基于STM32和比例阀的精密微压控制系统设计与分析

李传宝　熊远生

摘要：在水位传感器的螺栓初始位置调试过程中，需要精密的微压源，为此设计了一个基于STM32和比例阀的精密微压控制系统。该微压控制系统由与气室气路相连的风压变送器检测气室的压力，STM32通过ADS1256采集风压变送器输出的气压模拟量，当检测气压小于设定值时，控制气泵向气室充气;当检测气压大于设定值时，采用PID控制比例阀使气室向外界环境排气。实验结果表明，所设计的精密微压控制系统响应速度快、精度高、稳定性好，能够满足水位传感器螺栓初始位置调试的需求。

关键词：气压控制;STM32;比例阀

0 引言

水位传感器在洗衣机行业中广泛使用，负责检测洗衣机中水位的高低[1-2]。水位传感器是通过将水位信号转换成气压信号，气压推动膜片使电感量发生变化，从而使组成的CLC振荡电路频率发生变化，洗衣机控制主板通过检测振荡电路的频率，进而获取水位的高低。在出厂检测时，需要在一定的气压下使振荡电路的输出频率维持在一定范围内，通常使用人工调整活塞改变气室的大小控制气压，但是效率低，难以满足大规模生产的需要。因此，本文设计了一种基于STM32和比例阀的精密微压控制系统，通过闭环控制使气室内的气压保持在设定气压上，提高了系统的响应速度和精度，满足了大规模生产需求。

1 系统构成

基于STM32和比例阀的精密微压控制系统框图如图1所示，图中粗线表示气路，细线表示电路，与气室气路相连的风压变送器检测气室的压力变送出4～20 mA的电流信号，经过精密电阻转换为1～5 V的电压信号送给ADS1256信号处理模块，STM32通过SPI接口与ADS1256信号处理模块通信，获取AD值，经过转换计算后得到实际气压值。当检测气压小于设定值时，控制气泵向气室充气;当检测气压大于设定值时，采用PID控制比例阀使气室向外界环境排气。气室采用的是3口气室，其中1口接气泵，通过气泵充气;2口接比例阀，通過比例阀排气;3口接风压变送器来采集信号，同时通过一个三通引出一个口来接水位传感器，在实验时为对比气压，此口接的是高精度压力表。搭建的气路实物图如图2所示。

2 硬件设计

2.1    ADS1256信号处理模块

ADS1256是TI公司推出的一款高分辨率、无噪的24位A/D转换器，该器件提供高达23 bit的无噪声精度、高达30 kS/s的数据速率、0.001 0%的非线性特性（最大值）以及众多的板上外设（输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器和可编程数字滤波器等），可为设计人员带来完整而高分辨率的量测解决方案[3]。

ADS1256具有3种输入模式，分别为4路差分信号输入、8路单端信号输入，差分信号和单端信号混合输入。本设计采用单端信号输入，AINCOM作为输入信号的公共端。

2.2    光耦驱动电路

采用STM32的PWM输出接口通过一个电阻连接三极管2N5551的基极，2N5551的集电极和发射机串联在光耦PC817的原边回路中，STM32通过PWM控制2N5551从而控制光耦PC817的通断和光耦PC817的输出去控制NPN型达林顿三极管TIP122，用TIP122控制气泵和比例阀。

2.3    气泵

气泵选用12 V供电电压，7.5 W，是一个小体积、大流量的气泵。最大流量可达1.5 L/min，满足所需充气的要求，气泵的流量大小与所供给的电压值大小有关。通过程序控制STM32的PWM输出占空比，从而可以控制气泵两端电压的大小，以此来控制气泵充气的流量。

2.4    风压变送器

风压变送器是一种简单、实用并且应用广泛的气压传感器，主要用于风速测量、医疗设备等。所选用的风压变送器参数如下：量程0～4 kPa;输出4～20 mA;精度0.2%FS;供电DC24 V。风压变送器的4～20 mA信号经过低温漂、高精度250 Ω电阻变为1～5 V的电压信号，并从ADS1256的AIN0输入。STM32通过SPI接口连接ADS1256，配合程序实现气压的测量。

2.5    比例阀

比例阀采用SMC公司PVQ系列的小型比例控制阀PVQ13-6L-03-M5-A，6代表使用供电电源为DC12 V，L代表带插头连接器、带引线，03代表孔口直径为0.3 mm，最高使用压力为0.7 MPa，M5代表带底座且螺纹大小为M5×0.8。其部分规格参数表如表1所示。

通过程序采用PWM信号控制光耦PC817通断，从而可以控制比例阀排气的通断时间，以此控制需要排气的大小。

3 软件设计

软件程序流程图如图3所示，初始化部分完成端口配置等工作，启动定时执行定时运行控制算法，定时时间到进行下一步，进行AD采样获取气室的实际气压值，计算设定值和实际气压值的差值，获得误差，运行PID控制计算控制量，根据控制量输出控制气泵和比例阀。

4 实验

搭建的实验实物图如图4所示，当设定值为1 kPa、2 kPa及3 kPa时，稳态误差都小于3 Pa，图中设置气压值为1.5 kPa，稳定在1.498 kPa，误差为2 Pa。

5 结语

该精密微压控制系统主要为水位传感器的螺栓初始位置调试提供精密的微压源，主要由STM32、比例阀和气泵构成。实验结果表明，所设计的精密微压控制系统响应速度快、精度高、稳定性好，能够满足水位传感器螺栓初始位置调试的需求。

[参考文献]

[1] 扈刚，王延峰.谐振式水位传感器[J].传感器技术，2002，21（5）：22-23.

[2] 吴秋芹，惠晶.精密水位传感器测试仪[J].机电工程技术，2009，38（5）：40-41.

[3] 谭淞.基于ADS1256的高精度模数转换技术[J].中国科技纵横，2011（9）：91.

收稿日期：2021-09-03

作者简介：李传宝（2000—），男，山西晋中人，研究方向：气压控制。