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        基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

        2021-12-04 19:24:46李傳寶熊遠(yuǎn)生
        機(jī)電信息 2021年27期

        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(guò)程中,需要精密的微壓源,為此設(shè)計(jì)了一個(gè)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(cè)氣室的壓力,STM32通過(guò)ADS1256采集風(fēng)壓變送器輸出的氣壓模擬量,當(dāng)檢測(cè)氣壓小于設(shè)定值時(shí),控制氣泵向氣室充氣;當(dāng)檢測(cè)氣壓大于設(shè)定值時(shí),采用PID控制比例閥使氣室向外界環(huán)境排氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)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(jī)行業(yè)中廣泛使用,負(fù)責(zé)檢測(cè)洗衣機(jī)中水位的高低[1-2]。水位傳感器是通過(guò)將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣壓信號(hào),氣壓推動(dòng)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(jī)控制主板通過(guò)檢測(cè)振蕩電路的頻率,進(jìn)而獲取水位的高低。在出廠檢測(cè)時(shí),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(jì)了一種基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統(tǒng),通過(guò)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(cè)氣室的壓力變送出4~20 mA的電流信號(hào),經(jīng)過(guò)精密電阻轉(zhuǎn)換為1~5 V的電壓信號(hào)送給ADS1256信號(hào)處理模塊,STM32通過(guò)SPI接口與ADS1256信號(hào)處理模塊通信,獲取AD值,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算后得到實(shí)際氣壓值。當(dāng)檢測(cè)氣壓小于設(shè)定值時(shí),控制氣泵向氣室充氣;當(dāng)檢測(cè)氣壓大于設(shè)定值時(shí),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(guò)氣泵充氣;2口接比例閥,通過(guò)比例閥排氣;3口接風(fēng)壓變送器來(lái)采集信號(hào),同時(shí)通過(guò)一個(gè)三通引出一個(gè)口來(lái)接水位傳感器,在實(shí)驗(yàn)時(shí)為對(duì)比氣壓,此口接的是高精度壓力表。搭建的氣路實(shí)物圖如圖2所示。

        2 硬件設(shè)計(jì)

        2.1? ? ADS1256信號(hào)處理模塊

        ADS1256是TI公司推出的一款高分辨率、無(wú)噪的24位A/D轉(zhuǎn)換器,該器件提供高達(dá)23 bit的無(wú)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(kāi)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(jì)人員帶來(lái)完整而高分辨率的量測(cè)解決方案[3]。

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

        2.2? ? 光耦驅(qū)動(dòng)電路

        采用STM32的PWM輸出接口通過(guò)一個(gè)電阻連接三極管2N5551的基極,2N5551的集電極和發(fā)射機(jī)串聯(lián)在光耦PC817的原邊回路中,STM32通過(guò)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(gè)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(guò)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(lái)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(jiǎn)單、實(shí)用并且應(yīng)用廣泛的氣壓傳感器,主要用于風(fēng)速測(cè)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(hào)經(jīng)過(guò)低溫漂、高精度250 Ω電阻變?yōu)?~5 V的電壓信號(hào),并從ADS1256的AIN0輸入。STM32通過(guò)SPI接口連接ADS1256,配合程序?qū)崿F(xiàn)氣壓的測(cè)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(guò)程序采用PWM信號(hào)控制光耦PC817通斷,從而可以控制比例閥排氣的通斷時(shí)間,以此控制需要排氣的大小。

        3 軟件設(shè)計(jì)

        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(dòng)定時(shí)執(zhí)行定時(shí)運(yùn)行控制算法,定時(shí)時(shí)間到進(jìn)行下一步,進(jìn)行AD采樣獲取氣室的實(shí)際氣壓值,計(jì)算設(shè)定值和實(shí)際氣壓值的差值,獲得誤差,運(yùn)行PID控制計(jì)算控制量,根據(jù)控制量輸出控制氣泵和比例閥。

        4 實(shí)驗(yàn)

        搭建的實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖4所示,當(dāng)設(shè)定值為1 kPa、2 kPa及3 kPa時(shí),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(yǔ)

        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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)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(cè)試儀[J].機(jī)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(guó)科技縱橫,2011(9):91.

        收稿日期:2021-09-03

        作者簡(jiǎn)介:李傳寶(2000—),男,山西晉中人,研究方向:氣壓控制。

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