基于C8051F340單片機(jī)的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 磊，張紹鵬，佟佳鑫

（1.吉林市水務(wù)集團(tuán)第二供水廠，吉林市132021；2.北華大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，吉林市132021）

1 引言

水資源的應(yīng)用主要包括了城市居民生活用水、工業(yè)生產(chǎn)用水以及消防用水等。在不同的時(shí)間段居民的用水量不同，供水系統(tǒng)的水壓在一天之中變化很大，會(huì)造成出水水壓過(guò)高或者過(guò)低等不合理情況，導(dǎo)致不良后果。水壓過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致管道破裂、水源流失；水壓過(guò)低，會(huì)出現(xiàn)供水不足，或者高層樓房供不上水的現(xiàn)象。恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了此問(wèn)題，保證了穩(wěn)定水壓，充足供水。該系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①高效節(jié)能；②采用管道供水，減少二次污染，節(jié)約資源；③智能控制自動(dòng)運(yùn)行，管理方便；④泵組交換工作，延長(zhǎng)設(shè)施的使用壽命，保護(hù)了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)采用C8051F340 單片機(jī)作為控制核心，將壓力傳感器采集的管道信息進(jìn)行A／D 采樣，送入微處理器與設(shè)定的水壓參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算處理得出偏差值，通過(guò)對(duì)已進(jìn)行PID 算法調(diào)節(jié)后輸出控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)D／A 轉(zhuǎn)換成模擬量送入變頻器，改變提供水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。使實(shí)際壓力圍繞設(shè)定值上下波動(dòng)，保持供水壓力恒定的目的。該系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的硬件主要有單片機(jī)控制模塊、信號(hào)采集處理模塊、泵組控制模塊、液晶顯示模塊、電源模塊等部分構(gòu)成。

該系統(tǒng)控制方案原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

3.1 單片機(jī)控制模塊

該系統(tǒng)單片機(jī)選用C8051F340 作為控制核心，該單片機(jī)使用專(zhuān)利CIP－51 微控制器內(nèi)核，采用高速、流水線型結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)48MPIS，內(nèi)部ROM 為64K 字節(jié)，RAM 為256＋4K 字節(jié)，滿足該系統(tǒng)的工作要求。

3.2 信號(hào)采集處理模塊

管道內(nèi)供水壓力采集檢測(cè)元件采用CPR1000型壓力傳感器，該傳感器靈敏度高、頻響高、抗沖擊能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠。對(duì)水位高度的測(cè)量采用液位傳感器。A／D 轉(zhuǎn)化器采用16 位的AD7705 芯片構(gòu)成，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該芯片內(nèi)置可編程的數(shù)字濾波器、增益放大器和校準(zhǔn)選項(xiàng)，提高了供水壓力的檢測(cè)精度。

3.3 液晶顯示模塊

系統(tǒng)的信息顯示單元選用LCD12864 顯示模塊，LCD12864 是128×64 點(diǎn)陣的液晶顯示模塊，可顯示漢字和圖形。該模塊接口方式靈活，操作指令簡(jiǎn)單、方便，可顯示8×4 行16×16 點(diǎn)陣漢字，該模塊不需片選信號(hào)，可簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。該電路原理圖如圖4所示。

圖3 顯示器控制原理圖

該模塊可清晰地顯示出設(shè)定的水壓值、管網(wǎng)內(nèi)的水壓值與液位值，并有報(bào)警顯示功能，使供水信息顯示得更加直觀。

3.4 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主電路如圖4所示。供水系統(tǒng)采用4臺(tái)水泵機(jī)組，交換使用，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。圖中QA 為低壓斷路器。KM1－KM9 為接觸器，F(xiàn)R1、FR2、FR3 和FR4 為熱繼電器。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，微控制器發(fā)出指令利用變頻器使M1 進(jìn)行軟啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速隨頻率上升到工頻時(shí)，若水壓仍低于設(shè)定值，則延時(shí)一定時(shí)間（避免短時(shí)干擾信號(hào)）后，發(fā)出指令使M1 進(jìn)入工頻工作狀態(tài)，同時(shí)M2 變頻軟啟動(dòng)，若水壓仍未達(dá)到要求，用同樣方法啟動(dòng)M3。同理，M1、M2 都工頻運(yùn)行時(shí)水壓仍高于設(shè)定值，則M2 切換到變頻工作狀態(tài)。

圖4 系統(tǒng)主電路圖

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的要求，該系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要包括主程序、PID 控制算法子程序、鍵盤(pán)中斷處理程序、報(bào)警中斷處理程序、LCD 顯示子程序等。其中，主程序主要完成對(duì)單片機(jī)的初始化；PID 控制算法子程序主要用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制算法，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速；鍵盤(pán)中斷處理程序主要負(fù)責(zé)讀取設(shè)定的壓力初值；報(bào)警中斷處理程序主要完成當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；LED 顯示子程序主要顯示當(dāng)前水壓的實(shí)際值。

4.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示，程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，初始化包括看門(mén)狗初始化、按鍵子程序初始化、LCD 液晶顯示屏初始化等。然后判斷按鍵是否按下，若按下，系統(tǒng)判斷按鍵數(shù)值，按功能執(zhí)行；沒(méi)按下，泵組工作按照初始值工作，巡檢系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，循環(huán)執(zhí)行此流程。

圖5 主程序流程圖

4.2 PID 控制算法

PID 控制算法就是對(duì)偏差值ΔE 進(jìn)行比例積分和微分，它是連續(xù)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的成熟算法，尤其在工業(yè)上，因?yàn)榭刂茖?duì)象的精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型較難建立，系統(tǒng)參數(shù)又常發(fā)生變化，所以經(jīng)常采用PID 控制算法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

離散后，計(jì)算機(jī)可以很方便地實(shí)現(xiàn)，其位置式PID控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為：

其中：Kp、Ki、Kd 分別代表比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)；e（j）為第j 次采樣時(shí)的誤差值；T 為采樣的周期。

在實(shí)際的應(yīng)用中，選擇增量式PID 控制規(guī)律，其算法表達(dá)式為：

得到

公式（3）為實(shí)際的計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)PID 控制算法，為獲得更好的效果，三個(gè)系數(shù)可根據(jù)實(shí)際供水系統(tǒng)的不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。PID 控制算法的程序框圖如圖6所示。

圖6 PID 控制算法的程序框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的恒壓控水系統(tǒng)是一種智能的控制系統(tǒng)，在節(jié)約水資源方面明顯地優(yōu)越于目前的恒壓控水系統(tǒng)，該系統(tǒng)成本低、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，節(jié)能、環(huán)保，具有很大的推廣價(jià)值和使用價(jià)值。

［1］邊樹(shù)海.基于STC12C5A60S2 單片機(jī)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（1）：43－46.

［2］葉金虎.基于自適應(yīng)模糊控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)［J］.機(jī)電技術(shù)，2008（4）：66－68.

［3］楊 旭.基于迷糊控制的變頻變壓供水系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［D］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009.