智能模糊給水控制器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

在供水系統(tǒng)中，水泵的耗電量占總耗電量的21%以上，采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)水泵運(yùn)行進(jìn)行技術(shù)改造，可節(jié)電20%～50%，既節(jié)約了資源，又提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度。智能模糊給水控制器就是應(yīng)用變頻技術(shù)和模糊控制方法，根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)的狀態(tài)，按照系統(tǒng)的控制流程通過(guò)變頻器和執(zhí)行元件對(duì)水泵組進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的。并且采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的通信，可用于現(xiàn)有給水控制器的升級(jí)改造。

給水控制器的硬件設(shè)計(jì)

智能模糊給水控制器的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，以AT89C52單片機(jī)為核心，與I2C總線的I/O通道接口電路以及E2PROM存儲(chǔ)器相結(jié)合組成的最小化控制系統(tǒng)。包括信號(hào)采集、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤(pán)中斷、電機(jī)控制等模塊。各模塊的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 供水控制器的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 模糊給水控制器的硬件設(shè)計(jì)電路圖

用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，選取不同的參數(shù)。在控制器使用之前，首先要對(duì)各功能進(jìn)行參數(shù)值的設(shè)定，如PI采樣周期、設(shè)定壓力、工作方式等。位于用戶管網(wǎng)的壓力傳感器將電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波采樣處理后，進(jìn)入ADC0831，轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量送入CPU。運(yùn)算結(jié)果再串行輸出給74HC164，進(jìn)而在LED顯示。系統(tǒng)的設(shè)定數(shù)據(jù)和其他一些掉電時(shí)需要保護(hù)的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在串行E2PROM X5045P中，它是可電擦寫(xiě)的非易失性存儲(chǔ)器，CPU通過(guò)I2C串行總線對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)施讀寫(xiě)操作。

信號(hào)采集：位于用戶管網(wǎng)的壓力傳感器將電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波采樣處理后，進(jìn)入ADC0831，轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量送入CPU。ADC0831是8位逐次比較式單極性A/D轉(zhuǎn)換器，自帶時(shí)鐘發(fā)生器，具有單通道輸入方式，它的串行輸出接口容易與微處理器相連。為了實(shí)現(xiàn)按比例轉(zhuǎn)換，達(dá)到最高的分辨率，將REF引腳的輸入電壓設(shè)置成模擬輸入電壓的最大值，通常將VREF設(shè)置成VCC。片選信號(hào)置零才能啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，使所有邏輯電路使能，因此，片選信號(hào)必須保持低電平。由于采樣間隔比較長(zhǎng)，并從成本上考慮，在這里沒(méi)有安裝采樣保持器，而是選用了瓷片電容，同樣起到了濾波和采樣保持的作用。

圖3 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)原理圖

參數(shù)設(shè)定：用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，選取不同的參數(shù)。在控制器使用之前，首先要對(duì)各功能進(jìn)行參數(shù)值的設(shè)定，如PI采樣周期、壓力、工作方式等?？刂泼姘迳嫌蠸ET、UP、DOWN、PROG四個(gè)按鍵。使用時(shí)分別點(diǎn)擊按鍵，開(kāi)關(guān)與地短接，產(chǎn)生一個(gè)低電平給單片機(jī)的P0.0～P0.3口，在輸入數(shù)據(jù)以后，執(zhí)行一條取指操作，使引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖器送至內(nèi)部總線，數(shù)據(jù)讀入CPU,運(yùn)算結(jié)果串行輸出給74HC164，送LED顯示。

圖4 參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)計(jì)原理圖

數(shù)據(jù)顯示：采用4片8位的串入/并出移位寄存器74HC164作為8位LED顯示器的靜態(tài)控制端口。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)時(shí)，全部芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)將同時(shí)右移一位，前一片最高的碼送到下一片的串行數(shù)據(jù)輸入端和輸出口的最低位。單片機(jī)I/O口輸出的串行數(shù)據(jù)在移位脈沖的同步作用下，可以漸移到各芯片的并行輸出端。這樣主程序可以不掃描顯示器，從而使之有更多的時(shí)間處理其他的事務(wù)。優(yōu)點(diǎn)是編程容易，管理簡(jiǎn)單。

電機(jī)控制：設(shè)計(jì)了由AT89C52的I/O口驅(qū)動(dòng)6個(gè)靈敏電繼電器，通過(guò)控制接觸器的通斷，實(shí)現(xiàn)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)在變頻器與電網(wǎng)之間的切換。采用脈沖寬度調(diào)制，通過(guò)改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓接通時(shí)間與通電周期的比值來(lái)控制電機(jī)的速度。在脈沖的作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減小。變頻調(diào)速是通過(guò)供水系統(tǒng)管網(wǎng)上的壓力傳感器對(duì)管網(wǎng)的水壓進(jìn)行采樣，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將其送至PI調(diào)解器與用戶設(shè)備的壓力值進(jìn)行比較和運(yùn)算，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器。變頻器根據(jù)傳送過(guò)來(lái)的頻率調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到水壓恒定的目的。

圖5 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)原理圖

nRF401芯片的應(yīng)用

● 芯片簡(jiǎn)介

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)給水控制器的監(jiān)測(cè)，將控制器的信息傳給上位機(jī)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用了挪威Nordic公司推出的nRF401單芯片RF收發(fā)機(jī)。該芯片的最大傳輸速率為20kb/s，僅外接一個(gè)晶體和幾個(gè)電阻、電容、電感元件，可直接與單片機(jī)串口相連，用于發(fā)送接收數(shù)據(jù)，由于無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼。硬件設(shè)計(jì)的電路圖如圖6所示。

● 通信協(xié)議的制定

無(wú)線收發(fā)的工作過(guò)程如下：首先，由上位機(jī)(主機(jī))向給水控制器(從機(jī))發(fā)出請(qǐng)求數(shù)據(jù)或從機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)包。然后，當(dāng)從機(jī)收到主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包時(shí)從機(jī)作出相應(yīng)的回答，如果從機(jī)有數(shù)據(jù)則發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)則發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)包。當(dāng)主機(jī)收到從機(jī)的應(yīng)答數(shù)據(jù)并校驗(yàn)之后，主機(jī)將發(fā)送一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包給從機(jī)，以確認(rèn)從機(jī)數(shù)據(jù)包的正確性。如果數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中有數(shù)據(jù)丟失，主機(jī)將要求從機(jī)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)全部正確為止。

圖6 無(wú)線收發(fā)模塊的硬件電路圖

無(wú)線通信協(xié)議定義如下：nRF401之間通信數(shù)據(jù)包共24B，其格式為：

起始碼LEAD(2)+目的地址(1)+源地址(1)+數(shù)據(jù)包ID(1)+指令類型TYPE(1)+日期DATE(5)+數(shù)據(jù)有效長(zhǎng)度LENGTH(1)+數(shù)據(jù)DATA(10)+CRC校驗(yàn)碼(2)
其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為所占用的字節(jié)數(shù)。

于是就可以很方便的把以上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式定為：

LEAD1=55H，是引導(dǎo)碼；
LEAD2=0AAH，是引導(dǎo)碼；
ADD1是數(shù)據(jù)要傳送的終止地址；
ADD2是數(shù)據(jù)包的始發(fā)地址；
TYPE是數(shù)據(jù)包的命令字節(jié)，由此確定數(shù)據(jù)包的類型，包括立即采樣、定時(shí)上傳等；
DATE是日期，包括年、月、日、時(shí)、分；
LENGTH是為數(shù)據(jù)包的有效字節(jié)的長(zhǎng)度；
DATA是數(shù)據(jù)包字節(jié)；
CRC是校驗(yàn)字節(jié)。

由于在系統(tǒng)中無(wú)線通信的頻率采用433.92MHz作為通信載波頻率，主機(jī)采用掃描的方式采集從機(jī)的數(shù)據(jù)，它們之間的數(shù)據(jù)交換方式如圖數(shù)據(jù)交換框圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)交換的原理框圖

為了使CPU能夠處理其他事情，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集部分采用了分時(shí)處理事件的方法進(jìn)行控制。它通過(guò)日歷時(shí)鐘芯片DS1302將一天的時(shí)間分成有效的若干段，分時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與無(wú)線通信，這樣就可以使系統(tǒng)順利工作。另外，為了使系統(tǒng)可靠的工作，還采取了一些軟件抗干擾措施。

給水控制器的軟件設(shè)計(jì)

軟件采用分段模糊PID自適應(yīng)控制算法，可以讓用戶寬范圍的選擇PID自適應(yīng)參數(shù)，適應(yīng)寬泛對(duì)象的慣性高精度的快速調(diào)節(jié)，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定簡(jiǎn)單易懂，使控制器控制變頻器拖動(dòng)多泵進(jìn)行恒壓給水。使控制對(duì)象的響應(yīng)速度和超調(diào)范圍實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。Fuzzy-PID控制方法采用查表法，提高了運(yùn)行速度，縮短了調(diào)解時(shí)間，改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定性能，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

當(dāng)水位連續(xù)變化時(shí)，水位傳感器信號(hào)也不斷變化，由此測(cè)量值和水位設(shè)定值進(jìn)行比較。得出其誤差值，經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換，送入模糊控制器，模糊控制器的輸出量加到變頻器的控制信號(hào)端，去控制電動(dòng)機(jī)，從而改變進(jìn)水量，保持水位在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖8所示。

圖8 模糊PID控制原理圖

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種智能模糊控制器，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度都有較好的改善作用。尤其是采用了nRF401無(wú)線收發(fā)芯片，實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)通信，使用方便。模糊控制算法保證了系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行情況自動(dòng)修正參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化或隨機(jī)干擾有較好的自適應(yīng)性。