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1、 毕业设计(论文) 学生姓名： 学 号： 所在学院： 自动化与电气工程学院 专 业： 自动化 设计(论文)题目：基于STM32的pH自动控制加液机的设计 指导教师： 2015年 5月 20日基于STM32的pH自动控制加液机的设计摘要pH值的控制过程广泛存在于石油、化工、造纸、制药、废水处理及给水处理中，在工业生产过程中必须将pH值严格控制在某特定范围之内，否则将会造成产品质量的下降，原料的浪费，导致生产不能运行，经济效益下降，环境污染。因此pH值的控制有着非常重要的意义。本文的核心在于基于ARM的pH值自动控制系统，该系统的pH采样部分采用高精度的pH传感器将pH值转化为电压值，采用高性能的
2、A/D转换模块将采集到的电压值转化为数字量，该数字量一部分通过显示模块显示，另一部分进入PID控制器控制蠕动泵加酸或加碱，最终使pH值控制在设定范围之内。该系统通过建立闭环控制系统以实现对pH值的控制。由于闭环控制可以有效地抑制闭环中各种扰动的影响,这将使得被控量趋近于设定值。关键词：PID控制器 ARM A/D转换IThe design of pH automatic control liquid filling machine based on STM32AbstractpH control process widely in petroleum, chemical, pHarmaceut
3、ical, paper，wastewater treatment and water treatment, the pH value in the industrial production must be strictly controlled within a specified range, otherwise may cause the decline in product quality, raw material waste，production cannot be carried out smoothly, economic decline, or even cause envi
4、ronmental pollution, so the pH within a certain range of great significance. The core of this article is the pH automatic control system based on ARM. The pH sampling parts of the system uses the high-precision pH sensors to converted pH value into voltage values and uses the high performance A/D co
5、nversion module to collected voltage into digital quantity. The one part of the digital is displayed by the display module, the other part go into the PID controller to control the peristaltic pump adding acid or alkali, Finally ,which makes the pH control within the set. The system through the esta
6、blishment of the closed loop control system in order to realize the control of the pH value. Because the closed loop control can effectively curb the influence of various disturbances in closed loop, which will make the charged amount tend to set value. Key Words: The PID controller ARM A/D conversi
7、on 目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 pH自动控制系统的研究背景和意义11.2 pH自动控制系统的发展概况11.3 课题的主要工作概述2本章小结2第二章 pH自动控制系统的原理和方法32.1 pH自动控制系统的原理32.2 pH自动控制系统的设计方法32.3 硬件和软件介绍42.3.1 STM32微控制器简介42.3.2 软件介绍5本章小结5第三章 pH自动控制加液机硬件设计63.1 pH自动控制加液机硬件组成63.2 STM32F103最小系统简介73.2.1 pH自动控制系统MCU简介73.2.2 复位电路83.2.3时钟电路83.2.4 启动模式选择电路93.2.5
8、 电源电路103.3 pH控制器103.4 阻抗匹配电路103.5 STM32F103RBT6 ADC113.6 蠕动泵123.6.1 步进电机的工作原理123.6.2 两相步进电机的工作方式133.6.3步进电机驱动器133.7 LCD显示屏143.8 按键电路15本章小结15第四章 pH自动控制加液机软件设计164.1 pH自动控制系统软件结构164.2 PID程序设计174.3 A/D数据采集程序设计184.4步进电机驱动程序设计204.5显示模块驱动程序设计204.6 按键程序设计23本章小结24第五章 调试过程和结果分析255.1 硬件调试255.1.1 步进电机调试255.1.2
9、pH控制器调试265.2 软件调试275.3 PID参数整定295.4 结果分析30本章小结33第六章 设计总结34致谢35参考文献36附录138附录247III南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 pH自动控制系统的研究背景和意义在如制药、发酵、造纸、电镀、废水处理及给水处理等这些现代化工业生产过程中，由于pH值对溶液的物理性质以及化学性质都有很大的影响，因此pH值的检测问题时刻存在。然而pH值的自动控制在整个工业自动化中是一个薄弱的环节，甚至还会出现即使是使用的相同仪表, 但应用在不同设计和不同的场合中所取得的pH值控制效果相差甚远的现象。因此,在工业生产过程中我们必须让p
10、H值严格控制在特定范围内，否则可能会造成产品质量下降，原料浪费，生产不能顺利进行，企业的竞争力下降，甚至造成环境污染，另外强酸强碱还会腐蚀生产设备，降低设备寿命，并影响生产，甚至产生危险，故pH值的控制问题在工业过程中占有举足轻重的地位。因此，无论是对工业生产过程控制而言，还是对生态环境的保护而言，对pH值进行有效控制具有重要的意义。针对此现象,设计各种相应的pH值过程自动控制系统是很重要的。1.2 pH自动控制系统的发展概况传统的酸碱废水处理是通过人工进行调节的，经过人工的分析，并由人工操作不断加入调节剂，经过分析化验后排掉废水。这样处理调节周期长，加酸或加碱的量不能把握，而且占地面积大，能
11、耗高，且手工配药无法在密封的环境下进行，有剧毒的化学物质严重危害着操作者的身心健康。因此可以看出手动控制安全可靠性差，工作效率低，很难满足实时控制系统的要求和符合合格排放标准。所以采用pH值自动控制系统取代人工调节系统是未来发展的必然趋势。从国内外pH值自动控制系统的控制策略的研究来看，多数控制方法采用的是模拟量调节器，这在今后大型化和复杂化的工业生产过程中将会举步维艰，也无法满足生产控制在安全、平稳、优质、高效等方面的要求。所以急需将计算机控制技术、过程控制技术、仪表技术、电子技术等多种技术结合起来，研制出能适用于各种工业生产过程场合的通用的高精密pH值全自动控制系统。随着数字化产品向小型、
12、高速、大容量、低成本的迅速发展，使得各种性能的微处理器不断推出，特别是适用于实时控制的工业计算机、单片机、可编程控制器(PLC)、ARM等在控制领域的应用，更加促进pH值自动控制系统的发展。1.3 课题的主要工作概述本课题是基于ARM Cortex-M3控制芯片对pH自动加液系统进行设计，在掌握步进电机的驱动原理、数据采集和A/D转换方法、显示模块驱动条件、PID控制原理及算法等基础上设计一基于ARM Cortex-M3的pH自动控制加液系统。ARM Cortex-M3控制芯片可以实现步进电机的驱动、A/D转换、数据的静态显示动态显示及显示曲线、PID控制。为了研究此系统方案的正确性和可行性，
13、可在实体模型上进行调试及改进。论文的研究内容包括以下几个方面：1. 完成步进电机驱动部分的设计2. 完成动态数据、静态数据及曲线显示部分的设计3. 完成数据采集及A/D转换部分的设计4. 完成PID控制器的设计5. 完成按键调节部分的设计6. 调试和结果分析本章小结本章首先介绍了pH自动控制系统的研究背景、意义以及发展概况，接着叙述了该课题的工作概述，为下面章节对pH自动控制系统的研究提供了方向。47南京工业大学本科生毕业设计（论文）第二章 pH自动控制系统的原理和方法2.1 pH自动控制系统的原理pH自动控制加液机采用STM32系列Cortex-M3微控制器作为核心控制部件，链接现场的传感器
14、、加酸泵、加碱泵等现场设备。该系统通过建立闭环控制系统以实现对pH值的控制，闭环控制可以有效地抑制系统各种外部扰动的影响,来使得测量值慢慢趋近于设定值。在pH值自动控制系统中，使用pH控制器将溶液的pH值转换为标准量程的电流信号，经过阻抗匹配电路将电流信号转化为电压信号，然后送给STM32自带的12位的模数转换器件，得到04095之间数字量经量程变换得到对应的pH值。CPU将该pH值与设定值比较产生偏差，并按PID控制算法对偏差进行运算，并根据运算得到的数字量给步进电机发送脉冲，通过发送脉冲的个数来控制加酸泵和加碱泵的流量，实现对pH 值的闭环控制，其方框图如图2-1所示。STM32F103计算得到的数字量除了驱动步进电机之外还经过某些数学变换送到显示模块。该系统在数据采样之前还必须要进行信号调理，方可使采集的信号比较精确。PID控制器酸/碱泵液体混合罐检测变送A/D给定值+测量值pH值图2-1 pH自动控制加液机方框图pH自动控制加液机双泵自动添加酸性或碱性液体，既可以对溶液进行pH值静态或在线检测调整，也可进行以pH值为指标的试液控制添加。该系统集pH值的自动检测显示、pH值的自动调节控制、pH值的自动加酸加碱机构于一体。结构简单紧凑，pH精度高，有广泛的用途
