如何用STM32精準控制水的流量？

一、系統組成框圖

  +-------------+     +------------+     +-----------+     +-------------+|             |     |            |     |           |     |             || 流量傳感器  +----->   STM32    +----->|  驅動電路 +----->| 水泵/比例閥  || (Feedback)  |     | (Controller)|     | (Driver)  |    | (Actuator)  ||             |     |            |     |           |     |             |+-------------+     +------------+     +-----------+     +-------------+^                                                    ||                                                    |+----------------------------------------------------+(閉環控制)

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二、硬件選型

1. 霍爾傳感器測水量(體積)：內部有葉輪和磁鐵，水流推動葉輪旋轉，產生脈沖信號（頻率與流量成正比）。優點：價格便宜、接口簡單（只需一個GPIO引腳計數）、壽命長。缺點：有最低啟動流量要求。對于大多數應用，脈沖輸出的霍爾傳感器是性價比最高的選擇。STM32的定時器編碼器模式或輸入捕獲模式可以非常精準地測量脈沖頻率。

2. 進水流量調節：

   • 比例閥/電動調節閥：通過輸入PWM信號或模擬信號（0-5V/4-20mA）來精確控制閥門的開度，從而線性地控制流量。STM32通過PWM或DAC輸出即可控制。

   • 步進電機+普通閥門：用步進電機精密地旋轉閥芯。優點：控制非常精確，無需昂貴的比例閥。缺點：系統設計復雜，需要電機驅動電路。

3. 出水調節：需要從水箱抽水，因此選擇帶調速功能的微型水泵。用法：通過PWM控制電機轉速，從而控制流量。

4. 控制器：自適應PID等復雜控制算法需要STM32F4/G4系列。一般來說，STM32F0/F1系列即可，配有基本的定時器（用于PWM輸出和脈沖計數）和ADC。

5. 驅動電路：執行元件（尤其是閥和泵）通常需要比STM32 GPIO（3.3V/8mA）大得多的電流和電壓（如12V/24V, 1A）來驅動。

   • 繼電器模塊：僅用于開關控制，不適用于需要調節的場景。

   • 步進電機驅動芯片（如A4988、TMC2209）：用于驅動步進電機。

   • H橋驅動芯片（如DRV8833、L298N）：用于驅動需要正反轉的直流電機。

   • MOSFET管：STM32的PWM通過MOSFET放大后驅動驅動水泵、電磁閥等直流負載。

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三、軟件設計與控制算法

1. 脈沖傳感器測流量：

   • 使用STM32定時器的輸入捕獲模式，精確測量兩個脈沖之間的時間間隔。

   • 或者使用定時器的編碼器接口模式，直接讀取脈沖頻率。

   • 更簡單的方法是，在固定時間窗口（如1秒）內計數脈沖數。時間窗口越短，響應越快，但噪聲越大；窗口越長，數據越平滑，但延遲越大。這是一個權衡。

2. 控制算法選擇PID控制

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四、實現步驟總結

1. 硬件連接：

   • 將流量傳感器的信號線接到STM32的定時器輸入引腳（脈沖型）或ADC引腳。

   • 將比例閥、泵通過驅動電路連接到STM32的定時器PWM輸出引腳。

   • 確保供電穩定，特別是執行機構的電源要與STM32隔離（共地即可，電源分開）。

2. 調試與優化：

   • 使用串口打印實時流量值和PWM輸出值，繪制曲線圖（可以使用VOFA+、SerialPlot等工具），這是調試PID參數的關鍵。

   • 從純P控制開始，加入I項消除靜差，最后加入D項抑制振蕩。

   • 考慮加入“積分抗飽和”、“死區補償”等高級功能來優化性能。