基于stm32的pid閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)設(shè)計-畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中，隨時可以遇到需要對液體壓力進(jìn)行恒定控制的情況。例如，生活中，單個家庭自來水水壓不穩(wěn)或過低導(dǎo)致用水設(shè)備無法正常工作；工業(yè)上，液壓系統(tǒng)的液壓需要按照工作需要進(jìn)行準(zhǔn)確控制。然而，由于我國科技發(fā)展程度低，在恒壓控制方面還存在著技術(shù)落后、能源浪費嚴(yán)重的問題。就拿個人家庭自來水水壓的控制來說，為了保證對水壓有嚴(yán)格

2、要求的用水設(shè)備的正常使用，目前很多商家設(shè)計的加壓設(shè)備都是簡單地增添一個加壓水泵，接通電源加壓水泵就開始工作，關(guān)斷電源系統(tǒng)就停止工作。這樣，不僅不能有效地保證水壓的恒定，而且在用水低谷時系統(tǒng)仍額定功率工作，浪費大量能源。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，解決供水行業(yè)自動化程度過低的問題，這里設(shè)計基于STM32的PID閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)。</p><p>　　本恒壓控制系統(tǒng)主要是由STM32微處理器組成的主控單元、電機(jī)驅(qū)動系

3、統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、壓力變送系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)等部分構(gòu)成。壓力變送系統(tǒng)實時檢測水管管道壓力；STM32作為中央處理芯片，使用PID控制算法，根據(jù)水壓預(yù)設(shè)值和水壓變送系統(tǒng)測量的實時水壓數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，產(chǎn)生驅(qū)動PWM信號；電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)按照正比例關(guān)系，輸出相應(yīng)的驅(qū)動電壓；加壓設(shè)備在驅(qū)動電機(jī)控制下，穩(wěn)定供水系統(tǒng)的水壓；系統(tǒng)的人機(jī)交互系統(tǒng)主要采用2.8寸TFT320X240LCD液晶屏，使用CPU 的FSMC 功能提高刷新速度，數(shù)據(jù)的更改和界面的顯示

4、使用了UCGUI圖像顯示系統(tǒng)，能夠方便、直觀、實時地顯示系統(tǒng)工作情況。</p><p>　　關(guān)鍵詞：STM32微處理器 ； PID調(diào)節(jié)；恒壓供水；UCGUI窗口系統(tǒng)。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In people’s daily life, we could see the station eve

5、rywhere in whitch the fluid pressure constant control. For example, single family instability or low water pressure cause water equipment does not work in our lives. In industry, hydraulic system requires work to be done

6、 in accordance with precise control. However, due to the low level of technological development, in the constant voltage control, there are still problems such as technology backwardness and serious waste of energy. As f

7、or the p</p><p>　　The constant pressure control system is mainly composed of the STM32, motor drive systems, pressure systems, pressure transmitter systems, interactive systems. Pressure transmission pipelin

8、e system detects the water pressure in real-time; STM32 works as a central processing chip, it uses PID control algorithm, the algorithm generates a driving PWM signal based on the real-time pressure data processing pre

9、sets and hydraulic pressure transmission system measurement; Motor drives the system accord</p><p>　　Key words: STM32 microprocessor; PID control; Constant pressure water supply; UCGUIsystem.</p><

10、p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1 恒壓控制系統(tǒng)的設(shè)計背景及意義</p><p>　　恒壓控制系統(tǒng)在很多時候的控制對象是水泵，水泵是一種面大量廣的通用型機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力冶金、礦山、選船、輕工、農(nóng)業(yè)、民用和國防等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料表明，水泵的電能消耗占全國電能消耗的21％以上。因此大力降

11、低泵的能源消耗，對節(jié)約能源具用十分重大的意義。</p><p>　　針對我國水泵的耗能量如此大的情況，國內(nèi)有大量的專家就如何提高水泵的效率而努力。經(jīng)過幾代人的付出，目前我國的水泵水力設(shè)計水平已經(jīng)與國外的先進(jìn)水平相當(dāng)，但是，由于工藝水平和制造技術(shù)的差距導(dǎo)致水泵自身效率仍然比國外低20％～30％，因此通過改進(jìn)水泵自身的水力性能來提高水泵系統(tǒng)整體效率在短時間內(nèi)很難解決。而與此同時，我國水泵機(jī)組的運行的效率依然比國外先進(jìn)

12、水平低20％左右，主要原因是我國水泵運行控制模式簡單，一般使水泵工作在工頻條件下，保持其轉(zhuǎn)速恒定，通過調(diào)整出口閥的開度控制供水水壓來保持出口壓力不變。這種控制方式會使大量的能量消耗在出水閥門上，造成能源利用率不高，因此選用合理的水泵系統(tǒng)控制策略，能夠有效的達(dá)到節(jié)約能源的目的。</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，采用節(jié)流方式調(diào)節(jié)流量的恒壓控制方式逐漸被新的恒壓控制方式替代。本文的系統(tǒng)恒壓控制策略通過采用PID運算

13、自動改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的。該方法可取代過去高位水箱和壓力罐等常用供水設(shè)備，并且其啟動時的電流可以控制在額定電流內(nèi)，因此有效避免了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊。另外，由于水泵的平均轉(zhuǎn)速得到降低，使得水泵和閥門等部件的使用年限得到延長，并且可以消除由于啟動或停機(jī)而產(chǎn)生的水錘效應(yīng)。綜上所述。該供水方式以其在操作方式，運行性能以及功能上的優(yōu)勢，使水泵系統(tǒng)供水實現(xiàn)了節(jié)水、節(jié)電、節(jié)能，并達(dá)到了系統(tǒng)的高效率運行。</p>&l

14、t;p>　　1.2 恒壓控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景</p><p>　　恒壓控制系統(tǒng)在很長的時間內(nèi)都是通過額定功率設(shè)備為系統(tǒng)增壓，使系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定在一個恒定值，但這樣有兩個致命的缺點。第一是壓力不穩(wěn)定，由于功率已定，所以當(dāng)系統(tǒng)壓力收到外接擾動影響時，系統(tǒng)不能根據(jù)擾動情況實時進(jìn)行壓力調(diào)整，導(dǎo)致壓力隨外界擾動變化而變化；第二是效率低，由于系統(tǒng)的加壓部分只有額定功率工作狀態(tài)和不工作狀態(tài)，結(jié)果是系統(tǒng)在高壓時加壓部分仍

15、然全功率運轉(zhuǎn)或者在低壓時加壓設(shè)備仍以額定功率運轉(zhuǎn)，無法為系統(tǒng)提供足夠的壓強(qiáng)。</p><p>　　隨著對恒壓控制系統(tǒng)要求的提高，人們開始通過設(shè)置壓力上限和下限的方法來維持壓強(qiáng)恒定。當(dāng)系統(tǒng)壓力小于壓力下限時立即讓加壓設(shè)備以額定功率工作；當(dāng)加壓設(shè)備以額定功率使得系統(tǒng)壓力大于壓力上限時，關(guān)閉加壓設(shè)備。通過這種方法，恒壓系統(tǒng)的恒壓品質(zhì)得到了很大的提高。但由于上下限的存在使系統(tǒng)的壓力總是在不停地上限和下限之間來回波動，恒壓

16、系統(tǒng)的恒壓質(zhì)量還是不高。除此之外，為了保持系統(tǒng)壓力的相對恒定，要求增壓設(shè)備不停地開關(guān)，這會造成系統(tǒng)能量的無用損耗，頻繁的開關(guān)大型的用電設(shè)備還會給電網(wǎng)帶來諧波污染。</p><p>　　PID閉環(huán)控制器問世至今，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)

17、試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或者不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。</p><p>　　近年來又出現(xiàn)一種新型控制器——模糊控制器。模糊控制器的優(yōu)點是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則來組織控制決策，然后通過該表決定控制量的大小。該種控制器對復(fù)雜的和模型不清楚地系統(tǒng)卻能進(jìn)行簡單有效的控制，但由于模糊控制器不具備積分環(huán)

18、節(jié)，因而在模糊控制系統(tǒng)中又很難完全消除靜差，而且在變量分級不足夠多的情況下，常常在平衡點附近會有小的震蕩現(xiàn)象。結(jié)合模糊控制和PID控制各自的優(yōu)缺點，人們將其結(jié)合，形成了模糊PID控制器。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)控制對象復(fù)雜度不高，PID控制算法足可以達(dá)到控制效果，因此我們選用PID控制算法作為系統(tǒng)的核心控制算法。</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容</p

19、><p>　　現(xiàn)在市場上基于PLC平臺、使用PID算法、通過變頻器實現(xiàn)系統(tǒng)壓力恒定的系統(tǒng)已經(jīng)存在，但對于單個家庭使用的恒壓系統(tǒng)，PLC和變頻器組合的高昂成本是個人家庭所無法承受的，而且基于PLC的方案由于其處理器的特性，使得系統(tǒng)的參數(shù)整定復(fù)雜困難，而本文方案使用價格低廉、功能強(qiáng)大的32位單片機(jī)STM32作為處理器，組成基于PID閉環(huán)調(diào)節(jié)的恒壓控制系統(tǒng)。由于其控制對象系統(tǒng)自身的特性，使得用于PID控制器參數(shù)整定的試湊法

20、成為可能，又因為STM32單片機(jī)強(qiáng)大的軟硬件功能，使得PID控制器參數(shù)的整定變得簡單可行。</p><p>　　本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為控制器，以PID控制算法作為控制算法，依據(jù)壓強(qiáng)設(shè)定值和由壓強(qiáng)傳感器PSG010搭建的壓強(qiáng)變送器測得的壓強(qiáng)實際值為依據(jù)，通過不同占空比的PWM波，控制水泵的轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的壓強(qiáng)恒定。系統(tǒng)的參數(shù)通過UCGUI視窗人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行修改和顯示，在尋找系統(tǒng)最佳PID參數(shù)時，可以讓S

21、TM32與上位機(jī)進(jìn)行雙機(jī)通訊，在PC上實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的實時顯示。</p><p>　　2.恒壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計</p><p>　　2.1 恒壓方案設(shè)計</p><p>　　2.1.1 恒功率穩(wěn)壓控制方案</p><p>　　恒功率控制方案是最早也是最原始的一種恒壓控制方案，這種方案一般會為系統(tǒng)配備功率足夠大的增壓設(shè)備，在需要保持壓強(qiáng)恒定時，保

22、持增壓設(shè)備以額定功率工作。由于增壓設(shè)備功率冗余比較大，所以當(dāng)外部的擾動不大時，擾動對系統(tǒng)恒定壓強(qiáng)的影響就不大。</p><p>　　這種穩(wěn)壓控制方案能夠在一定程度上實現(xiàn)壓強(qiáng)的相對恒定，但該方案的缺點也是很明顯的。首先是耗能嚴(yán)重，只要系統(tǒng)工作，加壓設(shè)備就以額定功率工作，當(dāng)外界擾動對壓強(qiáng)影響較小時，加壓功率的絕大部分都損耗在了管網(wǎng)上；其次是穩(wěn)壓效果差，在外界擾動比較小時，系統(tǒng)壓強(qiáng)只是隨著擾動而小幅度變化，當(dāng)擾動較大時

23、，由于加壓設(shè)備的功率不能實時調(diào)節(jié)，所以會導(dǎo)致系統(tǒng)恒壓的效果大打折扣。</p><p>　　2.1.2 設(shè)定上下限穩(wěn)壓控制方式</p><p>　　設(shè)定上下限穩(wěn)壓方式是在恒定功率穩(wěn)壓方案之后出現(xiàn)的一種穩(wěn)壓方式。該穩(wěn)壓系統(tǒng)會設(shè)定一對壓強(qiáng)下限和壓強(qiáng)上限，當(dāng)檢測到系統(tǒng)壓強(qiáng)小于壓強(qiáng)下限時，增壓設(shè)備會開始額定功率運行，當(dāng)增壓設(shè)備以額定功率將壓強(qiáng)增大到超過壓強(qiáng)上限時，系統(tǒng)會切斷增壓設(shè)備，最終效果是使系統(tǒng)

24、的壓強(qiáng)在壓強(qiáng)上限和壓強(qiáng)下限之間波動。這種穩(wěn)壓方式雖然還是采用額定功率的方式加壓，但由于它添加了壓強(qiáng)檢測環(huán)節(jié)，已經(jīng)能夠進(jìn)行壓強(qiáng)的反饋，只要外部擾動的作用效果小于增壓設(shè)備的調(diào)節(jié)作用，都能實現(xiàn)系統(tǒng)壓強(qiáng)的在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定。</p><p>　　但這種恒壓控制方案仍然存在問題。首先是系統(tǒng)效率低。因為增壓設(shè)備仍是采用額定功率，這樣系統(tǒng)為了維持系統(tǒng)壓強(qiáng)在壓強(qiáng)上限和壓強(qiáng)下限之間穩(wěn)定就要頻繁地啟動和關(guān)閉增壓設(shè)備，不論是直流電機(jī)還是

25、交流電機(jī)，啟動的過程都會損耗大量能量，造成能量浪費嚴(yán)重。不僅如此，如果系統(tǒng)增壓設(shè)備的功率較大，頻繁的開關(guān)還會對電網(wǎng)造成干擾，增加系統(tǒng)損壞的危險；其次是穩(wěn)壓效果差，不能實現(xiàn)實際壓強(qiáng)和設(shè)定值之間無誤差?？紤]到盡量減少加壓設(shè)備的開關(guān)次數(shù)，系統(tǒng)的壓強(qiáng)上限和壓強(qiáng)下限之間一般都不會設(shè)定的很接近，這就會導(dǎo)致系統(tǒng)的壓強(qiáng)的波動不能降到很小，系統(tǒng)的壓強(qiáng)會一直在最大和最小值之間波動。</p><p>　　2.1.3 PID閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓

26、方式</p><p>　　PID調(diào)節(jié)即比例、積分、微分控制，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值與輸出值進(jìn)行比較，通過比較得到的偏差值來進(jìn)行比例、積分和微分的控制它不僅用途廣泛、使用靈活，而且使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp，Ti和Td）。在這三個參數(shù)中，我們可以選取其中的一個或兩個參數(shù)來控制，但是比例控制單元是不可或缺的。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性

27、變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定，PID調(diào)節(jié)的控制規(guī)律為：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　其中Ti為積分時間常數(shù)，Kp為放大系數(shù)， Td為微分時間常數(shù)。</p><p>　　相對于恒功率穩(wěn)壓方式的無反饋控制和設(shè)定上下限的“開關(guān)”反饋控制，PID閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓方式擁有突出

28、的優(yōu)點。首先是節(jié)能，由于采用了反饋調(diào)節(jié)，使得增壓設(shè)備能夠根據(jù)系統(tǒng)的實際情況進(jìn)行增壓設(shè)備功率的無極調(diào)節(jié)，這樣避免了增壓設(shè)備的頻繁開啟和關(guān)斷，達(dá)到了節(jié)能的目的。其次是穩(wěn)壓效果好，由于PID閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓系統(tǒng)中有積分環(huán)節(jié)，能根據(jù)誤差進(jìn)行積分，最終將系統(tǒng)誤差減小到零，所以理論上PID閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差基本為零，而且由于微分環(huán)節(jié)的存在，使得系統(tǒng)可以提前獲得控制對象的變換趨勢，根據(jù)這種趨勢提前應(yīng)對即將到來的外部干擾，所以PID閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓系統(tǒng)

29、具有很高的反應(yīng)速度，在外界擾動結(jié)束后，迅速由介穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　由以上分析比較可知，相對于恒功率穩(wěn)壓控制方案和設(shè)定上下限穩(wěn)壓控制方案，PID閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓方式無論是在穩(wěn)壓效果還是系統(tǒng)效率都表現(xiàn)突出，所以PID閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓方式是較為理想的穩(wěn)壓方案。</p><p>　　2.2 恒壓系統(tǒng)調(diào)速方案設(shè)計</p><p>　　在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)壓強(qiáng)通常

30、是通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動增壓設(shè)備來實現(xiàn)，所以，在確定恒壓系統(tǒng)方案之后，還需要確定恒壓系統(tǒng)的調(diào)速方案。而當(dāng)前恒壓系統(tǒng)的調(diào)速方式可分為兩種，分別是交流電機(jī)調(diào)速方式和直流電機(jī)調(diào)速方式。</p><p>　　2.2.1 交流調(diào)速方式恒壓控制方案 </p><p>　　交流調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成，通常由鼠籠式異步電動機(jī)驅(qū)動水泵來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體。&l

31、t;/p><p>　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　異步電機(jī)的同步速度為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：</b></p&g

32、t;<p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　--------異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速</p><p>　　--------異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速</p><p>　　---------異步電機(jī)的定子供電電源頻率</p>

33、<p>　　---------異步電機(jī)的極對數(shù)</p><p>　　---------轉(zhuǎn)差率</p><p>　　由式(2-3)可知，當(dāng)電源頻率保持不變時，通過改變異步電機(jī)的極對數(shù)就能改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)異步電機(jī)的極對數(shù)保持不變時，通過改變電源的頻率就能改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　?。?）變級對數(shù)調(diào)速</b>

34、</p><p>　　在電源頻率一定的情況下，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比，改變電動機(jī)極對數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速?？梢酝ㄟ^改變定子繞阻的接線方法來改變極對數(shù)。以電動機(jī)一相繞組為例，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對數(shù)。如果使=1，2，3等，就可以得到=3000、1500、1000r/min等不同的同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電

35、機(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。</p><p><b>　　（2）變頻調(diào)速</b></p><p>　　變頻調(diào)速是將電網(wǎng)工頻交流電經(jīng)過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動機(jī)，使其可在變速的情況下運行。改變電動機(jī)定子頻率可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地也就改變了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)差率S可保持不變或很小。但對電動機(jī)來說，定子頻率改變后，

36、其運行會受到影響。如果電壓不變，頻率增加時，磁通量將減少，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩會下降，嚴(yán)重時會使電機(jī)堵轉(zhuǎn)；而當(dāng)頻率降低時，磁通增加，會使磁路飽和，勵磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許出現(xiàn)的情況。因此，在實用上，要求在調(diào)頻的同時，也改變定子電壓，以保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。</p><p>　　實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種：交—直一交變頻器和交一交變頻器。</p><p&

37、gt;　　交---直---交變頻器</p><p>　　交直交變頻器將交流電先整流為直流電，然后通過逆變裝置將直流電再轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流電。其方框圖如圖2- 1所示。</p><p>　　圖2-1 交直交變頻器原理方框圖</p><p>　　它由三個環(huán)節(jié)組成：整流電路，其作用是將電壓、定頻率的交流電變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電；逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換

38、為頻率可調(diào)的交流電；濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。在交一直一交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。近年來，由于電力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型(簡稱 PWM)變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。PWM變頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。它不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功

39、能，是一種比較理想的方式。</p><p>　　2) 交---交變頻器</p><p>　　它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過變頻電路同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。交一交變頻器由于直接交換，減少了換流電路，損耗少，效率高，波型好，但調(diào)速范圍小，控制線路復(fù)雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。利用變頻技術(shù)對水泵電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速，可以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的

40、節(jié)能效果，是目前常用的技術(shù)。</p><p>　?。?）可控硅串級調(diào)速</p><p>　　它是把異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電勢經(jīng)過整流—逆變后回饋給電網(wǎng)，回收功率就是轉(zhuǎn)差功率。當(dāng)改變逆變角時，逆變電勢、轉(zhuǎn)差功率、轉(zhuǎn)差率都將隨之改變，從而達(dá)到調(diào)速的目的。電動機(jī)運行時經(jīng)氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率MP，一部分成為機(jī)械功率P(即MP(1-S))，另一部分則成為轉(zhuǎn)差功率SMP。電動機(jī)正常運行時，轉(zhuǎn)差率S很小，轉(zhuǎn)

41、差功率也很小，轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子回路中以熱的形式損耗掉。但在調(diào)速時，隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率升高，轉(zhuǎn)差功率也直線上升?？煽毓璐壵{(diào)速就是把這部分功率取出來，然后回送到電網(wǎng)，從而大大提高電動機(jī)低速運行時的效率。 </p><p>　　圖2-2 可控硅串級調(diào)速原理圖</p><p>　　串級調(diào)速的最大優(yōu)點是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好。但是由于調(diào)速線路過于復(fù)雜，且還需要增

42、加一臺與電動機(jī)相匹配的變壓器，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，帶來了成本高、占水泵房面積大等缺點因而影響它的推廣使用。</p><p>　　目前，國內(nèi)大都使用交—直—交變頻器。其特點如下：</p><p>　?、傩矢?，調(diào)速過程中沒有附加損耗。② 應(yīng)用范圍廣，可用于鼠籠型異步電動機(jī)。③ 調(diào)速范圍廣，特性硬，精度高。④ 技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護(hù)檢修困難。⑤ 本方法適用于要求精度高，調(diào)速性能較好的場合

43、。 </p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中有很重要的地位：①應(yīng)用面廣，是工業(yè)企業(yè)和日常生活中普遍需要的新技術(shù)。②是節(jié)約能源的高新技術(shù)。 ③是國際上技術(shù)更新?lián)Q代最快的領(lǐng)域。④是高科技領(lǐng)域的綜合性技術(shù)。⑤是替代進(jìn)口，節(jié)約投資的最大領(lǐng)域之一。</p><p>　　2.2.2 直流調(diào)速方式恒壓控制方案</p><p>　　1. 直流電機(jī)

44、的結(jié)構(gòu)</p><p>　　如下圖2-3所示是直流電機(jī)的物理模型，由圖可以看出，直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)中有換向器、電刷，磁極和轉(zhuǎn)子，在實際直流電機(jī)中，還包括機(jī)座和端蓋，換向磁極、主磁極、機(jī)座和端蓋，電刷裝置組成電機(jī)的定子，電樞繞組、電樞鐵心、轉(zhuǎn)軸、軸承和換向器構(gòu)成電機(jī)的轉(zhuǎn)子。</p><p>　　圖2-3 直流電機(jī)模型</p><p>　　由圖2-3所示，N、S為定子的磁極

45、，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子，又被稱電樞。線圈的a、d端連接到兩個相互絕緣的換向片上。換向片上面有不動的電刷，電刷和轉(zhuǎn)子線圈與外電路是連通的。</p><p>　　2. 直流電機(jī)的基本工作原理</p><p>　　如圖2-4所示，當(dāng)我們在AB相加上直流電壓源后，電流方向為dcba，我們由楞次定律可知，在N上S下的情況下，電樞有向左的力，是電

46、樞向左運動，當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動180度時，由于換向器的作用，使電流的方向發(fā)生改變，電流方向為abcd，雖然電流方向發(fā)生改變，但是力的方向沒有發(fā)生改變，仍然是向左的，正因為如此，可以使電機(jī)一直朝一個方向運動下去,但是由于轉(zhuǎn)子只有1個磁極的關(guān)系，在磁場中的受力并不均勻，所以這樣的電機(jī)在轉(zhuǎn)的時候會有明顯的震顫感覺，所以實際直流發(fā)電機(jī)的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，當(dāng)線圈增加時，相應(yīng)的磁極也要增

47、加。 </p><p>　　圖2-4 直流電機(jī)轉(zhuǎn)動模型</p><p>　　直流電機(jī)是電能轉(zhuǎn)換裝置，它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，當(dāng)電樞上有直流電通過時，會在電樞繞組上感應(yīng)電動勢，稱為電樞電動勢，電樞電動勢與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，表達(dá)式分別為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?

48、-5）</b></p><p>　　由公式（2-5）中，為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、為電樞電阻、 為電動機(jī)電動勢常數(shù)、勵磁磁通（Wb）。我們可以看出，電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓、電樞電流和勵磁磁通有關(guān)，當(dāng)電壓不變時，增大電樞電流，轉(zhuǎn)速就會下降，當(dāng)電樞電流不變時，減小電樞電壓轉(zhuǎn)速也會下降。</p><p>　　由電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 可以看出，直流電機(jī)的調(diào)速方法有以下三種，一是調(diào)節(jié)勵磁磁通Ф，二是調(diào)節(jié)電

49、樞電壓U，三是調(diào)節(jié)電樞回路的電阻R。在這三種調(diào)速方式中，調(diào)節(jié)勵磁磁通需要改變磁場強(qiáng)度，在很多直流電機(jī)中，一般采用永久磁鐵作為直流電機(jī)的NS極，在這種結(jié)構(gòu)中，無法調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度的大小，但是也有一些直流電機(jī)采用直流勵磁的方式獲取磁場，由于直流電機(jī)本身結(jié)構(gòu)就復(fù)雜，所以用直流勵磁的方式很少采用；在直流電機(jī)中，只要直流電機(jī)已確定，那么它的電樞電阻也就固定，所以也就無法調(diào)節(jié)電樞的電阻大??；直流電機(jī)中電樞電壓是由外加電壓確定的，改變外加電壓即可調(diào)節(jié)電樞

50、電壓的大小，所以在這三種調(diào)速方式中電樞電壓調(diào)節(jié)方式最好實現(xiàn)，而且調(diào)節(jié)電樞電壓的大小調(diào)速范圍大，因此在自動控制中我們常常采用調(diào)壓調(diào)速。</p><p>　　由以上分析可知，交流調(diào)速和直流調(diào)速都能夠保證加壓設(shè)備的無極調(diào)速，</p><p>　　從而都能實現(xiàn)恒壓系統(tǒng)壓強(qiáng)調(diào)節(jié)。相對于交流電機(jī)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝復(fù)雜，但是直流電機(jī)相對節(jié)能，功率因素高，直流電機(jī)獨特的工作方式使它的調(diào)速范圍廣、帶負(fù)

51、載能力大、震動小、噪音低、通用性強(qiáng)、維護(hù)方便，而且直流電機(jī)對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，可在有腐蝕等惡劣環(huán)境中工作。在液壓設(shè)備、個人家庭自來水穩(wěn)壓方面，直流穩(wěn)壓方式仍是一種理想的選擇。</p><p>　　2.3 恒壓控制系統(tǒng)要完成的主要功能</p><p>　　1、恒壓控制系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)壓強(qiáng)的恒定，系統(tǒng)壓強(qiáng)的實際值應(yīng)該能緊密跟隨系統(tǒng)壓強(qiáng)的設(shè)定值，并且在系統(tǒng)壓強(qiáng)設(shè)定值變化后，實際的系統(tǒng)壓強(qiáng)能夠迅

52、速跟隨設(shè)定值變化。</p><p>　　2、要實現(xiàn)對系統(tǒng)壓強(qiáng)的恒定控制，必須獲得系統(tǒng)的實時壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，這要求系統(tǒng)擁有壓強(qiáng)變送系統(tǒng)，能夠獲得系統(tǒng)的實時系統(tǒng)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。</p><p>　　3、系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)壓強(qiáng)設(shè)定值和實際值的情況，給出驅(qū)動信號，改變驅(qū)動電機(jī)的電壓幅值。</p><p>　　4、對系統(tǒng)的運行情況、增壓設(shè)備的轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓強(qiáng)都要進(jìn)行監(jiān)控，對于危險情況要設(shè)置報

53、警信號，并自動做出反應(yīng)。</p><p>　　5、有友好的人機(jī)界面，要能夠完成人機(jī)交流，可以對系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)行監(jiān)控，可以通過監(jiān)控軟件改變初值、參數(shù)等。</p><p>　　6、應(yīng)該做到系統(tǒng)無故障運行時，基本上可以做到無人自動恒壓無級調(diào)速運行。</p><p>　　2.4 恒壓控制系統(tǒng)方案及選擇</p><p>　　恒壓控制系統(tǒng)主要由壓力變送

54、器、主控單元、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)以及人機(jī)交互界面系統(tǒng)組成。系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是利用主控單元系統(tǒng)使電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制水泵運行，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定，同時還要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，一共有以下幾種方案可供選擇；</p><p>　?。?）有供水基板的變頻器+交流水泵機(jī)組+壓力傳感器</p><p>　　這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器

55、等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。該方法雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但是壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求。在調(diào)試時，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。</p><p>　?。?）PLC(

56、包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制) +交流水泵機(jī)組+人機(jī)界面+壓力變送器</p><p>　　這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其它的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。但PLC功能拓展性弱，實現(xiàn)功能單一，且成本高昂。影響此種方案在小型系統(tǒng)中的使用。</p><p>　　圖2-5 變頻設(shè)備供水設(shè)備工作示意圖</p><p>　?。?）單片機(jī)(調(diào)節(jié)器控制) +直流水泵機(jī)組+

57、人機(jī)界面+壓力傳感器 </p><p>　　這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，由于使用的是直流加壓機(jī)組，特別適合小型恒壓控制系統(tǒng)。其穩(wěn)定性不高的弊端隨著單片機(jī)技術(shù)的成熟，穩(wěn)定性得到大幅度提高，功能進(jìn)一步豐富，而價格卻更加低廉。因此該系統(tǒng)尤其適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的恒壓供水中。</p><p>　　通過對以上幾種方案的分析和比較，可以看出“單片機(jī)(調(diào)節(jié)器控

58、制) +直流水泵機(jī)組+人機(jī)界面+壓力變送器”的控制方式更適合于實際應(yīng)用。該控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。</p><p>　　供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器和電機(jī)驅(qū)動器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。根據(jù)水壓的變化，由電機(jī)驅(qū)動器調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)恒壓。為實現(xiàn)便于進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試，系統(tǒng)中還配置了計算機(jī)上位機(jī)調(diào)試功能。</p><p>

59、;　　綜上所述，微機(jī)控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，除微機(jī)控制系統(tǒng)外，系統(tǒng)還包括電機(jī)驅(qū)動單元、水泵電動機(jī)組、壓力變送器，人機(jī)交互界面和上位監(jiān)控計算機(jī)。恒壓控制系統(tǒng)的原理圖如圖2- 6所示。</p><p>　　2.5 恒壓控制系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　從系統(tǒng)組成來講，恒壓控制系統(tǒng)由主控單元、壓強(qiáng)變送系統(tǒng)、增壓設(shè)備驅(qū)動部分、增壓設(shè)備、人機(jī)界面、上位機(jī)以及報警裝置等部分組成</p&g

60、t;<p>　　圖2-6 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　2.5.1 主控單元</p><p>　　主控單元由以32位的單片機(jī)STM32為核心的最小系統(tǒng)組成，它是整個恒壓控制控制系統(tǒng)的核心。主控單元直接對系統(tǒng)中的壓力、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制PID算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過電機(jī)驅(qū)動器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。<

61、;/p><p>　　2.5.2 壓力變送系統(tǒng)</p><p>　　壓力變送系統(tǒng)由壓力傳感器部分、信號放大兩部分組成，負(fù)責(zé)將壓強(qiáng)信號變換成電壓信號。</p><p>　　壓力傳感器是利用彈性敏感元件和應(yīng)變計將被測壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻值變化器件，按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式、應(yīng)變梁式和組合式4種。</p><p>

62、;<b>　　1）應(yīng)變管式</b></p><p>　　又稱應(yīng)變筒式。它的彈性敏感元件為一端封閉的薄壁圓筒，其另一端帶有法蘭與被測系統(tǒng)連接。在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片，其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應(yīng)變片。當(dāng)沒有壓力時 4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時,圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力

63、轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、適用性強(qiáng)，在火箭彈、炮彈和火炮的動態(tài)壓力測量方面有廣泛應(yīng)用。</p><p>　　圖2-7 筒式壓力傳感器示意圖</p><p><b>　　2）膜片式</b></p><p>　　它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時，中心&l

64、t;/p><p>　　處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱恪Ｒ虼顺０褍蓚€應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計則能最大限度地利用膜片的應(yīng)變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定

65、結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器。</p><p>　　圖2-8 膜片式壓力傳感器</p><p><b>　　3）應(yīng)變梁式</b></p><p>　　測量較小壓力時，可采用固定梁或等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把</p><p>　　壓力轉(zhuǎn)換為力再通過傳力桿傳遞給應(yīng)變梁。圖2-9中兩端固定梁的最大應(yīng)變處在梁的兩端和中點，應(yīng)

66、變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。</p><p>　　圖2-9 應(yīng)變梁式壓力傳感器</p><p><b>　　4）組合式</b></p><p>　　在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變元件。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變元件應(yīng)變最敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變元

67、件的最大應(yīng)變處。實際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應(yīng)變元件有懸臂梁、固定梁、Π形梁、 環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)動態(tài)或靜態(tài)壓力，例如動力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道壓力等等。</p><p>　　2.5.3 加壓系統(tǒng)</p><p>　　加壓系統(tǒng)是由

68、可調(diào)速的直流電機(jī)和加壓輪葉組構(gòu)成，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時帶動葉輪組轉(zhuǎn)動，葉輪將液體甩入出水管道。在需要增大系統(tǒng)壓強(qiáng)時可以通過增大電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣控制系統(tǒng)的壓強(qiáng)也就可以通過間接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。</p><p>　　圖2-10 加壓設(shè)備原理圖</p><p>　　2.5.4 人機(jī)界面</p><p>　　人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的通道。通過人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定壓

69、力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進(jìn)行監(jiān)示，顯示報警信息等。</p><p><b>　　2.5.5 上位機(jī)</b></p><p>　　上位機(jī)能夠動態(tài)地顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，較直觀地顯示系統(tǒng)的動態(tài)性能，便于操作員進(jìn)行理想?yún)?shù)的整定。在正常狀態(tài)下，能夠方便地實現(xiàn)對整個系

70、統(tǒng)的監(jiān)視。</p><p>　　2.2.6 報警裝置</p><p>　　作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于要適用于不同的供水領(lǐng)域，為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)地運行，防止出現(xiàn)電機(jī)過載、電網(wǎng)電壓過大波動、參數(shù)設(shè)定錯誤導(dǎo)致出現(xiàn)危險水壓等故障，必須對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，由微機(jī)處理系統(tǒng)及時進(jìn)行判斷處理，進(jìn)行顯示和啟動保護(hù)機(jī)制，以避免造成嚴(yán)重?fù)p失。</p><p&g

71、t;<b>　　3.系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　通過前面對恒壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方案的分析，確定下來了本系統(tǒng)所需要的硬件設(shè)備主要有STM32控制器、電機(jī)驅(qū)動單元、壓力變送器、以及水泵機(jī)組和液晶顯示部分、電源系統(tǒng)等。本章將這些硬件設(shè)備進(jìn)行具體選型分析和配置。</p><p>　　3.1 主控單元方案設(shè)計</p><p>　　恒壓控制

72、系統(tǒng)的主控單元有多種方案可供選擇，例如歷史悠久的51單片機(jī)、PLC控制器、DSP等。但51單片機(jī)的各項性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高性能控制系統(tǒng)的要求；PLC的外設(shè)不夠豐富，不方便進(jìn)行系統(tǒng)功能的拓展；DSP雖然運行速度快、信息處理能力強(qiáng)，但價格不夠低廉，先天的基因也不適合工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境。所以綜合比較，具有8位單片機(jī)價格32位單片機(jī)性能和豪華外設(shè)的STM32是系統(tǒng)主控單元的理想選擇。</p><p>　　STM32是S

73、T（意法半導(dǎo)體）公司的一款32位單片機(jī)，采用Cortex-M3內(nèi)核基于ARM V7架構(gòu)，不僅支持Thumb-2指令集，而且擁有很多的新特性。較之ARM7TDMI，Cortex-M3擁有更強(qiáng)勁的性能、更高的代碼密度、位操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優(yōu)勢。</p><p>　　國內(nèi)Cortex-M3市場，ST公司的STM32無疑是最大的贏家，最為Cortex-M3內(nèi)核最先嘗蟹的兩個公司（另一個是Luminar

74、y(流明)）之一，ST無論是在市場占有率，還是在技術(shù)支持方面，都遠(yuǎn)超其它對手，在Cortex-M3芯片的選擇上，性價比最高的STM32無疑是我們的首選。</p><p>　　STM32的優(yōu)異性體現(xiàn)在如下幾個方面：</p><p>　　1、超低的價格。以8位機(jī)的價格，得到32位機(jī)，是STM32最大的優(yōu)勢。</p><p>　　2、眾多的外設(shè)。STM32擁有包括：FSM

75、C、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC、DMA等眾多外設(shè)及功能，具有極高的集成度。</p><p>　　3、豐富的型號。STM32僅M3內(nèi)核就擁有F100、F101、F102、F103、F105、F107、F207、F217等8個系列上百中型號，具有QFN、LQFP、BGA等封裝可供選擇。同時STM32還推出了STM32L和STM32W等超低功耗和無線應(yīng)用型的M3

76、芯片。</p><p>　　4、優(yōu)異的實時性能。84個中斷，16級可編程優(yōu)先級，并且所有的引腳都可以作為中斷輸入。</p><p>　　5、杰出的功耗控制。STM32各個外設(shè)都有自己的獨立時鐘開關(guān)，可以通過關(guān)閉相應(yīng)的時鐘來降低功耗。</p><p>　　6、極低的開發(fā)成本。STM32的開發(fā)不需要昂貴的仿真器，只需要一個串口即可下載代碼，而且支持SWD和JTAG兩種調(diào)

77、試口。SWD調(diào)試可以為你的設(shè)計帶來更多的方便，只需要2個IO口，即可實現(xiàn)仿真。</p><p>　　3.1.1 STM32F103VE單片機(jī)特點</p><p>　　STM32F103VE是使用高性能的ARM Cortex-M3的增強(qiáng)型32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB

78、總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。 </p><p>　　STM32F103VE工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。 </p><p&

79、gt;　　完整的STM32F103VE系列產(chǎn)品包括從36腳至100腳的五種不同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設(shè)配置不盡相同。下面給出了該系列產(chǎn)品中所有外設(shè)的基本介紹。這些豐富的外設(shè)配置，使得STM32F103VE增強(qiáng)型微控制器適合于多種應(yīng)用場合：</p><p>　　● 電機(jī)驅(qū)動和應(yīng)用控制 </p><p><b>　　● 醫(yī)療和手持設(shè)備&

80、lt;/b></p><p>　　● PC外設(shè)和GPS平臺 </p><p>　　● 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機(jī)和掃描儀</p><p>　　● 警報系統(tǒng)，視頻對講，和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)</p><p>　　STM32使用的Cortex-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實現(xiàn)

81、MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時提供卓越的計算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。ARM的Cortex-M3是32位的RISC處理器，提供額外的代碼效率，在通常8和16位系統(tǒng)的存儲空間上得到了ARM核心的高性能。</p><p>　　3.1.2 主控單元電路設(shè)計</p><p>　　圖3-1 STM32最小系統(tǒng)</p><p>　　主控單元

82、指的是以中央控制芯片STM32為核心以及支持芯片正常工作最小電路和負(fù)責(zé)系統(tǒng)信息輸入輸出的硬件設(shè)備的綜合。它們包括為主控單元供電的供電系統(tǒng)、負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供精確時鐘的晶振電路系統(tǒng)、負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)狀態(tài)的LED指示燈系統(tǒng)電路、負(fù)責(zé)簡單信息輸入的按鍵電路系統(tǒng)、負(fù)責(zé)大數(shù)據(jù)量顯示的全彩色液晶觸摸屏顯示電路、負(fù)責(zé)變換啟動方式的啟動電路系統(tǒng)和負(fù)責(zé)程序下載和串口通訊的電平轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。下面我們就這些電路分別進(jìn)行介紹。</p><p>&

83、lt;b>　　時鐘源電路設(shè)計</b></p><p>　　時鐘系統(tǒng)是CPU的脈搏，如果脈搏停止跳動，系統(tǒng)程序也就停止了運行所以時鐘系統(tǒng)的重要性不言而喻。STM32的始終系統(tǒng)比較復(fù)雜，不像簡單的51單片機(jī)那樣一個時鐘系統(tǒng)就可以解決一切。STM32本身非常復(fù)雜，外設(shè)非常的多，但是并不是所有的外設(shè)都需要系統(tǒng)時鐘這么高的頻率，而且同一電路，時鐘越快功耗越大，同時抗電磁擾動能力也會越弱，所以STM32外部

84、時鐘源采用高低兩個時鐘源，分別作為高速時鐘系統(tǒng)和低速時鐘系統(tǒng)的時鐘來源。具體電路圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 系統(tǒng)時鐘源電路圖</p><p>　　外部晶體 Y1 是 8MHz 晶體諧振器，諧振電容選擇22P。系統(tǒng)的時鐘經(jīng)過PLL （鎖相環(huán)倍頻輸出）模塊將時鐘提高到72MHz。外部低速時鐘源Y2是32.768KHz 晶體諧振器。諧振電容選擇22P。</p>

85、<p>　　2、 四位獨立按鍵電路設(shè)計</p><p>　　雖然系統(tǒng)的全彩色觸摸液晶屏已經(jīng)能夠完成系統(tǒng)信息的輸入，但機(jī)械按鍵的簡單、快捷、穩(wěn)定的特點是觸屏所不能達(dá)到的，這里我們?yōu)楹銐嚎刂葡到y(tǒng)保留了4個按鍵，這4個按鍵主要是在系統(tǒng)調(diào)試時完成，完成系統(tǒng)設(shè)定值及PID參數(shù)的整定。</p><p>　　圖3-2 按鍵輸入電路圖</p><p>　　3、系統(tǒng)電源系

86、統(tǒng)電路設(shè)計</p><p>　　STM32系統(tǒng)采用3.3V電壓供電，為了給系統(tǒng)提供可靠地電源，系統(tǒng)設(shè)計使用高效線性AMS1117-3.3V穩(wěn)壓電路，該電路在供電電流不大于1A時，可將外部高于4.3V以上的電壓穩(wěn)定在3.3V，具有穩(wěn)定、高效、安全的特點。具體電路圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 系統(tǒng)主電源系統(tǒng)</p><p>　　4、啟動方式電路設(shè)計&

87、lt;/p><p>　　STM32的BOOT0和BOOT1用于設(shè)置STM32的啟動方式，其對應(yīng)啟動模式如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 BOOT0，BOOT1啟動模式表</p><p>　　按照表3- 1，當(dāng)我們想用串口下載代碼，則必須設(shè)置BOOT0為1，BOOT1為0，而如果想讓系統(tǒng)一復(fù)位就開始跑代碼，則需配置BOOT0為0，BOOT1隨便配置即可。系&

88、lt;/p><p>　　統(tǒng)的啟動模式接口電路如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 啟動方式設(shè)置電路</p><p>　　5、顯示及觸摸接口模塊電路設(shè)計</p><p>　　顯示器采用2.8寸TFT320X240LCD(控制器ILI9325)，采用CPU 的FSMC （Flexible Static Memory Controller）功

89、能，LCD 片選CS 采用FSMC_NE1(P88)， FSMC_A16(P58)作為LCD 的RS 選擇， FSMC_nWE(P86)作為LCD 的/WR, FSMC_nOE(P85)作為LCD 的/RD, LCD 的RESET 腳用CPU 的PE1(P98)（ LCD-RST）， FSMC_D0---FSMC_D15 和LCD 的DB1-DB8 DB10-DB17 相互連接，觸摸屏接口采用SPI1 接口，片選為PB7-SPI1-CS

90、3， 觸摸電路的中斷申請線由PB6-7846-INT 接收。具體電路如圖3-5所示。LCD 寄存器地址為： 0x6000 0000，LCD 數(shù)據(jù)區(qū)地址： 0x6002 0000 。</p><p>　　圖3-5 人機(jī)界面硬件接口電路</p><p>　　6、四位獨立LED電路</p><p>　　任何一個控制系統(tǒng)都需要進(jìn)行信息的反饋，而LED指示燈無疑是最簡單方

91、便的選擇，所以雖然系統(tǒng)中已經(jīng)有全彩色液晶屏，但我們還是保留了4個紅色LED用于指示系統(tǒng)狀態(tài)信息。這4個LED燈分別接到PC6， PC7， PD13， PD6引腳。具體電路圖如圖3-6所示；</p><p>　　圖3-6 指示燈電路圖</p><p>　　7、RS-232 USB接口、 TTL USART1異步通信接口</p><p>　　為了實現(xiàn)系統(tǒng)程序的下載和系統(tǒng)

92、與上位機(jī)之間的通訊，系統(tǒng)擁有一套USB信號和US232信號轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路的核心是Prolific 公司生產(chǎn)的高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器PL2303，該芯片外圍只需要幾個電容就能夠?qū)崿F(xiàn)USB信號與RS232信號的雙向轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)電路中我們將PL2303和STM32串口1連接（PA9-US1-TX、 PA10-US1-RX）具體電路如圖3-7所示。</p><p>　　USART1 地址： 0x400

93、1 3800 - 0x4001 3BFF</p><p>　　圖3-7 USB轉(zhuǎn)串口電路</p><p>　　3.2 電機(jī)驅(qū)動設(shè)計與增壓設(shè)備的選型</p><p>　　3.2.1 增壓設(shè)備選型</p><p>　　系統(tǒng)中增壓設(shè)備選用385微型齒輪泵，增壓部件采用減速增矩的結(jié)構(gòu)，采用有刷電機(jī)驅(qū)動，具有小體積高壓力的特點。</p>

94、<p>　　385微型齒輪泵實物照片如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 增壓水泵實物圖</p><p>　　圖3-9 增壓水泵尺寸圖</p><p><b>　　385齒輪泵參數(shù)</b></p><p>　　1、額定電壓 ：12V</p><p>　　2、使用電壓 ：DC6V

95、-14V</p><p>　　3、無負(fù)荷額定電流 ：0.4A</p><p>　　4、無負(fù)荷吐水量   ：1780cc±10%</p><p>　　5、最大出水壓力：2.3Kg ±10%</p><p>　　6、負(fù)荷時額定電流   : 0.8A ~ 1.2A</p>&

96、lt;p>　　7、負(fù)荷時額定吐水量 ：1220CC±10%/min</p><p>　　8、噪音 ：50dB MAX（背景噪音30dB，0.5M以內(nèi)）</p><p>　　9、使用流體 ：自來水、地下水</p><p>　　3.2.2 電機(jī)驅(qū)動單元</p><p>　　由于帶動系統(tǒng)增壓設(shè)備的直流電機(jī)的功率較大,CPU無法直接驅(qū)

97、動。因此要在CPU和加壓電機(jī)之間添加驅(qū)動設(shè)備，這個驅(qū)動設(shè)備能夠?qū)⒐β瘦^小的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)化為電壓高，電流大的驅(qū)動電信號，驅(qū)動加壓直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　這里我們采用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。因此對于加壓設(shè)備12V的額

98、定電壓，1.2A的最大電流，該芯片完全能夠順利驅(qū)動。</p><p>　　L298N芯片實物圖如圖3-10所示；</p><p>　　圖3-10 LN298N電機(jī)驅(qū)動芯片</p><p><b>　　驅(qū)動板參數(shù)</b></p><p>　　1、驅(qū)動芯片：L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片</p><p&

99、gt;　　2、驅(qū)動部分端子供電范圍Vs：＋5V～＋35V ； 如需要板內(nèi)取電，則供電范圍Vs：+7V～+35V</p><p>　　3、板子驅(qū)動引腳通過光耦P521與驅(qū)動芯片連接，可有效避免因電機(jī)反電動勢過大造成的反向燒毀控制器的情況發(fā)生</p><p>　　4、驅(qū)動部分峰值電流Io：2A</p><p>　　5、邏輯部分端子供電范圍Vss; ＋5V～＋7V（可板內(nèi)

100、取電＋5V）</p><p>　　6、邏輯部分工作電流范圍:0～36mA</p><p>　　7、控制信號輸入電壓范圍：</p><p>　　低電平：－0.3V≤Vin≤1.5V </p><p>　　高電平：2.3V≤Vin≤Vss</p><p>　　8、使能信號輸入電壓范圍：</p><p&g

101、t;　　低電平：－0.3≤Vin≤1.5V（控制信號無效）</p><p>　　高電平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信號有效）</p><p>　　9、最大功耗：20W（溫度T＝75℃時）</p><p>　　3.2.3 電機(jī)驅(qū)動部分電路設(shè)計</p><p>　　驅(qū)動芯片L298N雖然內(nèi)部帶有隔離電路，但在驅(qū)動電機(jī)的自感電動勢過大時還是會影

102、響前級輸入，嚴(yán)重時會損壞前級控制芯片。為了減小電機(jī)自感電動勢對L298N的沖擊，我們在L298N輸出端接回流二極管，當(dāng)自感電動勢高于電源電壓時，回流二極管被導(dǎo)通，過高的自感電動勢直接通過二極管加到電源上，從而保護(hù)L298N驅(qū)動芯片。為了保證系統(tǒng)的安全，我們還在CPU和L298N驅(qū)動芯片之間增加光耦隔離，這樣即使由于電機(jī)重載驟停導(dǎo)致L298N被反向擊穿，也不會損壞前級控制系統(tǒng)。具體驅(qū)動電路電路圖如圖3-11所示。</p>&

103、lt;p>　　圖3-11 電機(jī)驅(qū)動板電路圖</p><p>　　3.3 壓力變送器設(shè)計</p><p>　　在本系統(tǒng)中將用到壓力變送器主要由測壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測量電路和過程連接件三部分組成。它能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號（如4～20mA DC等），以供給指示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。對于壓力變送

104、器方案的設(shè)計主要要考慮一下幾方面；</p><p>　　1、測量壓力值的大?。合却_定系統(tǒng)中要確認(rèn)測量壓力的最大值，一般而言，需要選擇一個具有比最大值還要大1.5倍左右的壓力量程的變送器。這主要是在許多系統(tǒng)中，尤其是水壓測量和加工處理中，有峰值和持續(xù)不規(guī)則的上下波動，這種瞬間的峰值能破壞壓力變送器，持續(xù)的高壓力值或稍微超出變送器的標(biāo)定最大值會縮短變送器的壽命，然而，由于這樣做會精度下降。于是，可以用一個緩沖器來降低

105、壓力毛刺，但這樣會降低變送器的響應(yīng)速度。所以在選擇變送器時，要充分考慮壓力范圍，精度與其穩(wěn)定性。</p><p>　　2、測量對象：我們要考慮的是壓力變送器所測量的介質(zhì)，黏性液體、泥漿會堵上壓力接口，溶劑或有腐蝕性的物質(zhì)會不會破壞變送器中與這些介質(zhì)直接接觸的材料。以上這些因素將決定是否選擇直接的隔離膜及直接與介質(zhì)接觸的材料。一般的壓力變送器的接觸介質(zhì)部分的材質(zhì)采用的是316不銹鋼。</p><

106、p>　　3、測量精度：決定精度的有，非線性，遲滯性，溫度、零點偏置刻度，溫度的影響。但主要由非線性，遲滯性，非重復(fù)性，精度越高，價格也就越高。每一種電子式的測量計都會有精度誤差的，但是由于各個國家所標(biāo)的精度等級是不一樣的，比如中國和美國等國家標(biāo)的精度是傳感器在線度最好的部分，也就是我們通常所說的測量范圍的10%到90%之間的精度;而歐洲標(biāo)的精度則是線性度最不好的部分，也就是我們通常所說的測量反的0到10%以及90%到100%之間的

107、精度，如歐洲標(biāo)的精度為1%，則在中國標(biāo)的精度就為0.5%。</p><p>　　4、變送器的溫度范圍：通常一個變送器會標(biāo)定兩個溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補償?shù)姆秶Ｕ２僮鳒囟确秶侵缸兯推髟诠ぷ鳡顟B(tài)下不被破壞的時候的溫度范圍，在超出溫度補嘗范圍時，可能會達(dá)不到其應(yīng)用的性能指標(biāo)。溫度補償范圍是一個比操作溫度范圍小的典型范圍。在這個范圍內(nèi)工作，變送器肯定會達(dá)到其應(yīng)有的性能指標(biāo)。溫度變化從兩方面影響著其輸

108、出，一是零點漂移；二是影響滿量程輸出。溫度影響是了解如何使用變送器時最復(fù)雜的一部分。</p><p>　　5、輸出信號要求：mV、V、mA及頻率輸出數(shù)字輸出，選擇怎樣的輸出取決于多種因素，包括變送器與系統(tǒng)控制器或顯示器間的距離，是否存在“噪聲”或其他電子干擾信號。是否需要放大器，放大器的位置等。對于許多變送器和控制器間距離較短的設(shè)備，采用mA輸出的變送器最為經(jīng)濟(jì)而有效的解決方法，如果需要將輸出信號放大，最好采用具