力控制系統中一般采用壓力變送器獲取壓力信號，然后結合控制目標由PLC對壓力數據進行處理并驅動執行機構如變頻器、電機等設備對目標壓力進行調節，同時采用觸摸屏作為人機交互界面[1]，或者基于ARM芯片自行設計控制器配合外圍的信號采集和驅動設備構建控制系統[2]。對于控制要求相對較高的應用場合，上述控制方案中再配備合適的調節算法一般都能獲得良好的控制效果。對于控制要求相對不高且對成本比較敏感的應用場合則需要有性價比更高，使用便捷的小型壓力控制器來進行控制。

本方案將設計一款具有優良性價比特性的智能壓力控制器以滿足小范圍內管道壓力保持在一定范圍之內的自動控制需求。

1 系統設計

控制器選用STM8S103F3P6作為控制核心，此處理器內部有8 KB程序存儲器，640 B的數據E2PROM，1 KB RAM，并且集成有10位ADC，3個定時器，SPI，UART和I2C等眾多內置外設，是一款性價比優勢非常突出的8位16 MHz單片機。圍繞主控制器設計的外圍電路主要由電源模塊、壓力傳感器信號的調理模塊、輸入和顯示輸出模塊以及控制輸出模塊4個部分組成，控制器的結構框圖如圖1表示。

圖1 控制器結構Fig.1 Structure frame of controller

1.1 電源模塊電路設計

控制器要在復雜外部條件下具有良好的適用性，穩定可靠的電源模塊設計是重要的先決條件之一。一般工業現場使用的控制器電源模塊應具備的基本性能包括防電源接反、防超壓、防浪涌等，基于此要求設計的具體電路如圖2所示。

圖2 控制器電源模塊電路Fig.2 Circuit of power module

圖2中輸入電壓是由控制器外部提供的24 V直流電壓，在輸入端串接二極管D5和D12防止電源反接，為進一步減小干擾，在穩壓芯片LM2575S-5之前再用一個共模電感進行濾波，得到穩定的5 V電壓給單片機和壓力傳感器供電，輸入的24 V直流電壓同時還將作為輸出驅動部分的場效應晶體管的驅動電壓用來驅動繼電器從而控制電機或者電磁閥等壓力調節設備。

1.2 傳感器信號調理電路設計

常見的壓力傳感器有陶瓷、擴散硅、電容式以及金屬應變片式等多種類型，雖然它們在原理和結構上相互之間相差較大，但有一個共同特點就是輸出的都是微弱電壓信號，此信號在被采用之前須經過調理放大才能傳輸給控制器使用[3]。文獻[4]中設計的壓力變送器選擇的是儀表放大器AD627對傳感器信號進行放大調理，儀表運放的優良性能也是眾多壓力控制器和變送器在設計調理電路時的首選，但是其價格相對偏高。本方案選擇采用一款專門用于傳感器信號調理的芯片JHM-1101來調理傳感器信號。

JHM-1101是一款針對橋式傳感器信號設計的高精度模數轉換器，數字輸出時最高可達到±0.1%FSO的精度，內置有自動溫度補償傳感電路，可通過單線方式輸出軌到軌模擬電壓、0～1 V模擬電壓、數字輸出和PWM信號，單片機可以很便捷地獲取到準確測量的結果，基于此設計的信號調理電路如圖3所示。

圖3 信號調理電路Fig.3 Circuit of signal modulation

圖3中所示JHM-1101的SO引腳是其完成與外部所有信息交換的單線接口，通過自定義的單線接口協議可以完成對芯片工作模式的設置、讀寫一次性可編程存儲器OTP、讀寫內部寄存器、讀取ADC轉換數據等功能。芯片可以分別工作于設置模式和正常工作模式，在設置模式下可以通過與其配套的軟件方便完成所有的校準和設置工作，在正常工作模式下則連續地完成對傳感器信號進行采集、轉換、校準以及輸出的一系列任務。

本設計方案中，將通過對OTP第4字節的Bit7～Bit5（Output select［2：0］）進行設置，將輸出的信號設定為數字信號以供微處理器直接使用，省去了額外的硬件電路設計。

1.3 輸入和顯示輸出電路設計

良好的人機交互設計是控制器最終能得到用戶認可的關鍵因素之一，通過對其基本功能的需求分析，確定由4位8段數碼管來顯示壓力值以及設定壓力上下限等參數值，4個LED指示燈用于顯示不同的工作狀態以及不同壓力單位的指示，同時采用“功能鍵”、“增加”、“減少”以及“確定”4 個按鍵作為輸入用來設定系統參數，如果直接采用主控制器的GPIO來驅動上述輸出以及檢測按鍵將要求主控芯片至少分配20個GPIO用于按鍵輸入和顯示輸出模塊。在考慮到控制器使用便捷性的同時又兼顧較高性價比要求下，本方案選擇采用帶鍵盤掃描接口的LED驅動控制專用芯片TM1668來設計輸入和輸出顯示部分的電路。最終主控制器僅需分配3個GPIO給此芯片即可完成所有的按鍵輸入檢測和顯示輸出，為主控制器節省大量資源的同時也極大簡化了整體硬件電路，可有效提升控制器的抗干擾性和穩定性，此外也有助于控制器的小型化。

1.4 控制輸出電路設計

本控制器主要依靠控制電機轉速或者電動調節閥的開度來實現對管道內壓力的調節。控制器和執行機構之間的隔離由固態繼電器來實現，對固態繼電器的驅動電路設計如圖4所示。

圖4 輸出驅動電路Fig.4 Circuit of output driver

測量得到的實時壓力值與控制目標進行比較運算后，得到相應的輸出控制信號OUT，通過光耦PC817實現強弱電信號隔離后再采用場效應晶體管MJD122驅動固態繼電器來控制壓力調節設備。

2 系統軟件設計

由于硬件設計上在信號處理以及按鍵輸入和輸出顯示方面合理選用了JHM-1101和TM1668兩片專用芯片，對壓力信號的采樣和AD轉換過程以及數碼管的顯示輸出均只需通過串行方式對專用芯片讀寫，從而為系統軟件設計帶來極大的便捷，整個系統軟件只需簡單的幾個子功能模塊即可實現控制任務，其主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程Fig.5 Flow chart of main program

圖5中所示初始化過程主要完成I/O口初始化、信號調理芯片JHM-1101初始化、定時器TIM4的初始化、顯示模塊初始化以及從片內E2PROM中加載系統參數等任務，隨后將重復地順序執行按鍵掃描檢測以及壓力測量和控制輸出等一系列動作。

控制器的按鍵通過不同按鍵組合分別實現啟/停、設置控制上下限、單位切換、零位清零等基本功能，另外再設計通過長按功能鍵實現對系統功能模式的設置，從而實現不同控制方法之間的切換、開機自檢啟/停、自動檢壓開/關、超壓自檢開/關、控制延時開/關、參數保護開/關等功能。

針對不同的應用需求，控制器內置2種基本的控制策略，分別是雙位控制和常規的PID控制。雙位控制策略適用于被控壓力變化相對緩慢且目標壓力允許在一定范圍內波動的應用場合，其控制思路是以控制器設定的上下限為觸發點，當壓力由低到高并超過上限值時關閉增壓設備（如水泵、風機等），隨著設備停機壓力降低直至小于下限值時再開啟增壓設備。PID控制方式則適用于壓力控制精度相對較高并且壓力調節設備處于連續運行或允許頻繁啟停的場合。PID控制作為工控領域應用最廣泛的控制方法，常規的PID及其改進算法在壓力控制方面的應用研究成果也能在眾多學術刊物上見到，例如改進型增量 PID[5]，模糊 PID[1，6]等算法在對壓力的控制方面均能取得不錯的控制效果，另外針對各種不同的應用環境和條件還不斷有一些改進型的智能PID控制算法被提出并逐步的從仿真走向實際的應用。由于本控制器是基于高性價比、控制要求并不特別高的目標進行設計，因此僅內置常規的增量式和位置式數字PID控制方法，具體算法的表述比較常見，在此不再贅述。

3 結語

本設計選用了性價比表現特別突出的STM8S103作為控制器的主控芯片，通過合理選擇壓力信號調理芯片以及顯示輸出驅動芯片，有效簡化了功能模塊電路設計的同時提高了系統的集成度，控制器的尺寸大小也能夠得到有效控制。配合陶瓷壓力傳感器對管道內水壓進行控制測試的結果表明控制器工作穩定可靠，操作便捷，人機交互性能良好，能夠將壓力有效控制在設定范圍之內。

[1]齊繼陽，孟洋，李金燕，等.模糊PID在恒壓供水控制系統中的應用[J].自動化與儀表，2015，30（3）：44-47.

[2]蔡新崗，陳紅勛.基于STM32的智能水泵控制器設計[J].儀表技術，2009（4）：53-54.

[3]熊志華.基于ARM的壓力檢測系統的研究[D].西安科技大學，2009.

[4]岳佳杰，劉克虎，周杏鵬.基于CAN總線的智能壓力變送器[J].儀表技術與傳感器，2012（1）：29-31.

[5]田昊，云長江，彭毅，等.增量PID算法在某風洞壓力控制中的應用改進[J].計算機測量與控制，2016，24（3）：64-66.

[6]劉漢忠，官元紅.模糊PID自適應算法在流量壓力控制系統中的應用[J].化工自動化及儀表，2011，38（5）：567-569.