PIC單片機在污水泵輪換控制中的應用

王慶華

（江蘇亞太泵閥有限公司，江蘇 泰州225400）

0 引言

目前，污水泵常用在排澇泵房、污水泵房、雨水泵房等場所，對于這些水泵的自動控制大多數(shù)常采用液位浮球來進行，其原理是根據(jù)安裝在不同水位下的浮球內微動開關的分合動作狀態(tài)控制相對應的水泵運行或停機，在實際運行過程中常常帶來兩方面的問題：（1）水位很高時泵房呈缺電狀態(tài)，一段時間后泵房來電，所用水泵將同時啟動，對電網(wǎng)帶來沖擊，嚴重時水泵將出現(xiàn)多次重啟，當合用一臺軟啟動器時將可能導致多臺水泵控制回路爭用同一臺軟啟動器而出現(xiàn)啟動競爭，帶來接觸器、軟啟動器損壞。（2）由于各水泵在各自固定的水位下運行，同一泵房的多臺水泵可能有1～2臺由于水位低而長期得不到使用。而污水泵的防水功能是通過一種相互壓緊的機械密封面實現(xiàn)的，而機械密封由于長期壓緊將出現(xiàn)粘死現(xiàn)象，污水泵的長期停用將會導致機械密封失效面出現(xiàn)泄漏，從而進一步導致污水泵的電機絕緣降低，最終使水泵無法使用。這些情況都會給使用單位帶來較大的經(jīng)濟損失。

本公司采用Microchip公司的16F876A單片機，結合一些外圍電路，成功開發(fā)了一種能替代PLC控制器的專用型泵輪換控制裝置，從而以極低的成本解決了上述難題，并成功應用于一些泵站控制系統(tǒng)，系一種低成本高性能的解決方案。

1 工作原理

1.1 PIC單片機的性能特點簡介

PIC系列單片機是美國Microchip公司率先推出的采用精簡指令集計算機、哈佛雙總線和兩級指令流水線結構的8位嵌入式微控制器。它具有運行速度快、工作電壓低（最低工作電壓可為3 V）、功耗低、輸入輸出驅動能力強（可直接驅動LED）、體積小、價格廉、指令簡單易學易用等優(yōu)點。另外，它還集成了一系列具有獨特功能的外圍專用電路，例如振蕩器可選擇、可靠的復位電路、監(jiān)視定時器電路等。鑒于以上優(yōu)點，我們選用PIC 16F876A為原有的浮球式泵控制系統(tǒng)設計了泵輪換控制器。

1.2 輪換控制器工作方式

控制器采用的是16F876A單片機，它將安裝在各個水位下液位開關傳送來的開關量信號接入單片機輸入口，由單片機內部程序按不同的運行周期進行邏輯運算后轉換成與原液位開關輸入信號順序有一定移相的并有一定啟動延時的輪換控制信號（例如第一水位周期時1＃水位浮球控制1＃泵的啟停，低水位停機后到第二個運行周期時原控制1＃泵的1＃水位浮球則控制2＃泵的啟停，其他依此類推）。送出至單片機輸出口，經(jīng)驅動電路放大調理后驅動小型中間繼電器，并將中間繼電器的輸出接點引至輸出主控制電路，進而控制各對應水泵的啟停。同時輸出信號經(jīng)延時處理，使各水泵控制回路不再會出現(xiàn)競爭現(xiàn)象，電網(wǎng)沖擊便相應減小了（以下介紹以控制3臺泵為例）。

2 硬件結構

整個電路由4部分組成：水位浮球開關量輸入、驅動電路、單片機、繼電器輸出電路。結構框圖如圖1所示。

2.1 開關量輸入部分

圖1 硬件結構原理框圖

開關量輸入部分主要實現(xiàn)液位浮球開關信號的輸入及調理。由于浮球開關信號電纜往往與動力電纜線一同敷設，動力電纜50 Hz的交流電磁輻射往往對浮球開關量信號形成干擾，有時干擾電壓會達到10 V左右。故在輸入電路中加入50 Hz濾波電路，為防止過電壓對單片機內部電路破壞，在輸入端加入光隔離電路。

2.2 單片機部分

16F876A單片機具有28個引腳，3個可編程輸出口，8k FLASH用戶程序存儲器，可直接在線編程，無需昂貴的開發(fā)工具，節(jié)省了開發(fā)周期與開發(fā)成本。該控制器的輸入通道占用了POARTA口，采用POARTC口作為輸出口，POARTA口、POARTC口均為雙向端口（既可設置成輸入端也可設置成輸出端），故在程序初始化時需將這2個端口的TRASEA與TRASEC端口控制寄存器分別設置成開關量輸入與輸出端口。

2.3 驅動電路

驅動電路采用常規(guī)三極管放大驅動方式，并在輸出繼電器并聯(lián)續(xù)流二極管保護輸出電路。該電路較為簡單，不再贅述。

3 軟件設計

該程序主要實現(xiàn)開關量采集、邏輯判斷及運算、結果輸出功能，由主程序和一些控制子程序組成。

3.1 主程序

主程序主要完成系統(tǒng)的各I／O口、各種寄存器初始化設置、浮球狀態(tài)查詢，為方便調試及功能擴展，主要設計了泵輪換周期判斷子程序及水泵投切子程序。主程序通過不斷的循環(huán)調用子程序對輸入口進行查詢及輸出口及時刷新，實現(xiàn)對泵的輪換控制。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.2 子程序

子程序主要包括泵輪換周期判斷子程序及水泵投切除子程序。泵輪換周期子程序通過對最低停泵水位判斷是否要對水泵運行順序進行調整，并給出順序調整后的周期標志（利用輪換周期＝周期－1，并在歸零時重置初值的方式），本程序得出的是個數(shù)值，它代表第幾臺泵是優(yōu)先運行的泵（圖3）。泵投切子程序根據(jù)浮球的變化狀態(tài)結合周期標志，由幾臺泵順序投切分支程序完成泵投切輸出。每臺泵的投切子程序均采用了延時程序，一方面防止浮球的漂動引起誤動，另一方面防止高水位時水泵的同時啟動。程序框圖如圖4所示。

圖3 輪換周期判斷子程序框圖

圖4 泵投切子程序框圖

4 結語

該控制器硬件結構簡單，成本低廉，外圍接線方便，可靠性較高，自使用以來，污水泵的平均使用壽命得到明顯提高。在此基礎上利用該單片機的A／D轉換功能還可開發(fā)出液位傳感器式泵輪換控制裝置（可指示液位高度、設定啟停水位等），相對PLC控制系統(tǒng)系一種性價比較高的方案。

［1］竇振中，汪立森.PIC系列單片機應用設計與實例［M］.北京航空航天大學出版社，2001