程训明 董婷婷
摘 要：本文设计一种基于STM32的液位控制系统，该控制系统采用STM32作为控制核心，使用压力传感器采集水箱内的液位，通过串口触摸屏进行液位显示和给定，对水位进行有效的闭环控制。系统运用PID调节器实现液位闭环控制，通过对PID参数的整定，可以使液位保持在一个很小的误差范围内，实现液位的连续控制。
关键词：STM32;液位控制;PID控制
1 绪论
随着科学技术的不断发展，恒液位控制系统的研究也在不断进步。所谓的恒液位控制就是系统能够自动实现任意液位的精度控制，使其保持恒定的液位。在与嵌入式软件、硬件、自动控制等多项技术的紧密结合下，更能凸显出其优势。本课题的研究着重于对液位的检测与控制，以STM32作为主控制器，结合PID算法，达到对液位的精確控制。
2 硬件设计
2.1 总体方案
液位控制系统以STM32为控制核心，通过串口触摸屏发出启动信号到STM32控制器中，对传感器信号进行采集，将所得到的模拟信号通过A/D转换电路转成数字信号给STM32进行运算，根据运算结果控制调节阀进而控制液位的高度，并将结果实时在显示屏上。系统方框图如图1所示。
2.2 电路主要模块
液位控制系统除了负责传感器信号的采集和调节阀的控制外，还要运行PID算法，因此，需要对于微控制器的内部资源有一定的要求，本设计选用STM32F103RC，该微控制器具有丰富的外设资源，运算速度快，完全满足设计要求。对于电源模块，考虑到设备多应用于工业场景中，因此，设备采用DC24V供电，使用DCDC降压转换器TPS5430DDAR将24V转换为33V和5V，分别给STM32系统和串口屏供电。液位控制系统中，液位的采集是最重要的环节，液位数据的精度决定了控制效果，本设计选用TM7705设计A/D转换电路，TM7705是16位高精度模数转换器，通过串行接口与STM32通信。串口触摸屏选用迪文串口屏DMT10600C070_07W，该串口屏采用组态软件实现界面的开发，通过串口与STM32进行数据的交互，操作简单，能够极大程度上缩短开发周期。
3 软件设计
3.1 控制系统程序设计
STM32作为控制核心，控制系统功能程序使用C语言实现，主要有模拟量采集程序、PID控制程序、调节阀控制程序和串口屏通信程序。控制流程如下：串口触摸屏将给的定液位值通过串口传递给STM32。STM32接受到设定的液位值与所采集到水箱的液位高度值进行运算，将所计算的偏差量引入到所写的数字PID算法中进行运算得到结果，并控制调节阀注入水的快慢，从而完成液位的精确控制。程序流程图如图2所示。
3.2 PID控制的参数整定
PID控制器结构简单，工作稳定，鲁棒性较强，被广泛应用于各种工业过程控制领域。本文PID参数整定使用工程整定法来确定参数。工程整定法模拟控制系统，观察系统的响应曲线，按照先比例——后积分——再微分的顺序反复调试参数直到认为得到满意的响应为止。
首先，先将调节器的积分时间Ti调到最大，令Ti=SymboleB@
;将微分时间Td调节到最小，令Td=0;选择较大的比例度δ，即通过参数设定将控制器简化为纯比例环节进行控制。然后，不断减小比例度δ，当过渡过程显现具有衰减比(4∶1)的振荡过程，记录下此振荡过程中的比例度δs和衰减振荡周期Ts的值。根据测试数据的阶跃响应曲线得出振荡周期为Ts=115.76，根据经验公式，按δ=0.8δs，Ti=0.3Ts，Td=0.1Ts整定，得到整定参数为δ=4/30(即Kp=7.5)，Ti=34.728，Td=11.576。将参数代入，可以计算出调节器的传递函数为：
Gc=7.5(1+134.728s+11.576s)
4 控制系统调试
通过串口屏设置目标液位的设置，然后启动液位控制系统，对实际的液位进行调节，液位控制曲线图如图3所示，液位控制系统能够快速稳定地实现液位的调节，满足本次设计要求。
5 结语
本文主要介绍了基于STM32的液位控制系统的设计，文章较为全面地解析了液位控制系统的硬件电路设计和软件设计，通过串口屏的设定和监控，能够清晰地看到液位的精确控制，直观地感受液位控制系统的作用，达到恒液位控制的效果，而且该系统相对于传统的PLC系统，成本低，容易部署，具有很广泛的应用前景。
参考文献：
[1]张小娟，高蕊，常豪豪.基于单片机液位控制系统的研究与设计[J].舰船电子工程，2018.
[2]林惠标，郭杨.变频恒压供水系统PID控制器的参数整定[J].机电工程技术，2016.
[3]崔皓天.基于PLC的液位控制系统设计[J].科技创业月刊，2017.
作者简介：程训明(1993—)，男，江苏南京人。
