PIC單片機(jī)在污水泵輪換控制中的應(yīng)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(chǎng)所，對(duì)于這些水泵的自動(dòng)控制大多數(shù)常采用液位浮球來(lái)進(jìn)行，其原理是根據(jù)安裝在不同水位下的浮球內(nèi)微動(dòng)開(kāi)關(guān)的分合動(dòng)作狀態(tài)控制相對(duì)應(yīng)的水泵運(yùn)行或停機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中常常帶來(lái)兩方面的問(wèn)題：（1）水位很高時(shí)泵房呈缺電狀態(tài)，一段時(shí)間后泵房來(lái)電，所用水泵將同時(shí)啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)沖擊，嚴(yán)重時(shí)水泵將出現(xiàn)多次重啟，當(dāng)合用一臺(tái)軟啟動(dòng)器時(shí)將可能導(dǎo)致多臺(tái)水泵控制回路爭(zhēng)用同一臺(tái)軟啟動(dòng)器而出現(xiàn)啟動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)，帶來(lái)接觸器、軟啟動(dòng)器損壞。（2）由于各水泵在各自固定的水位下運(yùn)行，同一泵房的多臺(tái)水泵可能有1～2臺(tái)由于水位低而長(zhǎng)期得不到使用。而污水泵的防水功能是通過(guò)一種相互壓緊的機(jī)械密封面實(shí)現(xiàn)的，而機(jī)械密封由于長(zhǎng)期壓緊將出現(xiàn)粘死現(xiàn)象，污水泵的長(zhǎng)期停用將會(huì)導(dǎo)致機(jī)械密封失效面出現(xiàn)泄漏，從而進(jìn)一步導(dǎo)致污水泵的電機(jī)絕緣降低，最終使水泵無(wú)法使用。這些情況都會(huì)給使用單位帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。

本公司采用Microchip公司的16F876A單片機(jī)，結(jié)合一些外圍電路，成功開(kāi)發(fā)了一種能替代PLC控制器的專(zhuān)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(yīng)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(jī)的性能特點(diǎn)簡(jiǎn)介

PIC系列單片機(jī)是美國(guó)Microchip公司率先推出的采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)、哈佛雙總線和兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)的8位嵌入式微控制器。它具有運(yùn)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(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（可直接驅(qū)動(dòng)LED）、體積小、價(jià)格廉、指令簡(jiǎn)單易學(xué)易用等優(yōu)點(diǎn)。另外，它還集成了一系列具有獨(dú)特功能的外圍專(zhuān)用電路，例如振蕩器可選擇、可靠的復(fù)位電路、監(jiān)視定時(shí)器電路等。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，我們選用PIC 16F876A為原有的浮球式泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)，它將安裝在各個(gè)水位下液位開(kāi)關(guān)傳送來(lái)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)接入單片機(jī)輸入口，由單片機(jī)內(nèi)部程序按不同的運(yùn)行周期進(jìn)行邏輯運(yùn)算后轉(zhuǎn)換成與原液位開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)順序有一定移相的并有一定啟動(dòng)延時(shí)的輪換控制信號(hào)（例如第一水位周期時(shí)1＃水位浮球控制1＃泵的啟停，低水位停機(jī)后到第二個(gè)運(yùn)行周期時(shí)原控制1＃泵的1＃水位浮球則控制2＃泵的啟停，其他依此類(lèi)推）。送出至單片機(jī)輸出口，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大調(diào)理后驅(qū)動(dòng)小型中間繼電器，并將中間繼電器的輸出接點(diǎn)引至輸出主控制電路，進(jìn)而控制各對(duì)應(yīng)水泵的啟停。同時(shí)輸出信號(hào)經(jīng)延時(shí)處理，使各水泵控制回路不再會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，電網(wǎng)沖擊便相應(yīng)減小了（以下介紹以控制3臺(tái)泵為例）。

2 硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)電路由4部分組成：水位浮球開(kāi)關(guān)量輸入、驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)、繼電器輸出電路。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1 開(kāi)關(guān)量輸入部分

圖1 硬件結(jié)構(gòu)原理框圖

開(kāi)關(guān)量輸入部分主要實(shí)現(xiàn)液位浮球開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入及調(diào)理。由于浮球開(kāi)關(guān)信號(hào)電纜往往與動(dòng)力電纜線一同敷設(shè)，動(dòng)力電纜50 Hz的交流電磁輻射往往對(duì)浮球開(kāi)關(guān)量信號(hào)形成干擾，有時(shí)干擾電壓會(huì)達(dá)到10 V左右。故在輸入電路中加入50 Hz濾波電路，為防止過(guò)電壓對(duì)單片機(jī)內(nèi)部電路破壞，在輸入端加入光隔離電路。

2.2 單片機(jī)部分

16F876A單片機(jī)具有28個(gè)引腳，3個(gè)可編程輸出口，8k FLASH用戶程序存儲(chǔ)器，可直接在線編程，無(wú)需昂貴的開(kāi)發(fā)工具，節(jié)省了開(kāi)發(fā)周期與開(kāi)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(shè)置成輸入端也可設(shè)置成輸出端），故在程序初始化時(shí)需將這2個(gè)端口的TRASEA與TRASEC端口控制寄存器分別設(shè)置成開(kāi)關(guān)量輸入與輸出端口。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用常規(guī)三極管放大驅(qū)動(dòng)方式，并在輸出繼電器并聯(lián)續(xù)流二極管保護(hù)輸出電路。該電路較為簡(jiǎn)單，不再贅述。

3 軟件設(shè)計(jì)

該程序主要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量采集、邏輯判斷及運(yùn)算、結(jié)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(shè)置、浮球狀態(tài)查詢(xún)，為方便調(diào)試及功能擴(kuò)展，主要設(shè)計(jì)了泵輪換周期判斷子程序及水泵投切子程序。主程序通過(guò)不斷的循環(huán)調(diào)用子程序?qū)斎肟谶M(jìn)行查詢(xún)及輸出口及時(shí)刷新，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)對(duì)最低停泵水位判斷是否要對(duì)水泵運(yùn)行順序進(jìn)行調(diào)整，并給出順序調(diào)整后的周期標(biāo)志（利用輪換周期＝周期－1，并在歸零時(shí)重置初值的方式），本程序得出的是個(gè)數(shù)值，它代表第幾臺(tái)泵是優(yōu)先運(yùn)行的泵（圖3）。泵投切子程序根據(jù)浮球的變化狀態(tài)結(jié)合周期標(biāo)志，由幾臺(tái)泵順序投切分支程序完成泵投切輸出。每臺(tái)泵的投切子程序均采用了延時(shí)程序，一方面防止浮球的漂動(dòng)引起誤動(dòng)，另一方面防止高水位時(shí)水泵的同時(shí)啟動(dòng)。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(jié)語(yǔ)

該控制器硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，外圍接線方便，可靠性較高，自使用以來(lái)，污水泵的平均使用壽命得到明顯提高。在此基礎(chǔ)上利用該單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換功能還可開(kāi)發(fā)出液位傳感器式泵輪換控制裝置（可指示液位高度、設(shè)定啟停水位等），相對(duì)PLC控制系統(tǒng)系一種性?xún)r(jià)比較高的方案。

［1］竇振中，汪立森.PIC系列單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)例［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2001