程邵華，周 驊

（貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴陽550025）

1 引言

氣壓與人們的日常生活密切相關(guān)。在工業(yè)生產(chǎn)中，更加需要對(duì)氣壓進(jìn)行控制，例如在特定的氣壓環(huán)境下對(duì)某些物品進(jìn)行保存，或者是在特定的氣壓環(huán)境下對(duì)某些產(chǎn)品的性能進(jìn)行檢測等等[1]。為進(jìn)一步挖掘氣壓控制技術(shù)的潛力，在此設(shè)計(jì)一款恒壓控制系統(tǒng)，采用STM32F407單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控單元，從硬件電路組成和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩方面進(jìn)行論述，并結(jié)合PID控制算法提高控制系統(tǒng)的性能。

2 總體方案設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)氣壓控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。設(shè)計(jì)采用12V無刷直流微型氣泵，其作用是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽氣和充氣，它通過單片機(jī)上面的GPIO輸出的12V電壓進(jìn)行供電。在電磁閥部分，內(nèi)部設(shè)計(jì)有封閉腔，在不同的位置開有通孔，每個(gè)孔通向不同的油管。腔中間是閥，兩邊是兩塊電磁鐵，電磁鐵線圈通電后，相應(yīng)閥體就會(huì)被吸引過去，以此通過控制閥體的移動(dòng)來擋住或露出不同的排氣孔。進(jìn)氣孔是常開的，高壓氣體會(huì)進(jìn)入不同的排氣管，然后通過氣動(dòng)電磁閥的氣壓來推動(dòng)氣缸活塞，這樣通過控制氣動(dòng)電磁閥的電壓就能夠控制整個(gè)電磁閥的機(jī)械運(yùn)動(dòng)[2]。在本系統(tǒng)中，每個(gè)電磁閥都通過導(dǎo)線連接到單片機(jī)上對(duì)應(yīng)的GPIO口上。當(dāng)軟件設(shè)置為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的GPIO輸出12V電壓，此時(shí)電磁閥導(dǎo)通，氣體能通過該電磁閥；當(dāng)軟件設(shè)置為低電平時(shí)，電磁閥關(guān)閉[3]。真空箱是實(shí)驗(yàn)中要用到的氣室。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)即是控制真空箱內(nèi)的氣壓為恒定氣壓值。在真空箱的內(nèi)部放置氣壓傳感器測量壓力的部分，氣壓傳感器的供電部分則通過真空箱內(nèi)特制的密閉管道引出，連接在單片機(jī)上相應(yīng)的接口，從而單片機(jī)就能不斷獲得真空箱內(nèi)當(dāng)前的氣壓值并與設(shè)定的目標(biāo)氣壓值進(jìn)行對(duì)比，通過誤差范圍來控制電磁閥和氣泵執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作[4]。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中有一個(gè)容量為3L的小型氣壓罐，其作用有兩點(diǎn)：當(dāng)真空箱內(nèi)氣壓與設(shè)定氣壓值差別很小時(shí)，關(guān)閉氣泵和其他閥門，只開通微調(diào)閥，利用微調(diào)閥比其他閥門細(xì)很多的管道，根據(jù)氣壓罐和真空箱之間的氣壓差，對(duì)真空箱內(nèi)的氣壓進(jìn)行微調(diào)；當(dāng)氣泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充氣或者抽氣時(shí)，氣壓罐能夠起到緩沖的作用，使得氣壓變化相對(duì)平穩(wěn)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制單元的選擇

系統(tǒng)采用ST公司設(shè)計(jì)的STM32F407芯片作為主控單元。該款芯片基于ARM的cortex-M4內(nèi)核，擁有高達(dá)1MB的FLASH和多達(dá)17個(gè)的定時(shí)器，支持以太網(wǎng)、UART串口、SPI總線等外設(shè)接口，主頻高至168MHz[5]。

在以STM32F407芯片作為主控單元的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路外設(shè)[6]。設(shè)計(jì)用到的STM32單片機(jī)電路板實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 STM32電路板實(shí)物圖

電路板上有氣壓傳感器接口、調(diào)試串口、驅(qū)動(dòng)7個(gè)控制氣體流通的電磁閥和氣泵的GPIO口、氣壓傳感器接口、USART串口等外設(shè)。

3.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。電路板上不同芯片和GPIO引腳對(duì)電壓的需求各有不同，部分引腳需要5V供電；電路板主控芯片為3.3V供電，串口對(duì)應(yīng)的多數(shù)引腳也是3.3V供電。因此該部分電路設(shè)計(jì)由兩部分構(gòu)成，第一部分以MP1584EN芯片為核心，負(fù)責(zé)5V輸出；第二部分則以LM1117MP-3.3芯片為核心，負(fù)責(zé)輸出3.3V電壓。

圖3 電源模塊設(shè)計(jì)電路圖

實(shí)際工作中，總電源接在220V交流電源上，經(jīng)過轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)換，到STM32電路板中已成為12V輸入，再經(jīng)MP1584EN芯片轉(zhuǎn)換，變成5V電壓輸出，以滿足局部電路的電壓需求；再經(jīng)過LM1117MP-3.3芯片轉(zhuǎn)換，成為3.3V電壓輸出，用來為氣壓傳感器供電。

3.3 電磁閥和氣泵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電磁閥和氣泵的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。當(dāng)程序設(shè)置輸入為高電平時(shí)，經(jīng)過單片機(jī)電路的相關(guān)電壓轉(zhuǎn)換，高電平會(huì)轉(zhuǎn)為5V電壓為電磁閥驅(qū)動(dòng)電路供電。此時(shí)發(fā)光二極管D54導(dǎo)通，紅燈會(huì)發(fā)光，隨后光耦隔離部分導(dǎo)通，右側(cè)FQD60N03的N溝道MOS管導(dǎo)通，右側(cè)12V與地線GND之間形成回路，電磁閥P26兩端電壓為12V，此時(shí)電磁閥導(dǎo)通。

當(dāng)程序設(shè)置輸入為低電平時(shí)，電磁閥兩端電壓為0，此時(shí)電磁閥關(guān)閉。

4 氣壓控制策略實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以STM32作為控制的核心單元，通過氣壓傳感器不斷采集真空箱當(dāng)前的氣壓數(shù)值，并且對(duì)真空箱當(dāng)前氣壓和設(shè)定的目標(biāo)氣壓值進(jìn)行比較，根據(jù)當(dāng)前計(jì)算出來的差值做出相應(yīng)的處理動(dòng)作[7]。根據(jù)7個(gè)電磁閥以及氣泵的開和關(guān)，可以做成如表1所示的真值表。其中0表示該電磁閥或氣泵處于關(guān)閉狀態(tài)，1表示處于開通狀態(tài)。

表1 電磁閥和氣泵開關(guān)真值表

根據(jù)此真值表可寫出開關(guān)函數(shù)。通過調(diào)用相應(yīng)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。例如，如需對(duì)真空箱充氣，那就調(diào)用實(shí)現(xiàn)真空箱充氣這個(gè)功能的函數(shù)即可。當(dāng)真空箱氣壓和目標(biāo)氣壓差距較大時(shí)，直接調(diào)用控制函數(shù)進(jìn)行充氣和抽氣；當(dāng)真空箱當(dāng)前氣壓和目標(biāo)氣壓差值在一個(gè)很小的范圍時(shí)，關(guān)閉氣泵和其他電磁閥，只開通微調(diào)閥，利用真空箱和氣壓罐的壓力差對(duì)氣壓進(jìn)行微調(diào)。微調(diào)閥通氣管道很細(xì)，所以導(dǎo)氣速度相對(duì)較慢，結(jié)合PID算法，便可在氣壓誤差很小時(shí)進(jìn)行細(xì)微調(diào)控[8]。

PID控制是一種閉環(huán)控制，它包含比例控制、積分控制、微分控制三個(gè)控制單元，原理框圖如圖5所示。

圖5 PID控制原理框圖

其中，r(t)為設(shè)定的輸入值，c(t)為輸出值，e(t)為設(shè)定值與輸出值之間的誤差，即：e(t)=r(t)-c(t)，作為經(jīng)過控制器計(jì)算得到的輸出結(jié)果。計(jì)算公式為：

將該公式進(jìn)行離散化處理和簡化,得到增量式PID公式：

式中，Ki、Kp、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。Δu(k)是PID運(yùn)算一次得到的增量。

按照設(shè)計(jì)，當(dāng)真空箱當(dāng)前實(shí)際氣壓值和設(shè)定目標(biāo)氣壓值的誤差值處于一個(gè)較小的區(qū)間時(shí)，就采用PID控制結(jié)合微調(diào)閥來進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過多次測量與分析，定量地得出微調(diào)的速度。再找到經(jīng)過PID計(jì)算得到的增量與微調(diào)速度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把PID計(jì)算的增量經(jīng)過數(shù)學(xué)處理，作為微調(diào)閥的微調(diào)時(shí)間。當(dāng)氣壓誤差在允許的范圍內(nèi)時(shí)，所有的電磁閥關(guān)閉；當(dāng)氣壓誤差較大時(shí)，通過氣泵對(duì)真空箱抽氣或充氣做出調(diào)節(jié)；當(dāng)氣壓誤差較小時(shí)，只有微調(diào)閥開通，這時(shí)候利用真空箱與氣壓罐之間的壓差進(jìn)行微調(diào)。

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分選用KeilμVision5開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括外設(shè)初始化、電磁閥控制函數(shù)、氣壓傳感器接收數(shù)據(jù)處理等。用C語言編寫和實(shí)現(xiàn)PID控制器，主要由main函數(shù)組成。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

主函數(shù)是程序的入口，主要實(shí)現(xiàn)相關(guān)外設(shè)的初始化。氣壓傳感器采集真空箱當(dāng)前氣壓值，交由控制器與設(shè)定氣壓值進(jìn)行比較，得出氣壓誤差值，根據(jù)誤差決定下一步的動(dòng)作。經(jīng)過多次調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，最終決定把氣壓誤差分為幾個(gè)區(qū)間來進(jìn)行處理。當(dāng)氣壓誤差大于2時(shí)，對(duì)真空箱直接充氣；當(dāng)誤差在0.2到2之間時(shí)，因?yàn)榕c目標(biāo)氣壓相距很小，此時(shí)采用PID控制算法對(duì)氣壓微調(diào)充氣；當(dāng)誤差在±0.2以內(nèi)時(shí)，因?yàn)榇苏`差值處于允許誤差范圍以內(nèi)，此時(shí)所有電磁閥關(guān)閉，系統(tǒng)不動(dòng)作；當(dāng)誤差小于-2時(shí)，對(duì)真空箱抽氣；當(dāng)誤差在-2到-0.2之間時(shí)，采用PID算法對(duì)氣壓進(jìn)行微調(diào)抽氣；當(dāng)氣壓誤差絕對(duì)值在0.2到2之間時(shí)，進(jìn)行微調(diào)充氣或者微調(diào)抽氣。

為確定微調(diào)時(shí)間，需要借助于實(shí)驗(yàn)和相關(guān)的測試，摸索出PID算法計(jì)算值與微調(diào)速度之間的關(guān)系。將PID計(jì)算出來的增量經(jīng)過一系列的運(yùn)算，將其作為微調(diào)充氣或者抽氣的時(shí)間。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠把氣壓誤差穩(wěn)定控制在±0.2hPa以內(nèi)。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示，顯示了當(dāng)真空箱目標(biāo)氣壓設(shè)為不同數(shù)值時(shí)對(duì)應(yīng)的一個(gè)小時(shí)以內(nèi)的控制效果。

表2 不同目標(biāo)氣壓值控制效果單位：hPa

6 結(jié)束語

基于STM32F407主控芯片設(shè)計(jì)的氣壓控制系統(tǒng)，采用PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信息采集，并經(jīng)過快速比較與計(jì)算，準(zhǔn)確執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)能夠把真空箱內(nèi)的氣壓控制在目標(biāo)氣壓的±0.2h P a以內(nèi),控制效果頗為理想。