基于C8051F340單片機的恒壓供水系統(tǒng)設計

黃 磊，張紹鵬，佟佳鑫

（1.吉林市水務集團第二供水廠，吉林市132021；2.北華大學 電氣信息工程學院，吉林市132021）

1 引言

水資源的應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，會造成出水水壓過高或者過低等不合理情況，導致不良后果。水壓過高，會導致管道破裂、水源流失；水壓過低，會出現(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)的設計解決了此問題，保證了穩(wěn)定水壓，充足供水。該系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：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智能控制自動運行，管理方便；④泵組交換工作，延長設施的使用壽命，保護了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)采用C8051F340 單片機作為控制核心，將壓力傳感器采集的管道信息進行A／D 采樣，送入微處理器與設定的水壓參數(shù)進行運算處理得出偏差值，通過對已進行PID 算法調(diào)節(jié)后輸出控制信號，再經(jīng)過D／A 轉(zhuǎn)換成模擬量送入變頻器，改變提供水泵機組轉(zhuǎn)動的頻率，從而實現(xiàn)控制水泵機組的轉(zhuǎn)動速度。使實際壓力圍繞設定值上下波動，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)的硬件設計

該控制系統(tǒng)的硬件主要有單片機控制模塊、信號采集處理模塊、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 單片機控制模塊

該系統(tǒng)單片機選用C8051F340 作為控制核心，該單片機使用專利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 信號采集處理模塊

管道內(nèi)供水壓力采集檢測元件采用CPR1000型壓力傳感器，該傳感器靈敏度高、頻響高、抗沖擊能力強、工作穩(wěn)定可靠。對水位高度的測量采用液位傳感器。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、增益放大器和校準選項，提高了供水壓力的檢測精度。

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，操作指令簡單、方便，可顯示8×4 行16×16 點陣漢字，該模塊不需片選信號，可簡化軟件設計。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定的水壓值、管網(wǎng)內(nèi)的水壓值與液位值，并有報警顯示功能，使供水信息顯示得更加直觀。

3.4 系統(tǒng)主電路設計

該系統(tǒng)主電路如圖4所示。供水系統(tǒng)采用4臺水泵機組，交換使用，延長設備使用壽命。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)開始工作時，微控制器發(fā)出指令利用變頻器使M1 進行軟啟動，轉(zhuǎn)速隨頻率上升到工頻時，若水壓仍低于設定值，則延時一定時間（避免短時干擾信號）后，發(fā)出指令使M1 進入工頻工作狀態(tài)，同時M2 變頻軟啟動，若水壓仍未達到要求，用同樣方法啟動M3。同理，M1、M2 都工頻運行時水壓仍高于設定值，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)的軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)硬件電路設計的要求，該系統(tǒng)的應用程序主要包括主程序、PID 控制算法子程序、鍵盤中斷處理程序、報警中斷處理程序、LCD 顯示子程序等。其中，主程序主要完成對單片機的初始化；PID 控制算法子程序主要用軟件方式來實現(xiàn)PID控制算法，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速；鍵盤中斷處理程序主要負責讀取設定的壓力初值；報警中斷處理程序主要完成當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，發(fā)出報警信號；LED 顯示子程序主要顯示當前水壓的實際值。

4.1 系統(tǒng)的主程序設計

該系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示，程序開始運行時，系統(tǒng)首先進行初始化，初始化包括看門狗初始化、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；沒按下，泵組工作按照初始值工作，巡檢系統(tǒng)同時運行，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 控制算法就是對偏差值ΔE 進行比例積分和微分，它是連續(xù)系統(tǒng)中廣泛應用的成熟算法，尤其在工業(yè)上，因為控制對象的精準數(shù)學模型較難建立，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)學表達式為：

離散后，計算機可以很方便地實現(xiàn)，其位置式PID控制規(guī)律的數(shù)學表達式可以表示為：

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 次采樣時的誤差值；T 為采樣的周期。

在實際的應用中，選擇增量式PID 控制規(guī)律，其算法表達式為：

得到

公式（3）為實際的計算機調(diào)節(jié)PID 控制算法，為獲得更好的效果，三個系數(shù)可根據(jù)實際供水系統(tǒng)的不同進行適當?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

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、運行穩(wěn)定，可以延長設備的使用壽命，節(jié)能、環(huán)保，具有很大的推廣價值和使用價值。

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