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中贏智能模糊給水控製器的設計開發
時間:2018-09-03 12:01 來源:AG8亚游供水 作者:AG8亚游供水 點擊:

中贏智能模糊給水控製器的設計開發

 

      在供水係統中,水泵的耗電量占總耗電量的21%以上,采用變頻調速技術對水泵運行進行技術改造,可節電20%~50%,既節約了資源,又提高了係統的響應速度和調節精度。智能模糊給水控製器就是應用變頻技術和模糊控製方法,根據檢測到的信號的狀態,按照係統的控製流程通過變頻器和執行元件對水泵組進行控製,從而實現恒壓供水的目的。並且采用無線數據傳輸技術實現了與上位機的通信,可用於現有給水控製器的升級改造。 給水控製器的硬件設計

      智能模糊給水控製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較小化控製係統。包括信號采集、參數設定、數據顯示、鍵盤中斷、電機控製等模塊。

      用戶可以根據不同的應用對象,選取不同的參數。在控製器使用之前,首先要對各功能進行參數值的設定,如PI采樣周期、設定壓力、工作方式等。位於用戶管網的壓力傳感器將電壓信號經過濾波采樣處理後,進入ADC0831,轉換為8位數字量送入CPU。運算結果再串行輸出給74HC164,進而在LED顯示。係統的設定數據和其他一些掉電時需要保護的數據都存儲在串行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:位於用戶管網的壓力傳感器將電壓信號經過濾波采樣處理後,進入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,自帶時鍾發生器,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。為了實現按比例轉換,達到較高的分辨率,將REF引腳的輸入電壓設置成模擬輸入電壓的較大值,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 須保持低電平。由於采樣間隔比較長,並從成本上考慮,在這裏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。

      參數設定:用戶可以根據不同的應用對象,選取不同的參數。在控製器使用之前,首先要對各功能進行參數值的設定,如PI采樣周期、壓力、工作方式等。控製麵板上有SET、UP、DOWN、PROG四個按鍵。使用時分別點擊按鍵,開關與地短接,產生一個低電平給單片機的P0.0~P0.3口,在輸入數據以後,執行一條取指操作,使引腳上的數據經緩衝器送至內部總線,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/並出移位寄存器74HC164作為8位LED顯示器的靜態控製端口。每一個時鍾信號到來時,全部芯片內的數據將同時右移一位,前一片較高的碼送到下一片的串行數據輸入端和輸出口的較低位。單片機I/O口輸出的串行數據在移位脈衝的同步作用下,可以漸移到各芯片的並行輸出端。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。優點是編程容易,管理簡單。 

 

      電機控製:設計了由AT89C52的I/O口驅動6個靈敏電繼電器,通過控製接觸器的通斷,實現每台電動機在變頻器與電網之間的切換。采用脈衝寬度調製,通過改變電機驅動電壓接通時間與通電周期的比值來控製電機的速度。在脈衝的作用下,當電機通電時,速度增加;電機斷電時,速度逐漸減小。變頻調速是通過供水係統管網上的壓力傳感器對管網的水壓進行采樣,將壓力信號轉換成電信號,並將其送至PI調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節信號送至變頻器。變頻器根據傳送過來的頻率調節信號調整水泵電機的電源頻率,從而實現調整水泵的轉速,達到水壓恒定的目的。

 

nRF401芯片的應用

● 芯片簡介

      為了實現對給水控製器的監測,將控製器的信息傳給上位機,以便進行數據分析,采用了挪威Nordic公司推出的nRF401單芯片RF收發機。該芯片的較大傳輸速率為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,用於發送接收數據,由於無需對數據進行曼徹斯特編碼。硬件設計的電路圖如圖6所示。

● 通信協議的製定

      無線收發的工作過程如下:首先,由上位機(主機)向給水控製器(從機)發出請求數據或從機狀態數據包。然後,當從機收到主機發來的數據包時從機作出相應的回答,如果從機有數據則發送數據包,如果沒有數據則發送狀態數據包。當主機收到從機的應答數據並校驗之後,主機將發送一個確認數據包給從機,以確認從機數據包的正確性。如果數據在傳輸的過程中有數據丟失,主機將要求從機重新發送數據,直到數據全部正確為止。

 

無線通信協議定義如下: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)+指令類型TYPE(1)+日期DATE(5)+數據有效長度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。

於是就可以很方便的把以上係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是數據包的始發地址;

TYPE是數據包的命令字節,由此確定數據包的類型,包括立即采樣、定時上傳等;

DATE是日期,包括年、月、日、時、分;

LENGTH是為數據包的有效字節的長度;

DATA是數據包字節;

CRC是校驗字節。

      由於在係統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,該監測係統的單片機數據采集部分采用了分時處理事件的方法進行控製。它通過日曆時鍾芯片DS1302將24小時的時間分成有效的若幹段,分時進行數據采集與無線通信,這樣就可以使係統順利工作。另外,為了使係統可靠的工作,還采取了一些軟件抗幹擾措施。

 

給水控製器的軟件設計

      軟件采用分段模糊PID自適應控製算法,可以讓用戶寬範圍的選擇PID自適應參數,適應寬泛對象的慣性高精度的快速調節,係統參數的設定簡單易懂,使控製器控製變頻器拖動多泵進行恒壓給水。使控製對象的響應速度和超調範圍實現優化。Fuzzy-PID控製方法采用查表法,提高了運行速度,縮短了調解時間,改善了被控過程的動態、穩定性能,提高了係統的抗幹擾能力。

      當水位連續變化時,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,經采樣和A/D轉換,送入模糊控製器,模糊控製器的輸出量加到變頻器的控製信號端,去控製電動機,從而改變進水量,保持水位在允許範圍內波動

 

結語

      本文設計了一種智能模糊控製器,對係統的動態性能和穩態精度都有較好的改善作用。尤其是采用了nRF401無線收發芯片,實現了與上位機通信,使用方便。模糊控製算法保證了係統可根據運行情況自動修正參數,對係統結構變化或隨機幹擾有較好的自適應性。

 

 

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