目前，國外的恒壓供水工程設(shè)計都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，這種方式不但投資成本較高，且功能單一。

　　為此設(shè)計了在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中加入基于C8051F410的單片機系統(tǒng)，構(gòu)成了功能更強的復(fù)合控制系統(tǒng)，它不但克服了以上缺點，而且具有安裝調(diào)試方便，功能全面，可靠性高。抗干擾能力強等優(yōu)點，且可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、社會生活的各個領(lǐng)域。

　　1 控制原理

　　在恒壓供水系統(tǒng)中，安裝于管網(wǎng)的遠傳壓力表提供水壓力信號，并經(jīng)過光電隔離和電壓轉(zhuǎn)換電路，傳送給系統(tǒng)的中心控制器，控制器將采集到的壓力數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)壓力進行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID運算之后得出控制參數(shù)，D/A模塊將控制參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，以保證管網(wǎng)壓力基本恒定。當用水量增大時，管網(wǎng)壓力低于預(yù)設(shè)值，變頻器頻率就會升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，從而提升管道水壓，但若達到水泵額定輸出功率仍無法滿足用戶供水要求時，該泵自動轉(zhuǎn)換成工頻運行狀態(tài)，并變頻啟動下一臺水泵;反之，當用水量減少，則降低水泵運行頻率直至設(shè)定的下限運行頻率，若供水量仍大于用水量，則減泵直至全部泵停止工作，經(jīng)過一定的延時，控制器重新比較壓力，并計算控制輸出，從而維持恒壓供水。它的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　該系統(tǒng)可以同時控制2臺水泵，根據(jù)不同的場合可以采用不同的運行模式，如單泵運行、一用一補、一工一變、定時換泵等。

　　2 系統(tǒng)總體方案

　　系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化、標準化設(shè)計，并充分考慮系統(tǒng)的擴展能力。控制器由主控板、顯示按鍵面板和電源板三部分組成。圖2是控制器的結(jié)構(gòu)框圖，其工作原理是：首先用戶通過顯示按鍵面板設(shè)定預(yù)設(shè)壓力和控制器運行的各個功能參數(shù)，保存至E2PROM存儲器用作掉電存儲，位于用戶管網(wǎng)端的遠傳壓力表輸出的電壓或是電流信號經(jīng)過采樣電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送入單片機與預(yù)設(shè)壓力進行比較，計算并輸出模擬控制量和繼電器輸出狀態(tài)量。其中，模擬控制量輸出經(jīng)過變頻器控制模塊電路送給變頻器，用以控制變頻器的輸出頻率;繼電器輸出狀態(tài)量經(jīng)過繼電器輸出電路送給繼電器組，用以控制各個泵工作于工頻或是變頻狀態(tài)。最后單片機把實際壓力值、預(yù)設(shè)壓力值、輸出頻率和各個泵的工作狀態(tài)送到顯示面板，以便用戶進行觀測和操作。

　　3 系統(tǒng)單元電路

　　3.1 主控制器的選擇

　　主控制器選用單片機C8051F410，它是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型芯片，其內(nèi)部還集成了12位高速ADC模塊和電流輸出型DAC模塊，同時硬件實現(xiàn)的SMBus和UART串行接口，能方便處理器與E2PROM通信和數(shù)據(jù)串行輸出。C2805lF410還支持JTAG實時仿真和跟蹤，能夠進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)的全速在系統(tǒng)調(diào)試。

　　3.2 系統(tǒng)電源電路

　　該設(shè)計采用基于三端穩(wěn)壓芯片TOP221Y的高精度開關(guān)穩(wěn)壓電源電路，主電路拓撲結(jié)構(gòu)選用單端反激式直流變換電路，其輸出采用兩組直流低壓電源：主回路為系統(tǒng)的數(shù)字電路部分提供5 V直流電源，副回路為系統(tǒng)的模擬部分提供15 V直流電源。3.3 壓力表信號采集與光電隔離電路

　　位于用戶管網(wǎng)的壓力傳感器監(jiān)測到的壓力信號經(jīng)過光電隔離電路進行濾波和隔離處理后，進入C8051F-410內(nèi)部的ADC模塊，實現(xiàn)按比例轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為12 b數(shù)字量，以供單片機對其信號進行處理和計算。為了保證輸入量與轉(zhuǎn)換量程相稱，充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率，在對壓力信號進行A/D轉(zhuǎn)換之前經(jīng)過光電隔離電路時，就已將外部傳入的O～5 V模擬電壓轉(zhuǎn)換為O～2 V模擬電壓信號。電路原理如圖3所示。

　　由圖3可見，外部電壓信號從IN端口接入，經(jīng)過隔離和濾波電路，轉(zhuǎn)換為O～2 V電壓，從ADC端口送入單片機。同時在模擬信號采集到單片機系統(tǒng)的過程中，各種干擾信號都會隨著被測量信號進入MCU控制系統(tǒng)，這些信號迭加在有用的被測信號上會降低測量的準確度，造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。以上電路設(shè)計便利用線性光耦進行光電之間的相互轉(zhuǎn)換，利用光作為媒介進行信號傳輸，在電氣上使測量系統(tǒng)與現(xiàn)場信號完全隔離，從而實現(xiàn)了電平線性轉(zhuǎn)換且不把現(xiàn)場的電噪聲干擾引入到控制系統(tǒng)中。

　　3.4 控制變頻器輸出電路

　　單片機通過內(nèi)部的電流輸出型數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊(IDAC)，將計算得出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出，其輸出電壓經(jīng)過濾波和比例轉(zhuǎn)換處理后用來控制變頻器的頻率。同時為了保證單片機IDAC輸出電壓穩(wěn)定可靠，不受干擾，外部電路同樣采用了光電隔離電路，其電路原理圖如圖4所示。

　　3.5 外擴E2PROM存儲器電路

　　該設(shè)計采用Atmel公司的E2PROM芯片AT24C02，其體積小，性能優(yōu)，使用靈活方便，能夠在系統(tǒng)掉電之后存儲一些用戶設(shè)定和運行的狀態(tài)參數(shù)，以便重新啟動機器之后讀取。處理器自身集成的SMBus兼容I2C接口，可以直接與AT24C02通信，此方案不僅設(shè)計單，工作可靠，而且成本低廉。電路原理如圖5所示。

　　3.6 繼電器控制輸出電路

　　主控制器驅(qū)動5個靈敏繼電器K1～K5，分別控制1個泄流閥和2個泵電機，實現(xiàn)對泄流閥的打開與關(guān)斷控制和泵的變頻或工頻狀態(tài)切換。單片機通過信號線RX與TX將繼電器狀態(tài)控制信號串行輸出給串行移位寄存器芯片74HC595D，由74HC595D將輸出狀態(tài)的硬件鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾，最后通過達林頓管ULN2003提高驅(qū)動能力，以控制水泵電機的工作狀態(tài)和泄流閥的動作。

　　4 控制器的軟件設(shè)計

　　該設(shè)計中對變頻器輸出頻率的調(diào)節(jié)采用PID控制算法，其控制算法就是對偏差的比例、積分和微分。它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣泛的一種算法，特別是在工業(yè)控制中，因為控制對象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因此常采用PID控制算法，其控制示意圖如圖6所示。

　　它的數(shù)學(xué)表達式為：

　　式中：KP，KI和KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù);e(t)為誤差。

　　式(1)離散化后可以用計算機很方便地實現(xiàn)，其位置式PID控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式為：

　　式中：e(j)為第j次采樣的誤差值;T為采樣周期。

　　在實際應(yīng)用中，一般選擇增量式PID控制規(guī)律。因為增量型算法與位置型算法相比，前者不需要做累加，不易產(chǎn)生大的累加誤差，而且得出的是控制量的增量，誤動作的影響比較小，更易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。增量式數(shù)字PID控制算式為：