基于C8051F340单片机的恒压供水系统设计

黄 磊，张绍鹏，佟佳鑫

（1.吉林市水务集团第二供水厂，吉林市132021；2.北华大学 电气信息工程学院，吉林市132021）

1 引言

水资源的应用主要包括了城市居民生活用水、工业生产用水以及消防用水等。在不同的时间段居民的用水量不同，供水系统的水压在一天之中变化很大，会造成出水水压过高或者过低等不合理情况，导致不良后果。水压过高，会导致管道破裂、水源流失；水压过低，会出现供水不足，或者高层楼房供不上水的现象。恒压供水系统的设计解决了此问题，保证了稳定水压，充足供水。该系统还具有以下优点：①高效节能；②采用管道供水，减少二次污染，节约资源；③智能控制自动运行，管理方便；④泵组交换工作，延长设施的使用寿命，保护了电网的稳定性。

2 系统工作原理

该系统采用C8051F340 单片机作为控制核心，将压力传感器采集的管道信息进行A／D 采样，送入微处理器与设定的水压参数进行运算处理得出偏差值，通过对已进行PID 算法调节后输出控制信号，再经过D／A 转换成模拟量送入变频器，改变提供水泵机组转动的频率，从而实现控制水泵机组的转动速度。使实际压力围绕设定值上下波动，保持供水压力恒定的目的。该系统工作原理图如图1所示。

图1 系统工作原理框图

3 系统的硬件设计

该控制系统的硬件主要有单片机控制模块、信号采集处理模块、泵组控制模块、液晶显示模块、电源模块等部分构成。

该系统控制方案原理图如图2所示。

图2 系统硬件框图

3.1 单片机控制模块

该系统单片机选用C8051F340 作为控制核心，该单片机使用专利CIP－51 微控制器内核，采用高速、流水线型结构，速度可达48MPIS，内部ROM 为64K 字节，RAM 为256＋4K 字节，满足该系统的工作要求。

3.2 信号采集处理模块

管道内供水压力采集检测元件采用CPR1000型压力传感器，该传感器灵敏度高、频响高、抗冲击能力强、工作稳定可靠。对水位高度的测量采用液位传感器。A／D 转化器采用16 位的AD7705 芯片构成，进行数据转换，该芯片内置可编程的数字滤波器、增益放大器和校准选项，提高了供水压力的检测精度。

3.3 液晶显示模块

系统的信息显示单元选用LCD12864 显示模块，LCD12864 是128×64 点阵的液晶显示模块，可显示汉字和图形。该模块接口方式灵活，操作指令简单、方便，可显示8×4 行16×16 点阵汉字，该模块不需片选信号，可简化软件设计。该电路原理图如图4所示。

图3 显示器控制原理图

该模块可清晰地显示出设定的水压值、管网内的水压值与液位值，并有报警显示功能，使供水信息显示得更加直观。

3.4 系统主电路设计

该系统主电路如图4所示。供水系统采用4台水泵机组，交换使用，延长设备使用寿命。图中QA 为低压断路器。KM1－KM9 为接触器，FR1、FR2、FR3 和FR4 为热继电器。系统开始工作时，微控制器发出指令利用变频器使M1 进行软启动，转速随频率上升到工频时，若水压仍低于设定值，则延时一定时间（避免短时干扰信号）后，发出指令使M1 进入工频工作状态，同时M2 变频软启动，若水压仍未达到要求，用同样方法启动M3。同理，M1、M2 都工频运行时水压仍高于设定值，则M2 切换到变频工作状态。

图4 系统主电路图

4 系统的软件设计

根据系统硬件电路设计的要求，该系统的应用程序主要包括主程序、PID 控制算法子程序、键盘中断处理程序、报警中断处理程序、LCD 显示子程序等。其中，主程序主要完成对单片机的初始化；PID 控制算法子程序主要用软件方式来实现PID控制算法，调节水泵转速；键盘中断处理程序主要负责读取设定的压力初值；报警中断处理程序主要完成当系统出现故障时，发出报警信号；LED 显示子程序主要显示当前水压的实际值。

4.1 系统的主程序设计

该系统的主程序流程图如图5所示，程序开始运行时，系统首先进行初始化，初始化包括看门狗初始化、按键子程序初始化、LCD 液晶显示屏初始化等。然后判断按键是否按下，若按下，系统判断按键数值，按功能执行；没按下，泵组工作按照初始值工作，巡检系统同时运行，循环执行此流程。

图5 主程序流程图

4.2 PID 控制算法

PID 控制算法就是对偏差值ΔE 进行比例积分和微分，它是连续系统中广泛应用的成熟算法，尤其在工业上，因为控制对象的精准数学模型较难建立，系统参数又常发生变化，所以经常采用PID 控制算法，其数学表达式为：

离散后，计算机可以很方便地实现，其位置式PID控制规律的数学表达式可以表示为：

其中：Kp、Ki、Kd 分别代表比例系数、积分系数、微分系数；e（j）为第j 次采样时的误差值；T 为采样的周期。

在实际的应用中，选择增量式PID 控制规律，其算法表达式为：

得到

公式（3）为实际的计算机调节PID 控制算法，为获得更好的效果，三个系数可根据实际供水系统的不同进行适当的调整。PID 控制算法的程序框图如图6所示。

图6 PID 控制算法的程序框图

5 结束语

本文所介绍的恒压控水系统是一种智能的控制系统，在节约水资源方面明显地优越于目前的恒压控水系统，该系统成本低、效率高、运行稳定，可以延长设备的使用寿命，节能、环保，具有很大的推广价值和使用价值。

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［2］叶金虎.基于自适应模糊控制的变频调速恒压供水系统［J］.机电技术，2008（4）：66－68.

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