基于STC12C5A60S2单片机的变频恒压供水系统的设计方法

边树海， 马 斌， 韩中华

(沈阳建筑大学信息与控制工程学院，辽宁沈阳 110168)

0 引言

随着社会的发展，以及自动控制水平的不断提高，供水的方式越来越多，常见的有水塔高位水箱供水、恒速泵加压供水、气压罐供水和变频恒压调速供水等几种供水方式［1］。其中变频恒压调速供水方式在节能、可靠性和稳定性都已经得到了社会的认可［2］，广泛应用于建筑供水系统中，其中有基于PLC变频恒压调速供水［3-5］、基于智能控制器恒压调速供水［6］和基于单片机变频恒压调速供水［7］等方式。但是，目前的变频恒压供水方法还没有达到节能的最优化。本文介绍了一种新的变频恒压供水方法，与当前的变频恒压供水方法相比，该方法调试简单、更智能、更节能并且能够延长泵组设备的使用寿命。

1 变频调速的原理与节能分析

1.1 变频调速原理

根据电机学可知电机的转速计算公式如式(1)所示:

式中:n——电机转速;

f——交流电频率;

s——转差率;

p——极对数。

对于已经选定的电机，其s和p为定值。由式(1)可看出，当频率增大时，电机的转速也增加;当频率降低时，电机的转速也减小，因此若想改变电机的转速，需要改变交流电的频率［8］。

1.2 变频调速的节能分析

对于水泵，其扬程(H)、流量(Q)、电机转速(N)和轴功率(P)之间存在如下关系:

式中的K1、K2、K3、K 为常数。由式(2)～式(4)可以看出，流量、扬程和轴功率分别与电机转速的一次方、二次方和三次方成正比。因此，调节水泵的速度，不仅可以调节流量，还能够起到节能的效果［9］。

2 系统强电回路的设计

2.1 系统一次回路

系统的一次回路如图1所示。由外部引入的三相电L1、L2和L3首先经过断路器Q，从断路器Q出来后分成三路三相电，每一路依次接断路器Q1、Q2和Q3。第一路接完断路器Q1后连接到变频器的三相电输入端，经过变频器变频后再引出两路，分别与线圈3和线圈4相连，最后与泵组电机相连。接断路器Q2和Q3的两路直接与线圈1和线圈2相连，线圈1和线圈2的引出线再分别与热断电器1和2相连，最终连接到泵组电机。

图1 系统一次回路

2.2 系统二次回路

系统的二次回路如图2所示。利用继电器对控制泵组电机的线圈进行控制，继电器1、2、3、4分别控制线圈1、2、3和4。继电器的控制又由单片机进行控制，从而实现了单片机对泵组电机的智能控制。

图2 系统二次回路

3 系统自动控制的硬件原理

3.1 系统的自动控制原理及过程

系统的自动控制原理图如图3所示。系统以宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机为控制核心，压力传感器将供水出口处的压力(0～5 V模拟信号)送入单片机的P1.0引脚，单片机利用其P1.0口自带的A/D转换将压力模拟信号转换成数字信号，再与设定压力比较和处理，得到一个对变频器进行控制的数字量，将该数字量通过D/A转换送给变频器，控制其输出频率的变化，从而控制电机的转速变化。

图3 自动控制原理图

具体实现过程如下:当压力传感器检测到的供水出口水压值小于设定的水压值时，单片机经过运算和处理，输出一个数字电流量送给DAC0832，经过DAC0832将数字电流量转换成模拟电流量，此模拟电流量控制变频器，变频器改变加在泵组电机的电源频率使泵组电机加速，从而使供水出口压力增大;反之，当压力传感器检测到的供水出口水压值大于设定的水压值时，控制泵组电机降速，使供水出口压力减小;经过多次这样的调整，直至供水出口水压值与设定的水压值相等。

单片机的控制信号先经过光电耦合器，再送到控制泵组的继电器，实现单片机对泵组的智能控制。光电耦合器的作用是对自动控制电路与控制线圈的强电电路在电气进行隔离，抗干扰性较强，系统中共用到四个光电耦合器，正极分别与单片机的P3.2、P3.3、P3.4和P3.5相连，负极均与地相连，当单片机的引脚为高电平时，光电耦合器导通，电压Uc加到继电器两端，使继电器动作，从而使线圈得电;使线圈失电只需将单片机的引脚置为低电平，光电耦合器驱动继电器原理图如图4所示。键盘用于对压力值的设定和泵组的切换，LCD1602液晶实时显示设定的压力值。

图4 光电耦合器驱动继电器原理图

3.2 泵组电机的智能控制

通过单片机引脚的电平变化，可以控制泵组的不同运行方式，以使供水出口水压保持恒定不变。泵组运行方式与单片机引脚电平变化对照如表1所示。

泵组开始起动时，运行方式一或方式二;手动按下键盘的“切换”按钮后，泵组运行方式三或方式四;当手动再一次按下键盘的“切换”按钮后，泵组的运行方式切换到方式一或方式二，依次这样的循环，防止一台水泵长期工作而另一台水泵长期处于停止状态，这样可延长泵组的使用寿命。

表1 泵组运行方式与单片机引脚电平变化对照表

4 系统软件的设计

根据硬件电路需求，系统的软件程序设计分为主程序设计和子程序设计。主程序为系统整体智能控制的实现过程，子程序为 PID算法程序［5］。

4.1 系统的子程序

系统的PID算法程序如图5所示。其控制算法程序就是对压力偏差的比例、积分和微分，以得到控制变频器输出频率的参数量。

图5 系统PID算法程序

电流增量的计算方法如式(5)所示［10］。其中T为两个平均压力的采样时间间隔，Pc-1和Pc-2分别为前一次和前二次的压力差值。根据计算出的电流增量与上一次电流值相加得到当前的电流值，用此电流值对变频器进行控制。

4.2 系统的主程序

系统的主程序流程图如图6所示。其中当第一次键盘的“切换”按钮按下时，标志符Flag=1;当再一次按下键盘的“切换”按钮时，Flag=0。Ps为设定的供水出口水压，Pmax为一台水泵运行时在供水出口产生的最大水压力。

图6 系统主程序流程

首先系统进行初始化。接下来判断切换标志符Flag是否为1:如果是为1，再判断设定的压力是否小于一台水泵运行时在供水出口产生的最大水压力，如果小于，则泵组按方式三运行，否则按方式四运行;如果标志符Flag为0，则也再判断设定的压力是否小于一台水泵运行时在供水出口产生的最大水压力，如果小于，则泵组按方式一运行，否则按方式二运行;然后进行PID控制，循环此流程。

5 结语

本文所介绍的变频恒压供水系统以STC12C5A60S2单片机为核心，实现对控制变频器输出频率参数量的PID控制、泵组运行台数和运行方式的智能控制、压力值的设定和设定压力值的显示等功能。在节能方面明显优越于当前的变频恒压供水方法，该系统运行稳定、可靠，并且能够延长泵组设备的使用寿命，在“节能、环保”这一主题越来越被当今社会重视的今天可以得到广泛应用。

［1］陈新恩.基于PLC与内置PID变频器的恒压供气系统研究［J］.西南给排水，2008，30(5):41-43.

［2］刘登海.恒压供水数字化变频调速及远程监控系统［J］.水利建设与管理，2011(1):57-59.

［3］胡盘峰，陈慧敏.基于PLC的新型变频恒压供水系统设计［J］.机械工程与自动化，2011(2):141-143.

［4］李海波.基于PLC的智能变频恒压供水监控系统的设计［J］.机电工程技术，2011，40(3):48-50.

［5］田亚娟，郭丽颖.变频恒压供水PLC控制系统的设计［J］.计算技术与自动化，2010，29(1):25-28.

［6］霍大勇，马林，薛丁箫.基于CPS_20B1智能控制器的恒压变频供水系统［J］.微计算机信息，2006，22(8):70-72.

［7］刘琼发，熊爱民.单片机自动控制恒压变频供水系统［J］.电子技术应用，1997(7):21-22.

［8］周永远.浅谈变频器在恒压供水中的应用［J］.宁夏机械，2007(1):23-25.

［9］卢涛.PLC变频恒压供水技术在水厂的应用［J］.电子制作，2011(2):41-58.

［10］孙金玮，汪超，魏国.智能给水控制器设计［J］.集成电路设计，2010(6):4-7.