智能模糊给水控制器的设计开发

    在供水系统中，水泵的耗电量占总耗电量的21%以上，采用变频调速技术对水泵运行进行技术改造，可节电20%～50%，既节约了资源，又提高了系统的响应速度和调节精度。智能模糊给水控制器就是应用变频技术和模糊控制方法，根据检测到的信号的状态，按照系统的控制流程通过变频器和执行元件对水泵组进行控制，从而实现恒压供水的目的。并且采用无线数据传输技术实现了与上位机的通信，可用于现有给水控制器的升级改造。

给水控制器的硬件设计

    智能模糊给水控制器的硬件采用模块化设计，以AT89C52单片机为核心，与I2C总线的I/O通道接口电路以及E2PROM存储器相结合组成的最小化控制系统。包括信号采集、参数设定、数据显示、键盘中断、电机控制等模块。各模块的整体结构设计如图1所示。

图1  供水控制器的结构框图

图2  模糊给水控制器的硬件设计电路图

    用户可以根据不同的应用对象，选取不同的参数。在控制器使用之前，首先要对各功能进行参数值的设定，如PI采样周期、设定压力、工作方式等。位于用户管网的压力传感器将电压信号经过滤波采样处理后，进入ADC0831，转换为8位数字量送入CPU。运算结果再串行输出给74HC164，进而在LED显示。系统的设定数据和其他一些掉电时需要保护的数据都存储在串行E2PROM X5045P中，它是可电擦写的非易失性存储器，CPU通过I2C串行总线对其进行访问，实施读写操作。

    信号采集：位于用户管网的压力传感器将电压信号经过滤波采样处理后，进入ADC0831，转换为8位数字量送入CPU。ADC0831是8位逐次比较式单极性A/D转换器，自带时钟发生器，具有单通道输入方式，它的串行输出接口容易与微处理器相连。为了实现按比例转换，达到最高的分辨率，将REF引脚的输入电压设置成模拟输入电压的最大值，通常将VREF设置成VCC。片选信号置零才能启动转换，使所有逻辑电路使能，因此，片选信号必须保持低电平。由于采样间隔比较长，并从成本上考虑，在这里没有安装采样保持器，而是选用了瓷片电容，同样起到了滤波和采样保持的作用。

图3  信号采集模块设计原理图

    参数设定：用户可以根据不同的应用对象，选取不同的参数。在控制器使用之前，首先要对各功能进行参数值的设定，如PI采样周期、压力、工作方式等。控制面板上有SET、UP、DOWN、PROG四个按键。使用时分别点击按键，开关与地短接，产生一个低电平给单片机的P0.0～P0.3口，在输入数据以后，执行一条取指操作，使引脚上的数据经缓冲器送至内部总线，数据读入CPU,运算结果串行输出给74HC164，送LED显示。

图4  参数设定模块设计原理图

    数据显示：采用4片8位的串入/并出移位寄存器74HC164作为8位LED显示器的静态控制端口。每一个时钟信号到来时，全部芯片内的数据将同时右移一位，前一片最高的码送到下一片的串行数据输入端和输出口的最低位。单片机I/O口输出的串行数据在移位脉冲的同步作用下，可以渐移到各芯片的并行输出端。这样主程序可以不扫描显示器，从而使之有更多的时间处理其他的事务。优点是编程容易，管理简单。

    电机控制：设计了由AT89C52的I/O口驱动6个灵敏电继电器，通过控制接触器的通断，实现每台电动机在变频器与电网之间的切换。采用脉冲宽度调制，通过改变电机驱动电压接通时间与通电周期的比值来控制电机的速度。在脉冲的作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减小。变频调速是通过供水系统管网上的压力传感器对管网的水压进行采样，将压力信号转换成电信号，并将其送至PI调解器与用户设备的压力值进行比较和运算，将结果转换为频率调节信号送至变频器。变频器根据传送过来的频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现调整水泵的转速，达到水压恒定的目的。

图5  电机控制模块设计原理图

nRF401芯片的应用

● 芯片简介

    为了实现对给水控制器的监测，将控制器的信息传给上位机，以便进行数据分析，采用了挪威Nordic公司推出的nRF401单芯片RF收发机。该芯片的最大传输速率为20kb/s，仅外接一个晶体和几个电阻、电容、电感元件，可直接与单片机串口相连，用于发送接收数据，由于无需对数据进行曼彻斯特编码。硬件设计的电路图如图6所示。

● 通信协议的制定

    无线收发的工作过程如下：首先，由上位机(主机)向给水控制器(从机)发出请求数据或从机状态数据包。然后，当从机收到主机发来的数据包时从机作出相应的回答，如果从机有数据则发送数据包，如果没有数据则发送状态数据包。当主机收到从机的应答数据并校验之后，主机将发送一个确认数据包给从机，以确认从机数据包的正确性。如果数据在传输的过程中有数据丢失，主机将要求从机重新发送数据，直到数据全部正确为止。

图6  无线收发模块的硬件电路图

    无线通信协议定义如下：nRF401之间通信数据包共24B，其格式为：

    起始码LEAD(2)+目的地址(1)+源地址(1)+数据包ID(1)+指令类型TYPE(1)+日期DATE(5)+数据有效长度LENGTH(1)+数据DATA(10)+CRC校验码(2)
其中括号内的数字为所占用的字节数。

    于是就可以很方便的把以上系统的数据包格式定为：

LEAD1=55H，是引导码；
LEAD2=0AAH，是引导码；
ADD1是数据要传送的终止地址；
ADD2是数据包的始发地址；
TYPE是数据包的命令字节，由此确定数据包的类型，包括立即采样、定时上传等；
DATE是日期，包括年、月、日、时、分；
LENGTH是为数据包的有效字节的长度；
DATA是数据包字节；
CRC是校验字节。

    由于在系统中无线通信的频率采用433.92MHz作为通信载波频率，主机采用扫描的方式采集从机的数据，它们之间的数据交换方式如图数据交换框图7所示。

图7  数据交换的原理框图

    为了使CPU能够处理其他事情，该监测系统的单片机数据采集部分采用了分时处理事件的方法进行控制。它通过日历时钟芯片DS1302将一天的时间分成有效的若干段，分时进行数据采集与无线通信，这样就可以使系统顺利工作。另外，为了使系统可靠的工作，还采取了一些软件抗干扰措施。

给水控制器的软件设计

    软件采用分段模糊PID自适应控制算法，可以让用户宽范围的选择PID自适应参数，适应宽泛对象的惯性高精度的快速调节，系统参数的设定简单易懂，使控制器控制变频器拖动多泵进行恒压给水。使控制对象的响应速度和超调范围实现优化。Fuzzy-PID控制方法采用查表法，提高了运行速度，缩短了调解时间，改善了被控过程的动态、稳定性能，提高了系统的抗干扰能力。

    当水位连续变化时，水位传感器信号也不断变化，由此测量值和水位设定值进行比较。得出其误差值，经采样和A/D转换，送入模糊控制器，模糊控制器的输出量加到变频器的控制信号端，去控制电动机，从而改变进水量，保持水位在允许范围内波动，如图8所示。

图8  模糊PID控制原理图

结语

    本文设计了一种智能模糊控制器，对系统的动态性能和稳态精度都有较好的改善作用。尤其是采用了nRF401无线收发芯片，实现了与上位机通信，使用方便。模糊控制算法保证了系统可根据运行情况自动修正参数，对系统结构变化或随机干扰有较好的自适应性。