智能給水控制器的軟硬件設(shè)計

　　位于用戶管網(wǎng)的壓力傳感器監(jiān)測到的壓力信號經(jīng)過光電隔離電路進(jìn)行濾波和隔離處理后，進(jìn)入C8051F-410內(nèi)部的ADC模塊，實現(xiàn)按比例轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為12 b數(shù)字量，以供單片機對其信號進(jìn)行處理和計算。為了保證輸入量與轉(zhuǎn)換量程相稱，充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率，在對壓力信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前經(jīng)過光電隔離電路時，就已將外部傳入的O～5 V模擬電壓轉(zhuǎn)換為O～2 V模擬電壓信號。電路原理如圖3所示。

　　由圖3可見，外部電壓信號從IN端口接入，經(jīng)過隔離和濾波電路，轉(zhuǎn)換為O～2 V電壓，從ADC端口送入單片機。同時在模擬信號采集到單片機系統(tǒng)的過程中，各種干擾信號都會隨著被測量信號進(jìn)入MCU控制系統(tǒng)，這些信號迭加在有用的被測信號上會降低測量的準(zhǔn)確度，造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。以上電路設(shè)計便利用線性光耦進(jìn)行光電之間的相互轉(zhuǎn)換，利用光作為媒介進(jìn)行信號傳輸，在電氣上使測量系統(tǒng)與現(xiàn)場信號完全隔離，從而實現(xiàn)了電平線性轉(zhuǎn)換且不把現(xiàn)場的電噪聲干擾引入到控制系統(tǒng)中。

　　3.4 控制變頻器輸出電路

　　單片機通過內(nèi)部的電流輸出型數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊(IDAC)，將計算得出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出，其輸出電壓經(jīng)過濾波和比例轉(zhuǎn)換處理后用來控制變頻器的頻率。同時為了保證單片機IDAC輸出電壓穩(wěn)定可靠，不受干擾，外部電路同樣采用了光電隔離電路，其電路原理圖如圖4所示。

　　3.5 外擴E2PROM存儲器電路

　　該設(shè)計采用Atmel公司的E2PROM芯片AT24C02，其體積小，性能優(yōu)，使用靈活方便，能夠在系統(tǒng)掉電之后存儲一些用戶設(shè)定和運行的狀態(tài)參數(shù)，以便重新啟動機器之后讀取。處理器自身集成的SMBus兼容I2C接口，可以直接與AT24C02通信，此方案不僅設(shè)計單，工作可靠，而且成本低廉。電路原理如圖5所示。

　　3.6 繼電器控制輸出電路

　　主控制器驅(qū)動5個靈敏繼電器K1～K5，分別控制1個泄流閥和2個泵電機，實現(xiàn)對泄流閥的打開與關(guān)斷控制和泵的變頻或工頻狀態(tài)切換。單片機通過信號線RX與TX將繼電器狀態(tài)控制信號串行輸出給串行移位寄存器芯片74HC595D，由74HC595D將輸出狀態(tài)的硬件鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾，最后通過達(dá)林頓管ULN2003提高驅(qū)動能力，以控制水泵電機的工作狀態(tài)和泄流閥的動作。

　　4 控制器的軟件設(shè)計

　　該設(shè)計中對變頻器輸出頻率的調(diào)節(jié)采用PID控制算法，其控制算法就是對偏差的比例、積分和微分。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣泛的一種算法，特別是在工業(yè)控制中，因為控制對象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因此常采用PID控制算法，其控制示意圖如圖6所示。

　　它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　式中：KP，KI和KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù);e(t)為誤差。

　　式(1)離散化后可以用計算機很方便地實現(xiàn)，其位置式PID控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　式中：e(j)為第j次采樣的誤差值;T為采樣周期。

　　在實際應(yīng)用中，一般選擇增量式PID控制規(guī)律。因為增量型算法與位置型算法相比，前者不需要做累加，不易產(chǎn)生大的累加誤差，而且得出的是控制量的增量，誤動作的影響比較小，更易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。增量式數(shù)字PID控制算式為：