基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統設計與分析

李傳寶　熊遠生

摘要：在水位傳感器的螺栓初始位置調試過程中，需要精密的微壓源，為此設計了一個基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統。該微壓控制系統由與氣室氣路相連的風壓變送器檢測氣室的壓力，STM32通過ADS1256采集風壓變送器輸出的氣壓模擬量，當檢測氣壓小于設定值時，控制氣泵向氣室充氣;當檢測氣壓大于設定值時，采用PID控制比例閥使氣室向外界環境排氣。實驗結果表明，所設計的精密微壓控制系統響應速度快、精度高、穩定性好，能夠滿足水位傳感器螺栓初始位置調試的需求。

關鍵詞：氣壓控制;STM32;比例閥

0 引言

水位傳感器在洗衣機行業中廣泛使用，負責檢測洗衣機中水位的高低[1-2]。水位傳感器是通過將水位信號轉換成氣壓信號，氣壓推動膜片使電感量發生變化，從而使組成的CLC振蕩電路頻率發生變化，洗衣機控制主板通過檢測振蕩電路的頻率，進而獲取水位的高低。在出廠檢測時，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，通常使用人工調整活塞改變氣室的大小控制氣壓，但是效率低，難以滿足大規模生產的需要。因此，本文設計了一種基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統，通過閉環控制使氣室內的氣壓保持在設定氣壓上，提高了系統的響應速度和精度，滿足了大規模生產需求。

1 系統構成

基于STM32和比例閥的精密微壓控制系統框圖如圖1所示，圖中粗線表示氣路，細線表示電路，與氣室氣路相連的風壓變送器檢測氣室的壓力變送出4～20 mA的電流信號，經過精密電阻轉換為1～5 V的電壓信號送給ADS1256信號處理模塊，STM32通過SPI接口與ADS1256信號處理模塊通信，獲取AD值，經過轉換計算后得到實際氣壓值。當檢測氣壓小于設定值時，控制氣泵向氣室充氣;當檢測氣壓大于設定值時，采用PID控制比例閥使氣室向外界環境排氣。氣室采用的是3口氣室，其中1口接氣泵，通過氣泵充氣;2口接比例閥，通過比例閥排氣;3口接風壓變送器來采集信號，同時通過一個三通引出一個口來接水位傳感器，在實驗時為對比氣壓，此口接的是高精度壓力表。搭建的氣路實物圖如圖2所示。

2 硬件設計

2.1? ? ADS1256信號處理模塊

ADS1256是TI公司推出的一款高分辨率、無噪的24位A/D轉換器，該器件提供高達23 bit的無噪聲精度、高達30 kS/s的數據速率、0.001 0%的非線性特性（最大值）以及眾多的板上外設（輸入模擬多路開關、輸入緩沖器、可編程增益放大器和可編程數字濾波器等），可為設計人員帶來完整而高分辨率的量測解決方案[3]。

ADS1256具有3種輸入模式，分別為4路差分信號輸入、8路單端信號輸入，差分信號和單端信號混合輸入。本設計采用單端信號輸入，AINCOM作為輸入信號的公共端。

2.2? ? 光耦驅動電路

采用STM32的PWM輸出接口通過一個電阻連接三極管2N5551的基極，2N5551的集電極和發射機串聯在光耦PC817的原邊回路中，STM32通過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，是一個小體積、大流量的氣泵。最大流量可達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。通過程序控制STM32的PWM輸出占空比，從而可以控制氣泵兩端電壓的大小，以此來控制氣泵充氣的流量。

2.4? ? 風壓變送器

風壓變送器是一種簡單、實用并且應用廣泛的氣壓傳感器，主要用于風速測量、醫療設備等。所選用的風壓變送器參數如下：量程0～4 kPa;輸出4～20 mA;精度0.2%FS;供電DC24 V。風壓變送器的4～20 mA信號經過低溫漂、高精度250 Ω電阻變為1～5 V的電壓信號，并從ADS1256的AIN0輸入。STM32通過SPI接口連接ADS1256，配合程序實現氣壓的測量。

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。其部分規格參數表如表1所示。

通過程序采用PWM信號控制光耦PC817通斷，從而可以控制比例閥排氣的通斷時間，以此控制需要排氣的大小。

3 軟件設計

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，啟動定時執行定時運行控制算法，定時時間到進行下一步，進行AD采樣獲取氣室的實際氣壓值，計算設定值和實際氣壓值的差值，獲得誤差，運行PID控制計算控制量，根據控制量輸出控制氣泵和比例閥。

4 實驗

搭建的實驗實物圖如圖4所示，當設定值為1 kPa、2 kPa及3 kPa時，穩態誤差都小于3 Pa，圖中設置氣壓值為1.5 kPa，穩定在1.498 kPa，誤差為2 Pa。

5 結語

該精密微壓控制系統主要為水位傳感器的螺栓初始位置調試提供精密的微壓源，主要由STM32、比例閥和氣泵構成。實驗結果表明，所設計的精密微壓控制系統響應速度快、精度高、穩定性好，能夠滿足水位傳感器螺栓初始位置調試的需求。

[參考文獻]

[1] 扈剛，王延峰.諧振式水位傳感器[J].傳感器技術，2002，21（5）：22-23.

[2] 吳秋芹，惠晶.精密水位傳感器測試儀[J].機電工程技術，2009，38（5）：40-41.

[3] 譚淞.基于ADS1256的高精度模數轉換技術[J].中國科技縱橫，2011（9）：91.

收稿日期：2021-09-03

作者簡介：李傳寶（2000—），男，山西晉中人，研究方向：氣壓控制。