智能模糊給水控制器的設計開發(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)速技術對水泵運行進行技術改造，可節(jié)電20%～50%，既節(jié)約了資源，又提高了系統(tǒng)的響應速度和調(diào)節(jié)精度。智能模糊給水控制器就是應用變頻技術和模糊控制方法，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計

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

圖1  供水控制器的結構框圖

圖2  模糊給水控制器的硬件設計電路圖

    用戶可以根據(jù)不同的應用對象，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)值的設定，如PI采樣周期、設定壓力、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，轉換為8位數(shù)字量送入CPU。運算結果再串行輸出給74HC164，進而在LED顯示。系統(tǒng)的設定數(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)按比例轉換，達到最高的分辨率，將REF引腳的輸入電壓設置成模擬輸入電壓的最大值，通常將VREF設置成VCC。片選信號置零才能啟動轉換，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。

圖3  信號采集模塊設計原理圖

    參數(shù)設定：用戶可以根據(jù)不同的應用對象，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)值的設定，如PI采樣周期、壓力、工作方式等。控制面板上有SET、UP、DOWN、PROG四個按鍵。使用時分別點擊按鍵，開關與地短接，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,運算結果串行輸出給74HC164，送LED顯示。

圖4  參數(shù)設定模塊設計原理圖

    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。優(yōu)點是編程容易，管理簡單。

    電機控制：設計了由AT89C52的I/O口驅動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，將壓力信號轉換成電信號，并將其送至PI調(diào)解器與用戶設備的壓力值進行比較和運算，將結果轉換為頻率調(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)整水泵的轉速，達到水壓恒定的目的。

圖5  電機控制模塊設計原理圖

nRF401芯片的應用

● 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。硬件設計的電路圖如圖6所示。

● 通信協(xié)議的制定

    無線收發(fā)的工作過程如下：首先，由上位機(主機)向給水控制器(從機)發(fā)出請求數(shù)據(jù)或從機狀態(tài)數(shù)據(jù)包。然后，當從機收到主機發(fā)來的數(shù)據(jù)包時從機作出相應的回答，如果從機有數(shù)據(jù)則發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果沒有數(shù)據(jù)則發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)包。當主機收到從機的應答數(shù)據(jù)并校驗之后，主機將發(fā)送一個確認數(shù)據(jù)包給從機，以確認從機數(shù)據(jù)包的正確性。如果數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中有數(shù)據(jù)丟失，主機將要求從機重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)全部正確為止。

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，是引導碼；
LEAD2=0AAH，是引導碼；
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計

    軟件采用分段模糊PID自適應控制算法，可以讓用戶寬范圍的選擇PID自適應參數(shù)，適應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定值進行比較。得出其誤差值，經(jīng)采樣和A/D轉換，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

結語

    本文設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)結構變化或隨機干擾有較好的自適應性。