【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中，ADC時(shí)鐘選擇12MHz。為了提高采樣精度，則Tcovn=+=252個(gè)周期=21us。由于該系統(tǒng)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，為防止采樣過(guò)快帶來(lái)誤差，控制器每5秒讀取一次 A/D采樣值。該系統(tǒng)采用TIM3作為定時(shí)中斷，其中斷時(shí)間計(jì)算如下式（43）所示。Tout=(arr+1)*(psc+1)/Tclk (43)其中：Tclk：TIM3的輸入時(shí)鐘頻率(單位為KHz)Tout：TIM3的溢出時(shí)間（單位為ms）。該系統(tǒng)定時(shí)器初始化程序?yàn)関oid TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)，其中arr =49999, psc =7199，Tclk=72MHz(APB1=36MHz二分頻)。計(jì)算可得出溢出時(shí)間為5s。采樣程序包括初始化程序和采樣程序，流程圖如下圖43和44所示。在采樣完成之后，我們?nèi)孕枳隽砍套儞Q才能得出采樣得到的PH值。首先我們要將采樣值轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)即V=，然后將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為420mA電流信號(hào)I=8*V,最后將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為pH值Yk=（7/8）I(7/2)。根據(jù)這些關(guān)系，可得出PH值和采樣值的關(guān)系如下式（44）所示。Yk=(231*(float)adcx)/ (44)其中Yk為pH值（014）；adcx為采樣值（04095）。開啟PA口時(shí)鐘，設(shè)置PA1為模擬輸入開啟A/D轉(zhuǎn)換器，并校準(zhǔn)使能ADC1時(shí)鐘，并設(shè)置分頻因子設(shè)置ADC1的工作模式設(shè)置ADC1規(guī)則序列的相關(guān)信息圖43 初始化程序設(shè)計(jì)流程圖啟動(dòng)A/D開始定時(shí)中斷5S初始化等待求10個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)平均值讀取A/D值A(chǔ)/D完成采樣10次NNYY圖44 采樣程序流程圖對(duì)于pH自動(dòng)控制加液系統(tǒng)的執(zhí)行器，我們采用的是蠕動(dòng)泵，其核心是兩相步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)匹配了對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，因此我們只需給驅(qū)動(dòng)器相應(yīng)的脈沖信號(hào)即可。由于該系統(tǒng)只是利用脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)加酸或加堿的量，因此我們無(wú)需使用STM32單片機(jī)自帶的PWM發(fā)生器。為了簡(jiǎn)化編程，編寫如下程序來(lái)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖。void PWM(u16 t){ u16 i。 for(i=0。it。i++) {delay_us(300)。 PAout(8)=!PAout(8)。 delay_us(300)。}}該程序根據(jù)得到的偏差經(jīng)過(guò)PID控制器計(jì)算得到脈沖個(gè)數(shù)，并將脈沖數(shù)值賦給該程序中的t即可。同理，加堿泵程序亦是如此。顯示模塊程序主要完成顯示系統(tǒng)當(dāng)前pH值、設(shè)定pH值、靜態(tài)字符標(biāo)識(shí)以及曲線。其中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)定時(shí)器中斷或外部中斷使數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示，靜態(tài)字符通過(guò)字符顯示子函數(shù)顯示，曲線通過(guò)線段顯示子函數(shù)來(lái)顯示。其中主程序靜態(tài)顯示流程圖如下圖45所示，外部中斷和定時(shí)中斷動(dòng)態(tài)顯示流程圖如下圖447所示。開始調(diào)用字符顯示子函數(shù)初始化調(diào)用線段顯示子函數(shù)圖45 主程序靜態(tài)顯示流程圖開外部中斷調(diào)用線段顯示子函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)顯示子函數(shù)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回圖46 外部中斷程序動(dòng)態(tài)顯示流程圖開定時(shí)中斷調(diào)用線段顯示子函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)顯示子函數(shù)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回圖47定時(shí)中斷程序動(dòng)態(tài)顯示流程圖在該顯示模塊主要顯示部分是外部中斷下的設(shè)定值的顯示和定時(shí)中斷下的測(cè)量值的顯示，其顯示方法相同。其原理都是先將設(shè)定值或測(cè)量值擴(kuò)大十倍，除以十商和余數(shù)分別放在整數(shù)位和小數(shù)位。顯示模塊曲線的顯示是根據(jù)上面得到的測(cè)量值和設(shè)定值演化為線段坐標(biāo)并顯示出來(lái)的。在該系統(tǒng)中，由于曲線到達(dá)平衡狀態(tài)需要很長(zhǎng)時(shí)間，所以時(shí)間軸采用分鐘作為單位，可以讓曲線完整的顯示。在本次系統(tǒng)的顯示模塊中用到幾個(gè)子函數(shù)，其中包括線段顯示子函數(shù)LCD_DrawLine(u16 x1,u16 y1,u16 x2,u16 y2)，字符串顯示子函數(shù)LCD_ShowString(u16 x,u16 y,u16 width,u16 height,u8 size,u8 *p)和數(shù)字顯示子函數(shù)LCD_ShowNum(u16 x,u16 y,u32 num,u8 len,u8 size)。下面我們這些函數(shù)詳細(xì)介紹。（x1，y1）起點(diǎn)坐標(biāo)，（x2，y2）終點(diǎn)坐標(biāo)。其流程圖如下圖48所示：是設(shè)置X偏差和Y偏差=0計(jì)算X、Y軸偏差△x=x2x1△y=y2y1根據(jù)X、Y軸增量分別判定X、Y軸單步方向選取基準(zhǔn)增量計(jì)算運(yùn)行步數(shù)運(yùn)行步數(shù)未到否偏差基準(zhǔn)增量按單步方向畫點(diǎn)偏差=偏差增量圖48 線段顯示子函數(shù)流程圖（1）根據(jù)坐標(biāo)增量分別判別X、Y軸的單步方向。（2）比較X、Y軸增量大小，選取較大的增量作為基準(zhǔn)增量。（3）根據(jù)基準(zhǔn)增量加一得到運(yùn)行步數(shù)即循環(huán)次數(shù)。（4）將X、Y軸偏差每加一個(gè)增量與基準(zhǔn)增量比較如果大于基準(zhǔn)增量則沿著(1)的方向進(jìn)1，然后將偏差減去基準(zhǔn)增量。（x ，y）起點(diǎn)坐標(biāo)，width height 區(qū)域大小，size字體大小，*p字符串起始地址。根據(jù)字符串起始地址判別是否為非法字符，如果不是非法字符則順序調(diào)用單個(gè)字符顯示函數(shù)依次顯示每個(gè)字符。單個(gè)字符的顯示有專門的字庫(kù)。例如要顯示Aabc,先判別該字符串中沒(méi)有空格，然后依次顯示A、a、b、c。3. 在數(shù)字顯示子函數(shù)中（x ，y）起點(diǎn)坐標(biāo)，num數(shù)值，len 數(shù)字的位數(shù)，size字體大小。例如：要顯示321，調(diào)用單個(gè)字符顯示函數(shù)將321%10顯示在個(gè)位，將(321/10)%10顯示在十位，將(321 /10)/10顯示在百位。 按鍵程序設(shè)計(jì)在該系統(tǒng)中按鍵的作用同樣是至關(guān)重要的，它可以調(diào)節(jié)設(shè)定pH值和PID參數(shù)（KP、KI、KD），如若每個(gè)參數(shù)設(shè)置兩個(gè)按鍵進(jìn)行加減調(diào)節(jié)，則需要8個(gè)按鍵，為了節(jié)約硬件資源，我們采用了按鍵的切換，這使得原來(lái)的8個(gè)按鍵減少到三個(gè)，這大大節(jié)約了成本，同時(shí)操作也很方便。為了實(shí)現(xiàn)按鍵的功能，我們采用外部中斷對(duì)按鍵進(jìn)行控制。該系統(tǒng)我們采用WK_UP作為切換按鍵，KEY0作為數(shù)字遞減按鍵，KEY1作為數(shù)字遞增按鍵。其運(yùn)行流程圖如下圖49所示。WK_UP、KEY0、KEY1?WK_UP、KEY0、KEY1?KI遞減KD遞減KI遞增KD遞增WK_UPWK_UPKEY0KEY0按鍵WK_UP按下？WK_UP、KEY0、KEY1?WK_UP、KEY0、KEY1?設(shè)定值遞減設(shè)定值遞增KP遞減KP遞增開始按鍵初始化NYWK_UPWK_UPKEY0KEY0KEY1KEY1KEY1KEY1圖49 按鍵操作流程圖本章小結(jié)本章首先對(duì)軟件框架進(jìn)行了總體介紹，大體介紹了各部分的功能。接著對(duì)軟件各個(gè)部分分別介紹，用流程圖敘述了各個(gè)部分的工作流程，為后面編寫程序打下了基礎(chǔ)。第五章 調(diào)試過(guò)程和結(jié)果分析 硬件調(diào)試 步進(jìn)電機(jī)調(diào)試在該系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中我們采用驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，這不僅使得控制方便而且使得編寫軟件程序也更加方便。在步進(jìn)電機(jī)調(diào)試過(guò)程中，我們需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M542進(jìn)行接線。根據(jù)通電電流的大小，接線過(guò)程分為強(qiáng)電接線信號(hào)接口的接線和弱電接線信號(hào)接口的接線。對(duì)驅(qū)動(dòng)器的弱電接線信號(hào)接口的PUL+和PUL端子間給一定電壓的脈沖信號(hào)。對(duì)DIR+和DIR則根據(jù)給定的電平信號(hào)的不同，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向則不同。使能端ENA+和ENA我們則選擇懸掛不接。接線圖如圖51所示?？刂破鰽RM驅(qū)動(dòng)器M542PUL+PULDIR+DIRENA+ENAPA8/PB2GND+5VGND圖51弱電接線信號(hào)接口接線圖對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)電接線信號(hào)接口我們需按照步進(jìn)電機(jī)的每一相進(jìn)行接線，另外還需對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行供電。接線圖如圖52所示。該系統(tǒng)采用STM32F103作為主控制器件，這不僅使程序調(diào)試變得方便而且程序運(yùn)行也十分穩(wěn)定。在該系統(tǒng)中控制器是將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)行PID運(yùn)算后來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定加酸量和加堿量。驅(qū)動(dòng)器M542A+AB+BDC+DCM2450V步進(jìn)電機(jī)圖52 強(qiáng)電接線信號(hào)接口接線圖 pH控制器調(diào)試圖53 PH控制器接線接口如圖53所示，端口1114已接傳感器。我們需將接端子7和8接220V供電，端子15和16則采集420mA的電流信號(hào)。將傳感器放入已知PH值濃度的溶液中，根據(jù)溶液PH值校準(zhǔn)PH控制器的值只需將116號(hào)端子連接到阻抗匹配電路的AO端子和地即可。必須注意15和16端子電流的方向。通過(guò)以上步驟的調(diào)試，硬件調(diào)試完成。總體硬件調(diào)試如圖54所示，左側(cè)為堿泵，；右側(cè)為酸泵。圖54 總體硬件調(diào)試圖 軟件調(diào)試首先打開MDK軟件，再點(diǎn)擊ProjectNew uVision Project選擇路徑新建USER文件夾然后保存。如下圖55所示：圖55 新建MDK工程2選擇芯片型號(hào)我們使用的是STM32F103RBT6，所以選擇STM32F103RB，如下圖56所示。圖56器件選擇界面。如下圖57所示：圖57 工程文件夾圖58 添加文件界面。（程序詳見(jiàn)附錄1） PID參數(shù)整定比例控制的作用：比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但是比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。KP的加大，可以加快響應(yīng)速度，如若過(guò)大，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。積分控制的作用：只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，積分的作用太強(qiáng)即KI過(guò)大，會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制的作用：微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們采用試湊法來(lái)設(shè)置PID的參數(shù)。根據(jù)老師給定的KP、KI、KD的范圍，先改變KP的值，使KP滿足要求，再改變KI的值，最后改變KD的值。通過(guò)此改變參數(shù)的方法可以很快的使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。 結(jié)果分析，調(diào)節(jié)分別調(diào)節(jié)KP、KI、KD的值，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，其數(shù)據(jù)和曲線如下：圖59 調(diào)試結(jié)果 圖510 調(diào)試結(jié)果圖511 調(diào)試結(jié)果 圖512調(diào)試結(jié)果如上圖5551512所示，調(diào)節(jié)按鍵WK_UP、KEY0、KEY1使KP分別等于15，KI和KD相同。由實(shí)驗(yàn)曲線可以得出：KP越大，曲線的響應(yīng)速度越快，但與此同時(shí)振蕩也越劇烈。因此，KP適當(dāng)?shù)脑龃笠稽c(diǎn)是必要的，但不可過(guò)大，否則，曲線很難趨于平衡狀態(tài)。由上面四圖比較可知，在該實(shí)驗(yàn)中KP取5最合適，曲線沒(méi)有出現(xiàn)振蕩，誤差范圍也很小，響應(yīng)時(shí)間也適宜。圖513 調(diào)試結(jié)果 圖514 調(diào)試結(jié)果見(jiàn)上圖513和514所示，調(diào)節(jié)按鍵WK_UP、KEY0、KEY1使KP和KI相同，圖513無(wú)微分環(huán)節(jié)，而圖514有微分環(huán)節(jié)。從這兩條曲線可以看出：有微分環(huán)節(jié)的控制效果明顯要好出許多。因此，在此