基于STM8S103的壓力控制器設(shè)計(jì)

肖永松

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無(wú)錫 214122）

壓力作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)之一，其檢測(cè)和控制方法歷來(lái)受到科研和工程技術(shù)人員的高度重視。在不同行業(yè)背景以及不同的使用環(huán)境和條件下的壓力控制，只有為其匹配合適的測(cè)控儀器和方法才能以比較經(jīng)濟(jì)的方式得到良好的控制效果。

壓力傳感器根據(jù)工作原理的不同可以分為應(yīng)變式、壓阻式、電容式等多種，本控制器以陶瓷壓阻壓力傳感器為壓力信號(hào)檢測(cè)器件展開(kāi)設(shè)計(jì)。陶瓷壓力傳感器壓力輸出毫伏級(jí)別的微弱電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)調(diào)理放大電路處理后得到一個(gè)4～20 mA模擬信號(hào)或者直接得到數(shù)字信號(hào)再傳輸給控制器轉(zhuǎn)換得到。較常見(jiàn)的壓力控制系統(tǒng)中一般采用壓力變送器獲取壓力信號(hào)，然后結(jié)合控制目標(biāo)由PLC對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如變頻器、電機(jī)等設(shè)備對(duì)目標(biāo)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面[1]，或者基于ARM芯片自行設(shè)計(jì)控制器配合外圍的信號(hào)采集和驅(qū)動(dòng)設(shè)備構(gòu)建控制系統(tǒng)[2]。對(duì)于控制要求相對(duì)較高的應(yīng)用場(chǎng)合，上述控制方案中再配備合適的調(diào)節(jié)算法一般都能獲得良好的控制效果。對(duì)于控制要求相對(duì)不高且對(duì)成本比較敏感的應(yīng)用場(chǎng)合則需要有性價(jià)比更高，使用便捷的小型壓力控制器來(lái)進(jìn)行控制。

本方案將設(shè)計(jì)一款具有優(yōu)良性價(jià)比特性的智能壓力控制器以滿足小范圍內(nèi)管道壓力保持在一定范圍之內(nèi)的自動(dòng)控制需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器選用STM8S103F3P6作為控制核心，此處理器內(nèi)部有8 KB程序存儲(chǔ)器，640 B的數(shù)據(jù)E2PROM，1 KB RAM，并且集成有10位ADC，3個(gè)定時(shí)器，SPI，UART和I2C等眾多內(nèi)置外設(shè)，是一款性價(jià)比優(yōu)勢(shì)非常突出的8位16 MHz單片機(jī)。圍繞主控制器設(shè)計(jì)的外圍電路主要由電源模塊、壓力傳感器信號(hào)的調(diào)理模塊、輸入和顯示輸出模塊以及控制輸出模塊4個(gè)部分組成，控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1表示。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure frame of controller

1.1 電源模塊電路設(shè)計(jì)

控制器要在復(fù)雜外部條件下具有良好的適用性，穩(wěn)定可靠的電源模塊設(shè)計(jì)是重要的先決條件之一。一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的控制器電源模塊應(yīng)具備的基本性能包括防電源接反、防超壓、防浪涌等，基于此要求設(shè)計(jì)的具體電路如圖2所示。

圖2 控制器電源模塊電路Fig.2 Circuit of power module

圖2中輸入電壓是由控制器外部提供的24 V直流電壓，在輸入端串接二極管D5和D12防止電源反接，為進(jìn)一步減小干擾，在穩(wěn)壓芯片LM2575S-5之前再用一個(gè)共模電感進(jìn)行濾波，得到穩(wěn)定的5 V電壓給單片機(jī)和壓力傳感器供電，輸入的24 V直流電壓同時(shí)還將作為輸出驅(qū)動(dòng)部分的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)電壓用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器從而控制電機(jī)或者電磁閥等壓力調(diào)節(jié)設(shè)備。

1.2 傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的壓力傳感器有陶瓷、擴(kuò)散硅、電容式以及金屬應(yīng)變片式等多種類型，雖然它們?cè)谠砗徒Y(jié)構(gòu)上相互之間相差較大，但有一個(gè)共同特點(diǎn)就是輸出的都是微弱電壓信號(hào)，此信號(hào)在被采用之前須經(jīng)過(guò)調(diào)理放大才能傳輸給控制器使用[3]。文獻(xiàn)[4]中設(shè)計(jì)的壓力變送器選擇的是儀表放大器AD627對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，儀表運(yùn)放的優(yōu)良性能也是眾多壓力控制器和變送器在設(shè)計(jì)調(diào)理電路時(shí)的首選，但是其價(jià)格相對(duì)偏高。本方案選擇采用一款專門用于傳感器信號(hào)調(diào)理的芯片JHM-1101來(lái)調(diào)理傳感器信號(hào)。

JHM-1101是一款針對(duì)橋式傳感器信號(hào)設(shè)計(jì)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字輸出時(shí)最高可達(dá)到±0.1%FSO的精度，內(nèi)置有自動(dòng)溫度補(bǔ)償傳感電路，可通過(guò)單線方式輸出軌到軌模擬電壓、0～1 V模擬電壓、數(shù)字輸出和PWM信號(hào)，單片機(jī)可以很便捷地獲取到準(zhǔn)確測(cè)量的結(jié)果，基于此設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Circuit of signal modulation

圖3中所示JHM-1101的SO引腳是其完成與外部所有信息交換的單線接口，通過(guò)自定義的單線接口協(xié)議可以完成對(duì)芯片工作模式的設(shè)置、讀寫一次性可編程存儲(chǔ)器OTP、讀寫內(nèi)部寄存器、讀取ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等功能。芯片可以分別工作于設(shè)置模式和正常工作模式，在設(shè)置模式下可以通過(guò)與其配套的軟件方便完成所有的校準(zhǔn)和設(shè)置工作，在正常工作模式下則連續(xù)地完成對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)以及輸出的一系列任務(wù)。

本設(shè)計(jì)方案中，將通過(guò)對(duì)OTP第4字節(jié)的Bit7～Bit5（Output select［2：0］）進(jìn)行設(shè)置，將輸出的信號(hào)設(shè)定為數(shù)字信號(hào)以供微處理器直接使用，省去了額外的硬件電路設(shè)計(jì)。

1.3 輸入和顯示輸出電路設(shè)計(jì)

良好的人機(jī)交互設(shè)計(jì)是控制器最終能得到用戶認(rèn)可的關(guān)鍵因素之一，通過(guò)對(duì)其基本功能的需求分析，確定由4位8段數(shù)碼管來(lái)顯示壓力值以及設(shè)定壓力上下限等參數(shù)值，4個(gè)LED指示燈用于顯示不同的工作狀態(tài)以及不同壓力單位的指示，同時(shí)采用“功能鍵”、“增加”、“減少”以及“確定”4 個(gè)按鍵作為輸入用來(lái)設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，如果直接采用主控制器的GPIO來(lái)驅(qū)動(dòng)上述輸出以及檢測(cè)按鍵將要求主控芯片至少分配20個(gè)GPIO用于按鍵輸入和顯示輸出模塊。在考慮到控制器使用便捷性的同時(shí)又兼顧較高性價(jià)比要求下，本方案選擇采用帶鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動(dòng)控制專用芯片TM1668來(lái)設(shè)計(jì)輸入和輸出顯示部分的電路。最終主控制器僅需分配3個(gè)GPIO給此芯片即可完成所有的按鍵輸入檢測(cè)和顯示輸出，為主控制器節(jié)省大量資源的同時(shí)也極大簡(jiǎn)化了整體硬件電路，可有效提升控制器的抗干擾性和穩(wěn)定性，此外也有助于控制器的小型化。

1.4 控制輸出電路設(shè)計(jì)

本控制器主要依靠控制電機(jī)轉(zhuǎn)速或者電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)?？刂破骱蛨?zhí)行機(jī)構(gòu)之間的隔離由固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 輸出驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Circuit of output driver

測(cè)量得到的實(shí)時(shí)壓力值與控制目標(biāo)進(jìn)行比較運(yùn)算后，得到相應(yīng)的輸出控制信號(hào)OUT，通過(guò)光耦PC817實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電信號(hào)隔離后再采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管MJD122驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器來(lái)控制壓力調(diào)節(jié)設(shè)備。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于硬件設(shè)計(jì)上在信號(hào)處理以及按鍵輸入和輸出顯示方面合理選用了JHM-1101和TM1668兩片專用芯片，對(duì)壓力信號(hào)的采樣和AD轉(zhuǎn)換過(guò)程以及數(shù)碼管的顯示輸出均只需通過(guò)串行方式對(duì)專用芯片讀寫，從而為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的便捷，整個(gè)系統(tǒng)軟件只需簡(jiǎn)單的幾個(gè)子功能模塊即可實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)，其主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程Fig.5 Flow chart of main program

圖5中所示初始化過(guò)程主要完成I/O口初始化、信號(hào)調(diào)理芯片JHM-1101初始化、定時(shí)器TIM4的初始化、顯示模塊初始化以及從片內(nèi)E2PROM中加載系統(tǒng)參數(shù)等任務(wù)，隨后將重復(fù)地順序執(zhí)行按鍵掃描檢測(cè)以及壓力測(cè)量和控制輸出等一系列動(dòng)作。

控制器的按鍵通過(guò)不同按鍵組合分別實(shí)現(xiàn)啟/停、設(shè)置控制上下限、單位切換、零位清零等基本功能，另外再設(shè)計(jì)通過(guò)長(zhǎng)按功能鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能模式的設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)不同控制方法之間的切換、開(kāi)機(jī)自檢啟/停、自動(dòng)檢壓開(kāi)/關(guān)、超壓自檢開(kāi)/關(guān)、控制延時(shí)開(kāi)/關(guān)、參數(shù)保護(hù)開(kāi)/關(guān)等功能。

針對(duì)不同的應(yīng)用需求，控制器內(nèi)置2種基本的控制策略，分別是雙位控制和常規(guī)的PID控制。雙位控制策略適用于被控壓力變化相對(duì)緩慢且目標(biāo)壓力允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，其控制思路是以控制器設(shè)定的上下限為觸發(fā)點(diǎn)，當(dāng)壓力由低到高并超過(guò)上限值時(shí)關(guān)閉增壓設(shè)備（如水泵、風(fēng)機(jī)等），隨著設(shè)備停機(jī)壓力降低直至小于下限值時(shí)再開(kāi)啟增壓設(shè)備。PID控制方式則適用于壓力控制精度相對(duì)較高并且壓力調(diào)節(jié)設(shè)備處于連續(xù)運(yùn)行或允許頻繁啟停的場(chǎng)合。PID控制作為工控領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的控制方法，常規(guī)的PID及其改進(jìn)算法在壓力控制方面的應(yīng)用研究成果也能在眾多學(xué)術(shù)刊物上見(jiàn)到，例如改進(jìn)型增量 PID[5]，模糊 PID[1，6]等算法在對(duì)壓力的控制方面均能取得不錯(cuò)的控制效果，另外針對(duì)各種不同的應(yīng)用環(huán)境和條件還不斷有一些改進(jìn)型的智能PID控制算法被提出并逐步的從仿真走向?qū)嶋H的應(yīng)用。由于本控制器是基于高性價(jià)比、控制要求并不特別高的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此僅內(nèi)置常規(guī)的增量式和位置式數(shù)字PID控制方法，具體算法的表述比較常見(jiàn)，在此不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)選用了性價(jià)比表現(xiàn)特別突出的STM8S103作為控制器的主控芯片，通過(guò)合理選擇壓力信號(hào)調(diào)理芯片以及顯示輸出驅(qū)動(dòng)芯片，有效簡(jiǎn)化了功能模塊電路設(shè)計(jì)的同時(shí)提高了系統(tǒng)的集成度，控制器的尺寸大小也能夠得到有效控制。配合陶瓷壓力傳感器對(duì)管道內(nèi)水壓進(jìn)行控制測(cè)試的結(jié)果表明控制器工作穩(wěn)定可靠，操作便捷，人機(jī)交互性能良好，能夠?qū)毫τ行Э刂圃谠O(shè)定范圍之內(nèi)。

[1]齊繼陽(yáng)，孟洋，李金燕，等.模糊PID在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2015，30（3）：44-47.

[2]蔡新崗，陳紅勛.基于STM32的智能水泵控制器設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2009（4）：53-54.

[3]熊志華.基于ARM的壓力檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].西安科技大學(xué)，2009.

[4]岳佳杰，劉克虎，周杏鵬.基于CAN總線的智能壓力變送器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（1）：29-31.

[5]田昊，云長(zhǎng)江，彭毅，等.增量PID算法在某風(fēng)洞壓力控制中的應(yīng)用改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（3）：64-66.

[6]劉漢忠，官元紅.模糊PID自適應(yīng)算法在流量壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2011，38（5）：567-569.