PIC单片机在污水泵轮换控制中的应用

王庆华

（江苏亚太泵阀有限公司，江苏 泰州225400）

0 引言

目前，污水泵常用在排涝泵房、污水泵房、雨水泵房等场所，对于这些水泵的自动控制大多数常采用液位浮球来进行，其原理是根据安装在不同水位下的浮球内微动开关的分合动作状态控制相对应的水泵运行或停机，在实际运行过程中常常带来两方面的问题：（1）水位很高时泵房呈缺电状态，一段时间后泵房来电，所用水泵将同时启动，对电网带来冲击，严重时水泵将出现多次重启，当合用一台软启动器时将可能导致多台水泵控制回路争用同一台软启动器而出现启动竞争，带来接触器、软启动器损坏。（2）由于各水泵在各自固定的水位下运行，同一泵房的多台水泵可能有1～2台由于水位低而长期得不到使用。而污水泵的防水功能是通过一种相互压紧的机械密封面实现的，而机械密封由于长期压紧将出现粘死现象，污水泵的长期停用将会导致机械密封失效面出现泄漏，从而进一步导致污水泵的电机绝缘降低，最终使水泵无法使用。这些情况都会给使用单位带来较大的经济损失。

本公司采用Microchip公司的16F876A单片机，结合一些外围电路，成功开发了一种能替代PLC控制器的专用型泵轮换控制装置，从而以极低的成本解决了上述难题，并成功应用于一些泵站控制系统，系一种低成本高性能的解决方案。

1 工作原理

1.1 PIC单片机的性能特点简介

PIC系列单片机是美国Microchip公司率先推出的采用精简指令集计算机、哈佛双总线和两级指令流水线结构的8位嵌入式微控制器。它具有运行速度快、工作电压低（最低工作电压可为3 V）、功耗低、输入输出驱动能力强（可直接驱动LED）、体积小、价格廉、指令简单易学易用等优点。另外，它还集成了一系列具有独特功能的外围专用电路，例如振荡器可选择、可靠的复位电路、监视定时器电路等。鉴于以上优点，我们选用PIC 16F876A为原有的浮球式泵控制系统设计了泵轮换控制器。

1.2 轮换控制器工作方式

控制器采用的是16F876A单片机，它将安装在各个水位下液位开关传送来的开关量信号接入单片机输入口，由单片机内部程序按不同的运行周期进行逻辑运算后转换成与原液位开关输入信号顺序有一定移相的并有一定启动延时的轮换控制信号（例如第一水位周期时1＃水位浮球控制1＃泵的启停，低水位停机后到第二个运行周期时原控制1＃泵的1＃水位浮球则控制2＃泵的启停，其他依此类推）。送出至单片机输出口，经驱动电路放大调理后驱动小型中间继电器，并将中间继电器的输出接点引至输出主控制电路，进而控制各对应水泵的启停。同时输出信号经延时处理，使各水泵控制回路不再会出现竞争现象，电网冲击便相应减小了（以下介绍以控制3台泵为例）。

2 硬件结构

整个电路由4部分组成：水位浮球开关量输入、驱动电路、单片机、继电器输出电路。结构框图如图1所示。

2.1 开关量输入部分

图1 硬件结构原理框图

开关量输入部分主要实现液位浮球开关信号的输入及调理。由于浮球开关信号电缆往往与动力电缆线一同敷设，动力电缆50 Hz的交流电磁辐射往往对浮球开关量信号形成干扰，有时干扰电压会达到10 V左右。故在输入电路中加入50 Hz滤波电路，为防止过电压对单片机内部电路破坏，在输入端加入光隔离电路。

2.2 单片机部分

16F876A单片机具有28个引脚，3个可编程输出口，8k FLASH用户程序存储器，可直接在线编程，无需昂贵的开发工具，节省了开发周期与开发成本。该控制器的输入通道占用了POARTA口，采用POARTC口作为输出口，POARTA口、POARTC口均为双向端口（既可设置成输入端也可设置成输出端），故在程序初始化时需将这2个端口的TRASEA与TRASEC端口控制寄存器分别设置成开关量输入与输出端口。

2.3 驱动电路

驱动电路采用常规三极管放大驱动方式，并在输出继电器并联续流二极管保护输出电路。该电路较为简单，不再赘述。

3 软件设计

该程序主要实现开关量采集、逻辑判断及运算、结果输出功能，由主程序和一些控制子程序组成。

3.1 主程序

主程序主要完成系统的各I／O口、各种寄存器初始化设置、浮球状态查询，为方便调试及功能扩展，主要设计了泵轮换周期判断子程序及水泵投切子程序。主程序通过不断的循环调用子程序对输入口进行查询及输出口及时刷新，实现对泵的轮换控制。主程序流程图如图2所示。

图2 主程序流程图

3.2 子程序

子程序主要包括泵轮换周期判断子程序及水泵投切除子程序。泵轮换周期子程序通过对最低停泵水位判断是否要对水泵运行顺序进行调整，并给出顺序调整后的周期标志（利用轮换周期＝周期－1，并在归零时重置初值的方式），本程序得出的是个数值，它代表第几台泵是优先运行的泵（图3）。泵投切子程序根据浮球的变化状态结合周期标志，由几台泵顺序投切分支程序完成泵投切输出。每台泵的投切子程序均采用了延时程序，一方面防止浮球的漂动引起误动，另一方面防止高水位时水泵的同时启动。程序框图如图4所示。

图3 轮换周期判断子程序框图

图4 泵投切子程序框图

4 结语

该控制器硬件结构简单，成本低廉，外围接线方便，可靠性较高，自使用以来，污水泵的平均使用寿命得到明显提高。在此基础上利用该单片机的A／D转换功能还可开发出液位传感器式泵轮换控制装置（可指示液位高度、设定启停水位等），相对PLC控制系统系一种性价比较高的方案。

［1］窦振中，汪立森.PIC系列单片机应用设计与实例［M］.北京航空航天大学出版社，2001