貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 黨長(zhǎng)青 陳湘萍

1.引言

水位控制一直以來都是工業(yè)生產(chǎn)的一項(xiàng)重要的控制指標(biāo)，其控制方法目前使用的也較多，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，使得水位控制有了更加精確的控制定位，本文運(yùn)用ARM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)水位控制器的設(shè)計(jì)，該控制器以微控制器為核心，利用超射波檢測(cè)傳感電路實(shí)現(xiàn)了水位的高精度控制。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

本水位控制系統(tǒng)硬件電路主要由電源電路、檢測(cè)超聲波檢測(cè)電路及接口電路構(gòu)成，其具體設(shè)計(jì)如下：

2.1 電源電路

本系統(tǒng)采用的STM32F103VET6，STM32的工作電壓(VDD)為2.0～3.6V。通過內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器提供所需的1.8V電源。當(dāng)主電源VDD掉電后，通過VBAT腳為實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和備份寄存器提供電源。具體電路圖如圖2.1所示。

圖2.1 系統(tǒng)的供電電路圖

圖2.2 超聲波檢測(cè)電路

2.2 超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

其測(cè)距原理為：通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離了。這與雷達(dá)測(cè)距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2)。圖2.2所示為超聲波檢測(cè)電路。

其超聲波時(shí)序圖如圖2.3所示。

由圖2.3可看出只需要提供一個(gè)10uS以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距離=高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2；建議測(cè)量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。

圖2.3 超聲波時(shí)序圖

2.3 串口通信電路

在本系統(tǒng)中需要用到串口通信，控制發(fā)送數(shù)據(jù)到PC上顯示，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的通信。在串口通信中使用到的芯片是MAX3232CSE，MAX3232CSE是一種低功耗擁有兩個(gè)接收器和兩個(gè)發(fā)射器的串口接口芯片。它兼容了RS-232的特性。供電范圍是3V-5.5V。在MAX3232CSE內(nèi)部，有兩個(gè)充電泵。該芯片的外圍電路非常簡(jiǎn)單，外部只需要接上4個(gè)0.1uF的充電電容就可以使用了。通信速率在120kbps能夠保證數(shù)據(jù)不出錯(cuò)。并且能夠保持RS232的輸出電平。MAX3232CSE具有低至1uA的關(guān)閉模式，在便攜式設(shè)備中，降低了電源的消耗，延長(zhǎng)了電池的壽命。在低能耗的關(guān)閉模式中，接收器任然處于激活模式，允許調(diào)制解調(diào)器接收數(shù)據(jù)，該接口電路圖如圖2.4所示。

圖2.4 串口通信電路圖

以上為本水位控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。該硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)精確水位控制的基礎(chǔ)。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件部分概述

本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)是基于常用的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)Keil uVision4，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)對(duì)水位的控制主要采用數(shù)字PID控制器。以下是該數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

3.2 數(shù)字PID控制算法實(shí)現(xiàn)

在本設(shè)計(jì)中對(duì)于控制器的實(shí)現(xiàn)主要采用增量式PID算法，這是因?yàn)樵隽渴絇ID算法只需保持當(dāng)前時(shí)刻以前三個(gè)時(shí)刻的誤差即可。它與位置式PID相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)位置式PID算法每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去誤差的累加值，因此，容易產(chǎn)生較大的累積計(jì)算誤差。而增量式PID只需計(jì)算增量，計(jì)算誤差或精度不足時(shí)對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。

(2)控制從手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，位置式PID算法必須先將計(jì)算機(jī)的輸出值置為原始閥門開時(shí)，才能保證無沖擊切換。若采用增量算法，與原始值無關(guān)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。

PID算法代碼如下：

3.3 系統(tǒng)流程圖

3.3.1 下位機(jī)軟件流程圖

如圖3.1所示，系統(tǒng)總體流程是：設(shè)定水位值，STM32F103VET6初始化，初始化后繼而運(yùn)行同時(shí)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過超聲波不斷反饋回來的數(shù)據(jù)判斷是否到達(dá)了設(shè)定的水位值，如果到達(dá)了，則使電機(jī)以這樣的速度穩(wěn)定運(yùn)行下去，如果沒有達(dá)到設(shè)定的水位值，則將超聲波檢測(cè)到的數(shù)值與給定值做比較，得出誤差值，然后將誤差值通過DAC0832芯片轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號(hào)，反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電機(jī))，再通過電機(jī)控制水泵的水流速度，來達(dá)到水位控制的要求。

圖3.1 下位機(jī)軟件控制流程圖

圖3.2 上位機(jī)軟件程序流程圖

3.3.2 上位機(jī)軟件流程圖

該模塊主要是完成接收下位機(jī)傳送上來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以正確的形式顯示在控制界面當(dāng)中。該模塊包括界面的設(shè)計(jì)以及具體的響應(yīng)函數(shù)的設(shè)計(jì)。上位機(jī)的串口通信用的不是VC自帶的MSCOMM控件，.這里使用一個(gè)動(dòng)態(tài)庫，分別是Pcomm.h，Pcomm.lib，Pcomm.dll。輸入?yún)?shù)為串口的接收數(shù)據(jù)，輸出參數(shù)為編輯框的顯示數(shù)據(jù)。程序的流程圖如圖3.2所示。

4.系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)要求，水位給定的范圍是0～150mm。分別取兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，每組取6個(gè)數(shù)值。

第一組：0mm～65mm之間取值，所取的值分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm。

第二組：65mm到150mm之間取值，所取的值分別為70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

將以上數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可得，設(shè)定水位值每次變化10mm，大約所需要的調(diào)節(jié)時(shí)間為12S到15S，基本符合題目的要求，系統(tǒng)的各個(gè)檢測(cè)單元的測(cè)試數(shù)據(jù)精度很高、顯示值與設(shè)定值非常接近，這與硬件的選擇及其參數(shù)的匹配選擇是不可分割的。當(dāng)設(shè)定水位值和當(dāng)前水位值有誤差時(shí)，會(huì)自動(dòng)通過超聲波檢測(cè)到的數(shù)值與給定值做比較，得出誤差值，然后將誤差值通過DAC0832芯片轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號(hào)，反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電機(jī))，再通過電機(jī)控制水泵的水流速度，來達(dá)到水位控制的要求。

5.結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ARM的水位控制控制系統(tǒng)，通過能采用ARM7內(nèi)核芯片和串口通信電路及超聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水位的精確控制，從測(cè)試結(jié)果可以看出該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，而且該系統(tǒng)還具有功耗低穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程(第二版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[2]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程(二)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

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