基于單片機(jī)的彈簧位置—力測控系統(tǒng)

高源蓬

摘要：本文介紹了基于STM32F103VCT6單片機(jī)開發(fā)的彈簧位置-力測控系統(tǒng)的總體設(shè)計思路和方法，闡述了整個系統(tǒng)的工作原理，硬件和軟件設(shè)計及相關(guān)技術(shù)問題，該測控系統(tǒng)較機(jī)械彈簧控制閥具有精度高、可靠性好的特點。

關(guān)鍵詞：位置-力測控系統(tǒng)；單片機(jī)；PID校正；PWM脈沖

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0021-01

隨著人工智能的不斷發(fā)展，工業(yè)的自動化水平體現(xiàn)出無比重要的環(huán)節(jié)。然而，自PID控制器問世以來已有70多年歷史，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典、現(xiàn)代和智能控制理論三個階段。隨著傳感器應(yīng)用，微電子技術(shù)的發(fā)展以及單片機(jī)技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，為智能彈簧位置的測控系統(tǒng)測控功能的完善、測控精度的提高和抗干擾能力的增強(qiáng)都提供了有利條件。使用了STM32F103VCT6單片機(jī)，設(shè)計了一個簡單的彈簧位置-力測控系統(tǒng)，使用方便、靈活，成本低，足以完成整個系統(tǒng)算法的功能實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

根據(jù)智能高精度彈簧位置-力測控系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)的目標(biāo)應(yīng)具有顯示功能在顯示器上顯示表示當(dāng)前彈簧形變量的四位十進(jìn)制數(shù)，具有按鍵輸入和操作功能，輸入為要求控制的彈簧形變量，具有PID校正的閉環(huán)控制彈簧受力。

綜合考慮系統(tǒng)可靠性、實用性以及便于可維護(hù)性操作簡便性，本系統(tǒng)設(shè)計時主要采用以下技術(shù)措施：

（1）利用了STM32F103VCT6的軟硬件資源，包括其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換部件、獨立按鍵5顆、四位七段數(shù)碼管。（2）圖1中控制器單片機(jī)模塊為系統(tǒng)的核心部件，數(shù)碼管顯示以及按鍵用來實現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過按鍵將需要的控制的彈簧長度數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中，由數(shù)碼管顯示當(dāng)前彈簧形變量。（3）在運(yùn)行過程PWM脈沖由PID調(diào)節(jié)的并送到電機(jī)驅(qū)動電路中，驅(qū)動模塊根據(jù)PWM信號控制直流電機(jī)的扭矩。利用拉壓力傳感器將當(dāng)前產(chǎn)生的力（彈簧當(dāng)前所受力）反饋到單片機(jī)控制器中心，通過運(yùn)算改變PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機(jī)扭矩實時控制的目的。（4）系統(tǒng)軟硬件設(shè)計設(shè)計思想采用模塊化，以提高系統(tǒng)的可靠性。

2 硬件電路設(shè)計

圖1為系統(tǒng)的工作原理，以數(shù)字PID為基本控制算法，用STM32F103VCT6單片機(jī)作為控制單元，產(chǎn)生占空比根據(jù)數(shù)字PID算法，對PWM脈沖實現(xiàn)對直流電機(jī)扭矩的控制。同時利用拉壓力傳感器將彈簧受力轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。在通過五顆獨立按鍵設(shè)定彈簧形變量，確認(rèn)后可以通過顯示部件了解彈簧當(dāng)前的形變量，最后用七段數(shù)碼管作為顯示部件位置。

2.1 STM32F103xx簡介

STM32F103xx系統(tǒng)主系統(tǒng)由四個驅(qū)動單元和四個被動單元構(gòu)成：四個驅(qū)動單元包括CortexTM-M3內(nèi)核DCode總線（D-bus），和系統(tǒng)總線（S-bus） 和通用DMA1和通用DMA2。四個被動單元由內(nèi)部SRAM、內(nèi)部閃存存儲器、FSMC、AHB到APB的橋（AHB2APBx）構(gòu)成，它連接所有的APB設(shè)備。

2.2 獨立按鍵模塊

這五顆按鍵為STM32F103VCT6自帶按鍵輸入模塊，當(dāng)按鍵沒有被按下時，其對應(yīng)引腳表現(xiàn)為高電平，當(dāng)按下時表現(xiàn)為低電平。我們將五顆充分利用，功能分別為確認(rèn)輸入完畢、十位數(shù)字加一、四位數(shù)字減一、個位數(shù)字加一、個位數(shù)字減一。

2.3 L298N電機(jī)驅(qū)動模塊

L298N驅(qū)動器是一種專門驅(qū)動二相和四相電機(jī)的，本設(shè)計應(yīng)用中作為驅(qū)動電機(jī)使彈簧位置做出相應(yīng)的變化。

2.4 拉壓力傳感器

一般來講，彈簧受力與上一次受力比較，有一定的誤差，通過偏差進(jìn)行PID運(yùn)算。通過用的是雙向拉壓力傳感器JLBS-M2來實現(xiàn)的，該傳感器量程較小，精度較高，適合小型彈簧的彈性力檢測?？蓪⑹芰π盘栟D(zhuǎn)化為電信號輸入STM32F103VCT6的ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣模塊。

2.5 放大電路模塊

由于拉壓力傳感器輸出電壓小，并且為何更好的和ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣輸入額定電壓匹配，我們需要加上一定放大倍數(shù)的放大器。

根據(jù)傳感器參數(shù)計算，我們最終設(shè)計了放大倍數(shù)為3的放大電路。

2.6 ADC數(shù)模采樣模塊

ADC屬于STM32F103內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，我們在軟件設(shè)置上進(jìn)行就可以正常工作，但還需要在外部連接其端口到被測電壓，以便更好的顯示。

3 軟件設(shè)計

3.1 PID算法實現(xiàn)

控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能需要控制算法來實現(xiàn)基本功能。根據(jù)偏差的比例（P）、微分（D）、積分（I）進(jìn)行的控制，稱之為PID控制。PID控制，對于相當(dāng)多工業(yè)對象的控制要求，也是控制算法最好之一。

PID算法是本系統(tǒng)的核心算法，它根據(jù)采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，對偏差進(jìn)行P、I、D運(yùn)算得到增量，從而改變PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)對電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為：

直流電機(jī)的扭矩與電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是說在電機(jī)正常工作的電壓范圍內(nèi)，直流電機(jī)兩端的電壓越小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越慢，扭矩越大。而我們使用的電機(jī)驅(qū)動模塊里占空比與直流電機(jī)轉(zhuǎn)速是正比關(guān)系，所以我們需要在算法里做一定調(diào)整使整個PID算法完成負(fù)反饋。我們將算法最后的返回值用了TIM3->CCR3-=duk；的方式，將出始的占空比設(shè)為電機(jī)驅(qū)動額定電壓內(nèi)較大驅(qū)動力對應(yīng)的占空比，具體數(shù)值需要根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)。

3.2 主函數(shù)流程圖

當(dāng)通過按壓五位按鍵按出彈簧要求形變量，系統(tǒng)依次初始化相關(guān)硬件設(shè)置，當(dāng)設(shè)定好后，按下確認(rèn)鍵，電機(jī)即可轉(zhuǎn)動，同時系統(tǒng)進(jìn)入PID控制調(diào)節(jié)，可通過數(shù)碼管屏幕顯示的值來觀察到實時彈簧形變量。

具體流程圖如圖2。

4 結(jié)語

利用單片機(jī)實現(xiàn)PID算法產(chǎn)生PWM脈沖來控制電機(jī)扭矩，利用電機(jī)使得彈簧發(fā)生形變，且形變量為是設(shè)定值是被控量。對彈簧一個方向的位置-力測控，具體方向由機(jī)械結(jié)構(gòu)決定，解決彈簧變化顯示當(dāng)前的形變量。

參考文獻(xiàn)

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[2]沙占友.單片機(jī)外圍電路設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

Abstract：This paper introduces the general design idea and method of the spring position and force measurement and control system based on STM32F103VCT6 single chip microcomputer， and expounds the working principle of the whole system， the design of hardware and software and the related technical problems. The measurement and control system has the characteristics of high precision and good reliability compared with the mechanical spring control valve.

Key words：position -force measurement and control system； single chip microcomputer； PID correction； PWM pulse