基于STM32F107的过滤膜泡点测试仪设计
胡超 张兴华 黄彦 巩栋栋
摘 要： 根据膜材料泡点测试的要求，设计一款新型泡点测试仪。该仪器以STM32F107芯片为核心，外括按键输入、LCD液晶显示、电机驱动、A/D转换和打印机驱动等模块，可以对泡点测试过程中的气体压力和流量进行闭环PID反馈控制，并能将采集的数据实时地发送到上位机进行数据显示和处理。实验结果表明，该测试仪器能够精确地测试过滤膜材料的泡点值，且工作稳定可靠。
关键词： STM32F107； 电机驱动； 闭环PID控制； 泡点测试
中图分类号： TN876?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）07?0096?04
Design of filtering membrane bubble point tester based on STM32F107
HU Chao1， ZHANG Xinghua1， HUANG Yan2， GONG Dongdong2
（1. College of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China；
2. State Key Laboratory of Materials?Oriented Chemical Engineering， College of Chemical Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China）
Abstract： To satisfy the test requirement of the membrane material bubble point， a new bubble point tester was designed. The tester takes STM32F107 as the core， includes the modules of keyboard input， LCD display， motor driving， A/D conversion and printer driving. The tester can perform the PID closed?loop feedback control for the gas pressure and flux in the bubble point testing process， and send the collected data to the upper machine in real time for data display and processing. The experimental results show that the tester can test the bubble point of the filtering membrane material accurately， and work stably and reliably .
Keywords： STM32F107； motor driving； PID closed?loop control； bubble point test
0 引 言
膜材料技术是本世纪有广泛应用前景的高新技术之一，在工业技术改造中起着重要作用[1]。泡点测试是检测膜材料完整性的一种重要手段[2?3]。目前国内泡点测试主要通过手动测试，手动泡点测试是测试人员采用肉眼观测浸润液里出现的气泡来判断是否出现了泡点，测试的偶然误差大，自动化程度低，由于测试系统没有對压力和流量进行反馈控制，测试精度不高。
本文设计了一种以STM32F107嵌入式芯片以及数据采集模块为核心[4]的泡点测试仪。该仪器可以通过上位机操作界面控制下位机，完成泡点测试。由于系统采用对压力和流量的闭环控制，可以提高泡点压力的测试精度。
1 泡点测试实验原理
将过滤材料用浸润液完全浸润后，浸润液扩散满整个膜孔中，逐渐增加外界压力，直至高压侧的气体压力大于膜孔内的毛细管压力和表面张力，浸润液从过滤材料的另一侧溢出。图1表示泡点出现前后气体分子的运动过程。
泡点压力[p]与膜孔径[D]的关系式可用式（1）表示：[p=4kγcosθD] （1）
式中：[γ]为浸润液的表面张力系数；[θ]为液体与膜表面之间的夹角，当膜完全浸润时[θ]=0；[k]为膜孔的修正系数，通常取0.715。
由式（1）可知过滤材料的泡点压力反比于膜孔径大小，膜材料上的孔径符合正态分布规律，首先出现气泡的为膜上的最大孔径[5]。
2 仪器设计
2.1 仪器整体设计
测试仪器的结构图如图2所示。
图中粗线型和箭头表示气体流通的方向和路径，测试组件中的针型调节阀由步进电机驱动，调节阀的工作范围为0～100 ml/min；压力传感器测量范围为0～1 MPa，对应输出电压范围为0～5 V；流量传感器测量范围为0～100 ml/min，对应输出的电流范围为4～20 mA；3个电磁开关阀为常闭阀，开启电压为24 V。上位机控制界面是基于LabVIEW 2011开发设计[6]，上位机实时读取下位机回传的压力和流量值，完成数据的显示、存储以及后期分析，实验结束后可由串口打印机打印出数据供用户使用。
2.2 控制系统硬件设计
控制系统硬件设计是以STM32F107VCT6芯片为核心，STM32F107是ARM公司研制的一种高性能芯片。芯片外扩了电源模块、A/D转换、RS 485通信、电机驱动、电磁开关阀驱动、LCD液晶显示及打印输出等模块。硬件结构图如图3所示。
电源模块给控制器提供3.3 V电压；STM32与上位机采用RS 485通信[7]；A/D模块将采集到的压力和流量模拟量转换成数字量送入控制器；LCD显示和打印机模块可对实时观测的压力、流量测试数据进行显示打印输出；控制器给电磁开关阀发送开闭信号；STM32微控制器输出控制信号给驱动器产生步进电机驱动脉冲[8]，驱动步进电机调节针型阀开闭，控制器与步进电机驱动器之间采用共阳极接法。连接方式如图4所示，控制方式说明如表1所示。
3 测试软件及压力控制设计
3.1 起泡点实验软件设计
本文设计的泡点测试仪，泡点测试是基于压力衰减原理，即泡点出现前过滤材料被视为一个密封腔体，每隔一段时间上升指定的压力步长，一旦泡点出现后，压力会有明显的衰减，当衰减值大于标准值时，即视为出现泡点值。
本系统将压力步长定为3 kPa，时间步长定为5 s，泡点出现时的压力衰减阈值定为0.5 kPa，即每隔5 s打开进气阀、电磁开关阀和针型调节阀向系统内供气，当压力每上升3 kPa后记录压力值[P1、]关闭电磁开关阀等待5 s，5 s后记录压力值[P2]并计算压力衰减值，若压力值衰减达到0.5 kPa，即判定泡点出现，记录泡点结果。泡点测试中的程序流程图如图5所示。
3.2 压力控制设计模块
本文设计的压力控制部分是由步进电机带动针型调节阀，控制密封腔体内的压力。控制器输出控制信号给驱动器产生步进电机驱动脉冲，给步进电机每输入1个脉冲，就转动1个角度，通过步距角变化控制压力变化。压力控制设定的方法：根据压力设定值与压力输出值的差值[e（t）]进行负反馈控制，当差值[e（t）=0]时，完成一次压力设定。压力控制模块的程序流程图如图6所示。
此系统为一个闭环控制系统，控制目标为膜上下游腔体内的压力，控制对象为针型调节阀。本设计采用的PID[9]闭环控制系统框图如图7所示。
在离散时间域中，PID控制器算法表达式为：
[uk=Kpek+TTij=0kej+TdT+e（k）-e（k-1）=Kpek+Kij=0kejT+KdTe（k）-e（k-1）] （2）
式中：[Kp]是比例系数；积分系数为[Ki，][Ki=KpTi；]微分系数为[Kd，][Kd=Kp*Td；][uk]则是PID控制器第[k]次采样时刻的输出值；PID控制器的偏差值[ek]为第[k]次采样时刻的输入所得；[ek-1]是第[k-1]次采样时刻输入PID控制器的偏差值；[T]为采样周期。
式（2）也被认为是位置型PID控制算法。此种算法的每次输出均与过去的状态有关，因而产生增量式的PID控制算法。根据递推原理可得：
[uk-1=Kpek-1+Kij=0kej-1+KdTe（k-1）-e（k-2）] （3）
用式（2）减去式（3），可得：
[Δuk=Kpek-ek-1+Kiek+KdTe（k）-2e（k-1）+e（k-2）] （4）
式（4）称为增量式PID控制算法。在本软件程序中先进行PID的增量式运算， 然后对采集到的实时电压进行归一化处理，程序通过对误差值的不断更新实现对系统内压力的实时调节。
4 实验测试结果及分析
选取膜过滤试样进行泡点测试，测试过程中的压力值随时间变化的曲线如图8所示。
实验历时75 s，压力测量值与线性值差值大于0.5 kPa，此时临界压力值即为泡点压力42.4 kPa。再通过南京高谦功能材料科技公司PSDA?20型孔径分析仪器对膜样品进行孔径分析，测试到的最大孔径为1.161 μm。样品孔径分布图如图9所示。
把同种膜样品送入扫描电子显微镜（SEM）[10]下进行表面和断面分析，得出最大孔径约为1.175 μm，膜的表面张力系数为16.9 mN/m，由式（1）计算出泡点压力约为41.3 kPa，图10和图11分别表示的是膜样品SEM表面和断面图。
通过对比实验可知，泡点压力测试结果和SEM计算的结果误差为2.6%，实验结果能满足泡点测试的要求，测试精度高。
5 结 语
本文设计了一套新型的过滤膜材料泡点测试仪。该测试仪器以STM32F107嵌入式芯片为控制核心，可实现过滤膜材料泡点压力的自动检测。并能将实时检测的实验数据通过串口发送至上位PC机进行实时显示，且具有数据保存和打印输出功能。整个测试系统工作稳定，测试结果准确可靠。
参考文献
[1] 郭有智.中国膜工业发展战略研究[J].化工新材料，2002，30（6）：4?8.
[2] 王志斌，杨宗伟，邢晓琳，等.膜分离技术应用的研究进展[J].过滤与分离，2008，18（2）：19?23.
[3] ZONDERVAN E， ZWIJNENBURG A， ROFFEL B. Statistical analysis of data from accelerated ageing tests of PES UF membranes [J]. Journal of membrane science， 2007， 300（1）： 111?116.
[4] 张旭，亓学广，李世光，等.基于STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术，2010（11）：90?93.
[5] 鲁伟涛，何南霏，靳向煜.正反面对泡点法测定多层复合多孔材料孔径的影响[J].产业用纺织品，2014（4）：40?44.
[6] 罗义辉.基于LabVIEW振动控制分析虚拟仪器研究[D].西安：陕西科技大学，2012.
[7] 赵良叶，陈开颜，王少华.利用RS?485总线实现安防与环境监测系统的数据通信[J].河北省科学院学报，2005（1）：22?25.
[8] 王晨光，孙运强，许红鹰.步进电机的单片机控制设计分析[J].国外电子测量技术，2008（9）：39?44.
[9] 刘艳春，赵立双.基于增量式PID控制算法的恒温控制系统[J].信息技术，2014（2）：167?169.
[10] VONLANTHEN P， RAUSCH J， KETCHAM R A， et al. High?resolution 3D analyses of the shape and internal constituents of small volcanic ash particles： the contribution of SEM micro?computed tomography （SEM micro?CT） [J]. Journal of volcanology and geothermal research， 2015， 293（1）： 1?12.
摘 要： 根据膜材料泡点测试的要求，设计一款新型泡点测试仪。该仪器以STM32F107芯片为核心，外括按键输入、LCD液晶显示、电机驱动、A/D转换和打印机驱动等模块，可以对泡点测试过程中的气体压力和流量进行闭环PID反馈控制，并能将采集的数据实时地发送到上位机进行数据显示和处理。实验结果表明，该测试仪器能够精确地测试过滤膜材料的泡点值，且工作稳定可靠。
关键词： STM32F107； 电机驱动； 闭环PID控制； 泡点测试
中图分类号： TN876?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）07?0096?04
Design of filtering membrane bubble point tester based on STM32F107
HU Chao1， ZHANG Xinghua1， HUANG Yan2， GONG Dongdong2
（1. College of Electrical Engineering and Control Science， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China；
2. State Key Laboratory of Materials?Oriented Chemical Engineering， College of Chemical Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China）
Abstract： To satisfy the test requirement of the membrane material bubble point， a new bubble point tester was designed. The tester takes STM32F107 as the core， includes the modules of keyboard input， LCD display， motor driving， A/D conversion and printer driving. The tester can perform the PID closed?loop feedback control for the gas pressure and flux in the bubble point testing process， and send the collected data to the upper machine in real time for data display and processing. The experimental results show that the tester can test the bubble point of the filtering membrane material accurately， and work stably and reliably .
Keywords： STM32F107； motor driving； PID closed?loop control； bubble point test
0 引 言
膜材料技术是本世纪有广泛应用前景的高新技术之一，在工业技术改造中起着重要作用[1]。泡点测试是检测膜材料完整性的一种重要手段[2?3]。目前国内泡点测试主要通过手动测试，手动泡点测试是测试人员采用肉眼观测浸润液里出现的气泡来判断是否出现了泡点，测试的偶然误差大，自动化程度低，由于测试系统没有對压力和流量进行反馈控制，测试精度不高。
本文设计了一种以STM32F107嵌入式芯片以及数据采集模块为核心[4]的泡点测试仪。该仪器可以通过上位机操作界面控制下位机，完成泡点测试。由于系统采用对压力和流量的闭环控制，可以提高泡点压力的测试精度。
1 泡点测试实验原理
将过滤材料用浸润液完全浸润后，浸润液扩散满整个膜孔中，逐渐增加外界压力，直至高压侧的气体压力大于膜孔内的毛细管压力和表面张力，浸润液从过滤材料的另一侧溢出。图1表示泡点出现前后气体分子的运动过程。
泡点压力[p]与膜孔径[D]的关系式可用式（1）表示：[p=4kγcosθD] （1）
式中：[γ]为浸润液的表面张力系数；[θ]为液体与膜表面之间的夹角，当膜完全浸润时[θ]=0；[k]为膜孔的修正系数，通常取0.715。
由式（1）可知过滤材料的泡点压力反比于膜孔径大小，膜材料上的孔径符合正态分布规律，首先出现气泡的为膜上的最大孔径[5]。
2 仪器设计
2.1 仪器整体设计
测试仪器的结构图如图2所示。
图中粗线型和箭头表示气体流通的方向和路径，测试组件中的针型调节阀由步进电机驱动，调节阀的工作范围为0～100 ml/min；压力传感器测量范围为0～1 MPa，对应输出电压范围为0～5 V；流量传感器测量范围为0～100 ml/min，对应输出的电流范围为4～20 mA；3个电磁开关阀为常闭阀，开启电压为24 V。上位机控制界面是基于LabVIEW 2011开发设计[6]，上位机实时读取下位机回传的压力和流量值，完成数据的显示、存储以及后期分析，实验结束后可由串口打印机打印出数据供用户使用。
2.2 控制系统硬件设计
控制系统硬件设计是以STM32F107VCT6芯片为核心，STM32F107是ARM公司研制的一种高性能芯片。芯片外扩了电源模块、A/D转换、RS 485通信、电机驱动、电磁开关阀驱动、LCD液晶显示及打印输出等模块。硬件结构图如图3所示。
电源模块给控制器提供3.3 V电压；STM32与上位机采用RS 485通信[7]；A/D模块将采集到的压力和流量模拟量转换成数字量送入控制器；LCD显示和打印机模块可对实时观测的压力、流量测试数据进行显示打印输出；控制器给电磁开关阀发送开闭信号；STM32微控制器输出控制信号给驱动器产生步进电机驱动脉冲[8]，驱动步进电机调节针型阀开闭，控制器与步进电机驱动器之间采用共阳极接法。连接方式如图4所示，控制方式说明如表1所示。
3 测试软件及压力控制设计
3.1 起泡点实验软件设计
本文设计的泡点测试仪，泡点测试是基于压力衰减原理，即泡点出现前过滤材料被视为一个密封腔体，每隔一段时间上升指定的压力步长，一旦泡点出现后，压力会有明显的衰减，当衰减值大于标准值时，即视为出现泡点值。
本系统将压力步长定为3 kPa，时间步长定为5 s，泡点出现时的压力衰减阈值定为0.5 kPa，即每隔5 s打开进气阀、电磁开关阀和针型调节阀向系统内供气，当压力每上升3 kPa后记录压力值[P1、]关闭电磁开关阀等待5 s，5 s后记录压力值[P2]并计算压力衰减值，若压力值衰减达到0.5 kPa，即判定泡点出现，记录泡点结果。泡点测试中的程序流程图如图5所示。
3.2 压力控制设计模块
本文设计的压力控制部分是由步进电机带动针型调节阀，控制密封腔体内的压力。控制器输出控制信号给驱动器产生步进电机驱动脉冲，给步进电机每输入1个脉冲，就转动1个角度，通过步距角变化控制压力变化。压力控制设定的方法：根据压力设定值与压力输出值的差值[e（t）]进行负反馈控制，当差值[e（t）=0]时，完成一次压力设定。压力控制模块的程序流程图如图6所示。
此系统为一个闭环控制系统，控制目标为膜上下游腔体内的压力，控制对象为针型调节阀。本设计采用的PID[9]闭环控制系统框图如图7所示。
在离散时间域中，PID控制器算法表达式为：
[uk=Kpek+TTij=0kej+TdT+e（k）-e（k-1）=Kpek+Kij=0kejT+KdTe（k）-e（k-1）] （2）
式中：[Kp]是比例系数；积分系数为[Ki，][Ki=KpTi；]微分系数为[Kd，][Kd=Kp*Td；][uk]则是PID控制器第[k]次采样时刻的输出值；PID控制器的偏差值[ek]为第[k]次采样时刻的输入所得；[ek-1]是第[k-1]次采样时刻输入PID控制器的偏差值；[T]为采样周期。
式（2）也被认为是位置型PID控制算法。此种算法的每次输出均与过去的状态有关，因而产生增量式的PID控制算法。根据递推原理可得：
[uk-1=Kpek-1+Kij=0kej-1+KdTe（k-1）-e（k-2）] （3）
用式（2）减去式（3），可得：
[Δuk=Kpek-ek-1+Kiek+KdTe（k）-2e（k-1）+e（k-2）] （4）
式（4）称为增量式PID控制算法。在本软件程序中先进行PID的增量式运算， 然后对采集到的实时电压进行归一化处理，程序通过对误差值的不断更新实现对系统内压力的实时调节。
4 实验测试结果及分析
选取膜过滤试样进行泡点测试，测试过程中的压力值随时间变化的曲线如图8所示。
实验历时75 s，压力测量值与线性值差值大于0.5 kPa，此时临界压力值即为泡点压力42.4 kPa。再通过南京高谦功能材料科技公司PSDA?20型孔径分析仪器对膜样品进行孔径分析，测试到的最大孔径为1.161 μm。样品孔径分布图如图9所示。
把同种膜样品送入扫描电子显微镜（SEM）[10]下进行表面和断面分析，得出最大孔径约为1.175 μm，膜的表面张力系数为16.9 mN/m，由式（1）计算出泡点压力约为41.3 kPa，图10和图11分别表示的是膜样品SEM表面和断面图。
通过对比实验可知，泡点压力测试结果和SEM计算的结果误差为2.6%，实验结果能满足泡点测试的要求，测试精度高。
5 结 语
本文设计了一套新型的过滤膜材料泡点测试仪。该测试仪器以STM32F107嵌入式芯片为控制核心，可实现过滤膜材料泡点压力的自动检测。并能将实时检测的实验数据通过串口发送至上位PC机进行实时显示，且具有数据保存和打印输出功能。整个测试系统工作稳定，测试结果准确可靠。
参考文献
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[6] 罗义辉.基于LabVIEW振动控制分析虚拟仪器研究[D].西安：陕西科技大学，2012.
[7] 赵良叶，陈开颜，王少华.利用RS?485总线实现安防与环境监测系统的数据通信[J].河北省科学院学报，2005（1）：22?25.
[8] 王晨光，孙运强，许红鹰.步进电机的单片机控制设计分析[J].国外电子测量技术，2008（9）：39?44.
[9] 刘艳春，赵立双.基于增量式PID控制算法的恒温控制系统[J].信息技术，2014（2）：167?169.
[10] VONLANTHEN P， RAUSCH J， KETCHAM R A， et al. High?resolution 3D analyses of the shape and internal constituents of small volcanic ash particles： the contribution of SEM micro?computed tomography （SEM micro?CT） [J]. Journal of volcanology and geothermal research， 2015， 293（1）： 1?12.
