中贏(yíng)智能模糊給水控制器的設計開(kāi)發(fā)

      在供水系統中，水泵的耗電量占總耗電量的21%以上，采用變頻調速技術(shù)對水泵運行進(jìn)行技術(shù)改造，可節電20%～50%，既節約了資源，又提高了系統的響應速度和調節精度。智能模糊給水控制器就是應用變頻技術(shù)和模糊控制方法，根據檢測到的信號的狀態(tài)，按照系統的控制流程通過(guò)變頻器和執行元件對水泵組進(jìn)行控制，從而實(shí)現恒壓供水的目的。并且采用無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)實(shí)現了與上位機的通信，可用于現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(xiàn)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。包括信號采集、參數設定、數據顯示、鍵盤(pán)中斷、電機控制等模塊。

      用戶(hù)可以根據不同的應用對象，選取不同的參數。在控制器使用之前，首先要對各功能進(jìn)行參數值的設定，如PI采樣周期、設定壓力、工作方式等。位于用戶(hù)管網(wǎng)的壓力傳感器將電壓信號經(jīng)過(guò)濾波采樣處理后，進(jìn)入ADC0831，轉換為8位數字量送入CPU。運算結果再串行輸出給74HC164，進(jìn)而在LED顯示。系統的設定數據和其他一些掉電時(shí)需要保護的數據都存儲在串行E2PROM X5045P中，它是可電擦寫(xiě)的非易失性存儲器，CPU通過(guò)I2C串行總線(xiàn)對其進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)施讀寫(xiě)操作。

      信號采集：位于用戶(hù)管網(wǎng)的壓力傳感器將電壓信號經(jīng)過(guò)濾波采樣處理后，進(jìn)入ADC0831，轉換為8位數字量送入CPU。ADC0831是8位逐次比較式單極性A/D轉換器，自帶時(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(dòng)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(cháng)，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。

      參數設定：用戶(hù)可以根據不同的應用對象，選取不同的參數。在控制器使用之前，首先要對各功能進(jìn)行參數值的設定，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)低電平給單片機的P0.0～P0.3口，在輸入數據以后，執行一條取指操作，使引腳上的數據經(jīng)緩沖器送至內部總線(xiàn)，數據讀入CPU,運算結果串行輸出給74HC164，送LED顯示。

      數據顯示：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)鐘信號到來(lái)時(shí)，全部芯片內的數據將同時(shí)右移一位，前一片最高的碼送到下一片的串行數據輸入端和輸出口的最低位。單片機I/O口輸出的串行數據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。 

      電機控制：設計了由AT89C52的I/O口驅動(dòng)6個(gè)靈敏電繼電器，通過(guò)控制接觸器的通斷，實(shí)現每臺電動(dòng)機在變頻器與電網(wǎng)之間的切換。采用脈沖寬度調制，通過(guò)改變電機驅動(dòng)電壓接通時(shí)間與通電周期的比值來(lái)控制電機的速度。在脈沖的作用下，當電機通電時(shí)，速度增加；電機斷電時(shí)，速度逐漸減小。變頻調速是通過(guò)供水系統管網(wǎng)上的壓力傳感器對管網(wǎng)的水壓進(jìn)行采樣，將壓力信號轉換成電信號，并將其送至PI調解器與用戶(hù)設備的壓力值進(jìn)行比較和運算，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器。變頻器根據傳送過(guò)來(lái)的頻率調節信號調整水泵電機的電源頻率，從而實(shí)現調整水泵的轉速，達到水壓恒定的目的。

nRF401芯片的應用

● 芯片簡(jiǎn)介

      為了實(shí)現對給水控制器的監測，將控制器的信息傳給上位機，以便進(jìn)行數據分析，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(gè)晶體和幾個(gè)電阻、電容、電感元件，可直接與單片機串口相連，用于發(fā)送接收數據，由于無(wú)需對數據進(jìn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)的工作過(guò)程如下：首先，由上位機(主機)向給水控制器(從機)發(fā)出請求數據或從機狀態(tài)數據包。然后，當從機收到主機發(fā)來(lái)的數據包時(shí)從機作出相應的回答，如果從機有數據則發(fā)送數據包，如果沒(méi)有數據則發(fā)送狀態(tài)數據包。當主機收到從機的應答數據并校驗之后，主機將發(fā)送一個(gè)確認數據包給從機，以確認從機數據包的正確性。如果數據在傳輸的過(guò)程中有數據丟失，主機將要求從機重新發(fā)送數據，直到數據全部正確為止。

無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議定義如下：nRF401之間通信數據包共24B，其格式為：

起始碼LEAD(2)+目的地址(1)+源地址(1)+數據包ID(1)+指令類(lèi)型TYPE(1)+日期DATE(5)+數據有效長(cháng)度LENGTH(1)+數據DATA(10)+CRC校驗碼(2)

其中括號內的數字為所占用的字節數。

于是就可以很方便的把以上系統的數據包格式定為：

LEAD1=55H，是引導碼；

LEAD2=0AAH，是引導碼；

ADD1是數據要傳送的終止地址；

ADD2是數據包的始發(fā)地址；

TYPE是數據包的命令字節，由此確定數據包的類(lèi)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是為數據包的有效字節的長(cháng)度；

DATA是數據包字節；

CRC是校驗字節。

      由于在系統中無(wú)線(xiàn)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據，它們之間的數據交換方式如圖數據交換框圖7所示。

      為了使CPU能夠處理其他事情，該監測系統的單片機數據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)行數據采集與無(wú)線(xiàn)通信，這樣就可以使系統順利工作。另外，為了使系統可靠的工作，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(hù)寬范圍的選擇PID自適應參數，適應寬泛對象的慣性高精度的快速調節，系統參數的設定簡(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。使控制對象的響應速度和超調范圍實(shí)現優(yōu)化。Fuzzy-PID控制方法采用查表法，提高了運行速度，縮短了調解時(shí)間，改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)、穩定性能，提高了系統的抗干擾能力。

      當水位連續變化時(shí)，水位傳感器信號也不斷變化，由此測量值和水位設定值進(jìn)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(dòng)機，從而改變進(jìn)水量，保持水位在允許范圍內波動(dòng)

結語(yǔ)

      本文設計了一種智能模糊控制器，對系統的動(dòng)態(tài)性能和穩態(tài)精度都有較好的改善作用。尤其是采用了nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，實(shí)現了與上位機通信，使用方便。模糊控制算法保證了系統可根據運行情況自動(dòng)修正參數，對系統結構變化或隨機干擾有較好的自適應性。