智能模糊給水控制器的設(shè)計開發(fā)

智能模糊給水控制器的設(shè)計開發(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)對水泵運行進行技術(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)檢測到的信號的狀態(tài)，按照系統(tǒng)的控制流程通過變頻器和執(zhí)行元件對水泵組進行控制，從而實現(xiàn)恒壓供水的目的。并且采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)了與上位機的通信，可用于現(xiàn)有給水控制器的升級改造。

給水控制器的硬件設(shè)計

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

用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用對象，選取不同的參數(shù)。在控制器使用之前，首先要對各功能進行參數(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經(jīng)過濾波采樣處理后，進入ADC0831，轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量送入CPU。運算結(jié)果再串行輸出給74HC164，進而在LED顯示。系統(tǒng)的設(shè)定數(shù)據(jù)和其他一些掉電時需要保護的數(shù)據(jù)都存儲在串行E2PROM X5045P中，它是可電擦寫的非易失性存儲器，CPU通過I2C串行總線對其進行訪問，實施讀寫操作。

信號采集：位于用戶管網(wǎng)的壓力傳感器將電壓信號經(jīng)過濾波采樣處理后，進入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。為了實現(xiàn)按比例轉(zhuǎn)換，達到最高的分辨率，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。片選信號置零才能啟動轉(zhuǎn)換，使所有邏輯電路使能，因此，片選信號必須保持低電平。由于采樣間隔比較長，并從成本上考慮，在這里沒有安裝采樣保持器，而是選用了瓷片電容，同樣起到了濾波和采樣保持的作用。

參數(shù)設(shè)定：用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用對象，選取不同的參數(shù)。在控制器使用之前，首先要對各功能進行參數(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四個按鍵。使用時分別點擊按鍵，開關(guān)與地短接，產(chǎn)生一個低電平給單片機的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,運算結(jié)果串行輸出給74HC164，送LED顯示。

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。每一個時鐘信號到來時，全部芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)將同時右移一位，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間處理其他的事務(wù)。優(yōu)點是編程容易，管理簡單。

電機控制：設(shè)計了由AT89C52的I/O口驅(qū)動6個靈敏電繼電器，通過控制接觸器的通斷，實現(xiàn)每臺電動機在變頻器與電網(wǎng)之間的切換。采用脈沖寬度調(diào)制，通過改變電機驅(qū)動電壓接通時間與通電周期的比值來控制電機的速度。在脈沖的作用下，當(dāng)電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減小。變頻調(diào)速是通過供水系統(tǒng)管網(wǎng)上的壓力傳感器對管網(wǎng)的水壓進行采樣，將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，并將其送至PI調(diào)解器與用戶設(shè)備的壓力值進行比較和運算，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器。變頻器根據(jù)傳送過來的頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，達到水壓恒定的目的。

nRF401芯片的應(yīng)用

● 芯片簡介

為了實現(xiàn)對給水控制器的監(jiān)測，將控制器的信息傳給上位機，以便進行數(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。該芯片的最大傳輸速率為20kb/s，僅外接一個晶體和幾個電阻、電容、電感元件，可直接與單片機串口相連，用于發(fā)送接收數(shù)據(jù)，由于無需對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼。硬件設(shè)計的電路圖如圖6所示。

圖6 無線收發(fā)模塊的硬件電路圖

無線通信協(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)有效長度LENGTH(1)+數(shù)據(jù)DATA(10)+CRC校驗碼(2)

其中括號內(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、定時上傳等；
DATE是日期，包括年、月、日、時、分；
LENGTH是為數(shù)據(jù)包的有效字節(jié)的長度；
DATA是數(shù)據(jù)包字節(jié)；
CRC是校驗字節(jié)。

由于在系統(tǒng)中無線通信的頻率采用433.92MHz作為通信載波頻率，主機采用掃描的方式采集從機的數(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)測系統(tǒng)的單片機數(shù)據(jù)采集部分采用了分時處理事件的方法進行控制。它通過日歷
時鐘芯片DS1302將一天的時間分成有效的若干段，分時進行數(shù)據(jù)采集與無線通信，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

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)定簡單易懂，使控制器控制變頻器拖動多泵進行恒壓給水。使控制對象的響應(yīng)速度和超調(diào)范圍實現(xiàn)優(yōu)化。Fuzzy-PID控制方法采用查表法，提高了運行速度，縮短了調(diào)解時間，改善了被控過程的動態(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，水位傳感器信號也不斷變化，由此測量值和水位設(shè)定值進行比較。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端，去控制電動機，從而改變進水量，保持水位在允許范圍內(nèi)波動，如圖8所示。

圖8 模糊PID控制原理圖

結(jié)語

本文設(shè)計了一種智能模糊控制器，對系統(tǒng)的動態(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無線收發(fā)芯片，實現(xiàn)了與上位機通信，使用方便。模糊控制算法保證了系統(tǒng)可根據(jù)運行情況自動修正參數(shù)，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化或隨機干擾有較好的自適應(yīng)性