基于STM32的液位控制系統(tǒng)設(shè)計

程訓(xùn)明 董婷婷

摘?要：本文設(shè)計一種基于STM32的液位控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用STM32作為控制核心，使用壓力傳感器采集水箱內(nèi)的液位，通過串口觸摸屏進行液位顯示和給定，對水位進行有效的閉環(huán)控制。系統(tǒng)運用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)液位閉環(huán)控制，通過對PID參數(shù)的整定，可以使液位保持在一個很小的誤差范圍內(nèi)，實現(xiàn)液位的連續(xù)控制。

關(guān)鍵詞：STM32;液位控制;PID控制

1 緒論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，恒液位控制系統(tǒng)的研究也在不斷進步。所謂的恒液位控制就是系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)任意液位的精度控制，使其保持恒定的液位。在與嵌入式軟件、硬件、自動控制等多項技術(shù)的緊密結(jié)合下，更能凸顯出其優(yōu)勢。本課題的研究著重于對液位的檢測與控制，以STM32作為主控制器，結(jié)合PID算法，達到對液位的精確控制。

2 硬件設(shè)計

2.1 總體方案

液位控制系統(tǒng)以STM32為控制核心，通過串口觸摸屏發(fā)出啟動信號到STM32控制器中，對傳感器信號進行采集，將所得到的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)成數(shù)字信號給STM32進行運算，根據(jù)運算結(jié)果控制調(diào)節(jié)閥進而控制液位的高度，并將結(jié)果實時在顯示屏上。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

2.2 電路主要模塊

液位控制系統(tǒng)除了負責(zé)傳感器信號的采集和調(diào)節(jié)閥的控制外，還要運行PID算法，因此，需要對于微控制器的內(nèi)部資源有一定的要求，本設(shè)計選用STM32F103RC，該微控制器具有豐富的外設(shè)資源，運算速度快，完全滿足設(shè)計要求。對于電源模塊，考慮到設(shè)備多應(yīng)用于工業(yè)場景中，因此，設(shè)備采用DC24V供電，使用DCDC降壓轉(zhuǎn)換器TPS5430DDAR將24V轉(zhuǎn)換為33V和5V，分別給STM32系統(tǒng)和串口屏供電。液位控制系統(tǒng)中，液位的采集是最重要的環(huán)節(jié)，液位數(shù)據(jù)的精度決定了控制效果，本設(shè)計選用TM7705設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路，TM7705是16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過串行接口與STM32通信。串口觸摸屏選用迪文串口屏DMT10600C070_07W，該串口屏采用組態(tài)軟件實現(xiàn)界面的開發(fā)，通過串口與STM32進行數(shù)據(jù)的交互，操作簡單，能夠極大程度上縮短開發(fā)周期。

3 軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

STM32作為控制核心，控制系統(tǒng)功能程序使用C語言實現(xiàn)，主要有模擬量采集程序、PID控制程序、調(diào)節(jié)閥控制程序和串口屏通信程序。控制流程如下：串口觸摸屏將給的定液位值通過串口傳遞給STM32。STM32接受到設(shè)定的液位值與所采集到水箱的液位高度值進行運算，將所計算的偏差量引入到所寫的數(shù)字PID算法中進行運算得到結(jié)果，并控制調(diào)節(jié)閥注入水的快慢，從而完成液位的精確控制。程序流程圖如圖2所示。

3.2 PID控制的參數(shù)整定

PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，魯棒性較強，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制領(lǐng)域。本文PID參數(shù)整定使用工程整定法來確定參數(shù)。工程整定法模擬控制系統(tǒng)，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，按照先比例——后積分——再微分的順序反復(fù)調(diào)試參數(shù)直到認為得到滿意的響應(yīng)為止。

首先，先將調(diào)節(jié)器的積分時間Ti調(diào)到最大，令Ti=SymboleB@

;將微分時間Td調(diào)節(jié)到最小，令Td=0;選擇較大的比例度δ，即通過參數(shù)設(shè)定將控制器簡化為純比例環(huán)節(jié)進行控制。然后，不斷減小比例度δ，當(dāng)過渡過程顯現(xiàn)具有衰減比（4∶1）的振蕩過程，記錄下此振蕩過程中的比例度δs和衰減振蕩周期Ts的值。根據(jù)測試數(shù)據(jù)的階躍響應(yīng)曲線得出振蕩周期為Ts=115.76，根據(jù)經(jīng)驗公式，按δ=0.8δs，Ti=0.3Ts，Td=0.1Ts整定，得到整定參數(shù)為δ=4/30（即Kp=7.5），Ti=34.728，Td=11.576。將參數(shù)代入，可以計算出調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

Gc=7.5（1+134.728s+11.576s）

4 控制系統(tǒng)調(diào)試

通過串口屏設(shè)置目標液位的設(shè)置，然后啟動液位控制系統(tǒng)，對實際的液位進行調(diào)節(jié)，液位控制曲線圖如圖3所示，液位控制系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定地實現(xiàn)液位的調(diào)節(jié)，滿足本次設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本文主要介紹了基于STM32的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計，文章較為全面地解析了液位控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，通過串口屏的設(shè)定和監(jiān)控，能夠清晰地看到液位的精確控制，直觀地感受液位控制系統(tǒng)的作用，達到恒液位控制的效果，而且該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)，成本低，容易部署，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡介：程訓(xùn)明（1993—），男，江蘇南京人。