设计了基于C8051F410单片机的智能多功能供水控制器，详细介绍了该系统的软硬件设计。制器硬件由数据采集，人机界面，电机控制和电源模块组成，单片机的ADC模块用于收集管道压力并控制管道。ADC模块输出改变泵的运行速度，以维持水压的动态。定。中，恒压控制算法采用先进的数字PID控制理论，将变频调速技术与单片机技术有机结合。系统可满足住宅区或高层建筑的用水需求，具有高性能，高可靠性，低成本，低能耗的特点。
压供水，数据采集，PID控制，变频调速中图分类号：TP368.2文献标识码：BA产品货号：1004-373X（2010）06-004-04设计智能供水控制器孙金伟，王超，魏国（哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院，哈尔滨150001）摘要：恒压供水控制器基于C8051F410微控制器单元的核心设计，以及系统的设计，还详细介绍了硬件和软件。制器由几个模块组成，如用于采集信号的模块。据，人机界面模块，发动机控制模块和电源模块。DA模块控制泵的速度，有助于保持水压。制方法是PID理论，集成了VF和MCU速度技术，系统可以满足居民的需求，具有高性能，高可靠性，低成本，低功耗等特点。键词：恒压供水，数据采集，PID控制，VF速度引言随着经济的快速发展和高层建筑的出现，人们对水质的要求是供水系统的供水和可靠性正在稳步提高[1]，除了目前节能减排的要求外，还采用了先进的技术。子控制和测量以及自动化控制技术可以设计出高性能，高可靠性，低成本的特点低功耗，可应用于恒压供水系统的不同区域趋势随着近年来变频调速技术的快速发展，供水变压和变频在此基础上逐步发展，已成为现代新兴的供水技术[2]。前，国外恒压供水工程设计采用的方法是逆变器只有一个泵单元，实际上没有变频器用于驱动多个泵单元。方法投资成本高，功能简单[3]。此，基于C8051F410系统上的单片机被添加到变频调速系统，以形成一个更强大的复合控制系统，该系统不仅解决了上述缺点，而且还提供安装和实用开发，功能全面，可靠性高，防干扰。具有强大的容量优势，可广泛应用于工业生产和社会生活的各个领域。制原理在恒压供水系统中，安装在管网中的远程压力计提供水压信号，并通过光电隔离电路传输到系统的中央控制器和电压转换，收集压力数据和初步测量。定要比较的压力，得到偏差值，然后是PID运行后的控制参数.N / A模块将控制参数转换为模拟电压输出，调节变频器输出频率和控制因此水泵的速度，以确保管网。力基本上是恒定的。着耗水量的增加，管网中的压力低于预设值，逆变器的频率增加，恒温阀芯水泵的速度增加，从而增加了管道的水压。是，如果泵的额定输出功率仍不满足用户的用水要求，则泵自动转换为工作频率模式，下一个水泵通过变频启动;相反，当耗水量减少时，泵的工作频率降低到规定的下限工作频率。果供水量总是大于耗水量，则泵相应减少泵停止工作一定延迟后，控制器再次比较压力并计算控制输出以保持恒压供水[4]。框图如图1所示。统可以同时控制两个泵并使用不同的操作模式，例如单泵操作，单独补偿，单换泵和泵更换。间[5]。压供水和变频调速系统流程图全系统系统硬件和软件采用模块化和标准化设计，充分考虑系统扩展能力。制器由主控制面板，显示按钮面板和电源板组成。作原理如下：首先，用户通过显示按钮面板设置预设压力和各种控制器操作参数，然后登录E2PROM内存进行断电存储，位于用户管网末端。自远程压力计的电压或电流信号由采样电路转换为数字量，并发送到单片机以与预设压力进行比较。算并输出模拟控制量和继电器的输出状态量。拟控制量输出通过变频器控制模块电路发送到变频器，控制变频器的输出频率;继电器的输出状态量通过继电器输出电路发送到继电器组，并允许每个泵在电源频率下工作。是逆变器的状态[6]。
后，MCU将实际压力值，预设压力值，输出频率和每个泵的运行状态发送到显示面板，以便用户可以观察和操作它。统选择主控制器CPU电路2一般框图。控制器使用C8051F410单芯片，系统完全集成的混合信号在一个芯片上，也结合了高速12位ADC模块和的功率输出模数转换器。模块是基于硬件的SMBus和UART串行接口，便于处理器和E2PROM之间的通信以及串行数据输出。C8051F410还支持JTAG仿真和实时跟踪，支持非侵入式全速系统调试（无需片上资源消耗）。统电源电路采用基于TOP221Y三端稳压器的高精度开关电源电路，主电路拓扑一端采用直流变换电路，输出使用两套低压直流电源：主电路是系统。字电路部分提供DC 5V电源，次级环路为系统的模拟部分提供DC 15V电源。
集压力信号信号和光电隔离电路用户管网压力传感器监测的压力信号由光电隔离电路滤波隔离，然后进入内部的ADC模块。C8051F410执行比例转换并转换为数值12 b。于微控制器处理和计算其信号。了确保输入量成正比的转换范围，当光电隔离电路被放置在压力信号的模拟 – 数字转换，模拟电压前的模拟 – 数字转换器的分辨率被完全利用外部传输的0~5 V转换。是一个0~2 V的模拟电压信号。路原理如图3所示。3显示了压力表电压采样示意图，外部电压信号从IN端口通过隔离和滤波电路，从ADC端口转换为0~2V电压到微控制器。时，当获取到单片机系统的模拟信号时，各种干扰信号将与测量信号一起进入MCU控制系统。加在有用测量信号上的这些信号将降低测量精度并阻止稳定控制系统。述电路设计便于线性光耦合器光电子器件之间的相互转换，使用光作为信号传输装置，并电场隔离现场信号测量系统，从而实现线性电平转换而无需电噪声站点。
扰被引入控制系统[7]。变器输出电路控制MCU通过内部电流型数模转换（IDAC）模块将计算出的数字量转换为模拟电压输出，从而可以在滤波后监控逆变器。比例转换。率。时，为了保证单片机IDAC的输出电压稳定可靠且不受干扰，外部电路也采用了光电隔离电路（原理图）电路如图4所示。4控制逆变器模拟电压输出电路原理图E2PROM存储器电路本设计采用Atmel的E2PROM E2PROM芯片，体积小，性能优越，灵活，使用方便。些用户设置并在关闭系统电源后运行重启机器后会读取状态设置。处理器SMBus处理器兼容的集成I2C接口可直接与AT24C02通信，该解决方案不仅设计合理，可靠且价格低廉。路原理如图5所示。5电路图E2PROM继电器控制输出电路主控制器驱动5个敏感继电器K1至K5，分别是一个清洗阀和两个泵电机，用于控制继电器。开和关闭吹扫阀以及泵的变频。工频状态切换。MCU通过RX和TX信号线将继电器状态控制信号串行发送到74HC595D串行移位寄存器芯片，74HC595D锁存输出状态硬件以防止输出状态受到干扰。后，飞行员由Darlington ULN2003升级。以检查泵电机的运行状态和清洗阀的动作[8]。制器软件设计在本设计中，PID控制算法用于设置逆变器的输出频率，积分与差分之比。是连续系统中成熟且广泛使用的算法，特别是在工业控制中，因为要控制的对象的精确数学模型难以建立，并且系统的参数经常变化，这就是为什么经常使用PID控制算法[9]。
制图被示出在图6中其数学表达式为：y（t）的KPE =（T） KI柯（T）dt的 KDde（T）dt的（1）其中，KP，KI和KD是一个因素比例，积分系数和微分。数; e（t）是错误。程（1）的离散化可以通过计算机轻松完成.PID位置控制律的数学表达式如下：y（n）= KPe（n） KIΣje（j）T KDT （2）平均值：e（j）是第j次采样的误差值，T是采样周期。6 PID算法的控制方案在实际应用中，通常选择PID的增量控制律。于增量算法与位置算法相比较，因此不必累积第一个算法，难以产生大的累积误差并且获得增量控制量。障的影响相对较小，并且更容易实现手动自动模式。有影响转换[6]。量数值PID控制公式为：Δy= y（n）-y（n-1）= KP KIe（n）T KDT（3）在此设计中，执行器使用逆变器，由于增量数值PID控制算法，因此对于每个采样周期，控制器的控制输出相对于最后一次增加，并且系统的控制算法的流程呈现给图7图7增量数字PID算法输出控制流程图图7显示了整个系统中增量数字PID算法的控制流程：每当采集中断时输入A / D同步，压力信号转换为数字量PID。制模块处理压力信号的数字量以获得相应的数字控制输出量，然后以D / A开始将数字输出转换为模拟电压输出。拟电压输出用于控制变频器。模块与继电器开关输出模块和压力采集模块配合，通过相应的控制策略进行实时测量和控制，保持管网压力的动态平衡。水。了便于现场调试，PID上，下和跟踪采样周期的设置值在设计上是可变的，并且可以在启动时通过键盘改变该值，从而改变PID设置适合不同场合的控制需求。图8所示，曲线1是电动机模块的控制电压随参数设定前经过的时间的响应曲线，曲线2是多次设定参数后的响应曲线。以看出，在调整参数之后，系统的响应性能得到了显着改善。此，在实际应用环境中，需要多次调整设定值以获得最佳控制性能[10]。8 PID算法系统响应曲线分析了智能供水控制器的软硬件设计。控制器以SoC C8051F410微控制器为核心，通过管网进行压力采集，控制逆变器输出，并具有独特而灵活的用户界面。控制器不仅具有很高的采样和控制精度，而且还具有许多保护和干扰功能，以确保控制器的稳定性和安全性。控制器和变频器组成的恒压供水系统不仅大大提高了供水质量，而且对节能降耗也有明显效果。费。
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