基于STC12C5A60S2的變頻恒壓供水系統(tǒng) - 全文

　　摘 要：在對變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，介紹了一種基于 STC12C5A60S2 單片機的變頻恒壓供水系統(tǒng)。為了使供水更加經(jīng)濟節(jié)能，采用單片機和變頻器相結(jié)合來控制泵組的運行，實現(xiàn)了供水出口水壓跟隨設(shè)定的水壓變化并且與設(shè)定水壓保持相同。該系統(tǒng)效率高、可靠、穩(wěn)定并且節(jié)能，可廣泛應(yīng)用于建筑供水系統(tǒng)中。

　　0 引言

　　隨著社會的發(fā)展，以及自動控制水平的不斷提高，供水的方式越來越多，常見的有水塔高位水箱供水、恒速泵加壓供水、氣壓罐供水和變頻恒壓調(diào)速供水等幾種供水方式。其中變頻恒壓調(diào)速供水方式在節(jié)能、可靠性和穩(wěn)定性都已經(jīng)得到了社會的認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于建筑供水系統(tǒng)中，其中有基于PLC變頻恒壓調(diào)速供水、基于智能控制器恒壓調(diào)速供水和基于單片機變頻恒壓調(diào)速供水等方式，但是。目前的變頻恒壓供水方式還沒有達(dá)到節(jié)能的最優(yōu)化。本文介紹了一種新的變頻恒壓供水方法，與當(dāng)前的變頻恒壓供水方法相比，該方法調(diào)試簡單、更智能、更節(jié)能并且能夠延長泵組設(shè)備的使用壽命。

　　1 變頻調(diào)速的原理與節(jié)能分析

　　1. 1 變頻調(diào)速原理

　　根據(jù)電機學(xué)可知電機的轉(zhuǎn)速計算公式如式（1）所示

　　對于已經(jīng)選定的電機，其s和p為定值。由式（1）可看出，當(dāng)頻率增大時，電機的轉(zhuǎn)速也增加; 當(dāng)頻率降低時，電機的轉(zhuǎn)速也減小，因此若想改變電機的轉(zhuǎn)速 需要改變交流電的頻率。

　　1. 2 變頻調(diào)速的節(jié)能分析

　　對于水泵，其揚程（ H）、流量（ Q）、電機轉(zhuǎn)速（ N）和軸功率（ P）之間存在如下關(guān)系

　　式中的 K1、K2、K3、K 為常數(shù)。由式（ 2） ～ 式（ 4）可以看出，流量、揚程和軸功率分別與電機轉(zhuǎn)速的一次方、二次方和三次方成正比。因此，調(diào)節(jié)水泵的速度，不僅可以調(diào)節(jié)流量，還能夠起到節(jié)能的效果 。

　　2 系統(tǒng)強電回路的設(shè)計

　　2. 1 系統(tǒng)一次回路

　　系統(tǒng)的一次回路如圖1所示。由外部引入的三相電 L1、L2 和 L3 首先經(jīng)過斷路器Q，從斷路器Q 出來后分成三路三相電，每一路依次接斷路器Q1、Q2 和 Q3。第一路接完斷路器Q1后連接到變頻器的三相電輸入端，經(jīng)過變頻器變頻后再引出兩路，分別與線圈3和線圈4相連，最后與泵組電機相連。接斷路器Q2和Q3的兩路直接與線圈1和線圈2相連，線圈1和線圈2的引出線再分別與熱斷電器 1 和 2 相連，最終連接到泵組電機。

　　2. 2 系統(tǒng)二次回路

　　系統(tǒng)的二次回路如圖2所示。利用繼電器對控制泵組電機的線圈進(jìn)行控制，繼電器 1、2、3、4分別控制線圈 1、2、3 和 4。繼電器的控制又由單片機進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)了單片機對泵組電機的智能控制。

　　3 系統(tǒng)自動控制的硬件原理

　　3. 1 系統(tǒng)的自動控制原理及過程

　　系統(tǒng)的自動控制原理圖如圖 3 所示。系統(tǒng)以宏晶科技生產(chǎn)的 STC12C5A60S2 單片機為控制核心，壓力傳感器將供水出口處的壓力（ 0 ～ 5 V 模擬信號） 送入單片機的 P1. 0 引腳，單片機利用其P1. 0 口自帶的 A /D 轉(zhuǎn)換將壓力模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再與設(shè)定壓力比較和處理，得到一個對變頻器進(jìn)行控制的數(shù)字量，將該數(shù)字量通過 D /A轉(zhuǎn)換送給變頻器，控制其輸出頻率的變化，從而控制電機的轉(zhuǎn)速變化。

　　具體實現(xiàn)過程如下： 當(dāng)壓力傳感器檢測到的供水出口水壓值小于設(shè)定的水壓值時，單片機經(jīng)過運算和處理，輸出一個 數(shù)字電流量送給DAC0832，經(jīng)過 DAC0832 將數(shù)字電流量轉(zhuǎn)換成模擬電流量，此模擬電流量控制變頻器，變頻器改變加在泵組電機的電源頻率使泵組電機加速，從而使供水出口壓力增大; 反之，當(dāng)壓力傳感器檢測到的供水出口水壓值大于設(shè)定的水壓值時，控制泵組電機降速，使供水出口壓力減小; 經(jīng)過多次這樣的調(diào)整，直至供水出口水壓值與設(shè)定的水壓值相等。

　　單片機的控制信號先經(jīng)過光電耦合器，再送到控制泵組的繼電器，實現(xiàn)單片機對泵組的智能控制。光電耦合器的作用是對自動控制電路與控制線圈的強電電路在電氣進(jìn)行隔離，抗干擾性較強，系統(tǒng)中共用到四個光電耦合器，正極分別與單片機的 P3. 2、P3. 3、P3. 4 和 P3. 5 相連，負(fù)極均與地相連，當(dāng)單片機的引腳為高電平時，光電耦合器導(dǎo)通，電壓 Uc 加到繼電器兩端，使繼電器動作，從而使線圈得電; 使線圈失電只需將單片機的引腳置為低電平，光電耦合器驅(qū)動繼電器原理圖如圖 4 所示。鍵盤用于對壓力值的設(shè)定和泵組的切換，LCD1602 液晶實時顯示設(shè)定的壓力值。

　　3. 2 泵組電機的智能控制

　　通過單片機引腳的電平變化，可以控制泵組的不同運行方式，以使供水出口水壓保持恒定不變。泵組運行方式與單片機引腳電平變化對照如表 1 所示。

　　泵組開始起動時，運行方式一或方式二; 手動按下鍵盤的“切換”按鈕后，泵組運行方式三或方式四; 當(dāng)手動再一次按下鍵盤的“切換”按鈕后，泵組的運行方式切換到方式一或方式二，依次這樣的循環(huán)，防止一臺水泵長期工作而另一臺水泵長期處于停止?fàn)顟B(tài)，這樣可延長泵組的使用壽命。

　　4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

　　根據(jù)硬件電路需求，系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計分為主程序設(shè)計和子程序設(shè)計。主程序為系統(tǒng)整體智能控制的實現(xiàn)過程，子程序為 PID 算法程序 。

　　4. 1 系統(tǒng)的子程序

　　系統(tǒng)的PID算法程序如圖5所示。其控制算法程序就是對壓力偏差的比例、積分和微分，以得到控制變頻器輸出頻率的參數(shù)量。

　　電流增量的計算方法如式（ 5）所示，其中T為兩個平均壓力的采樣時間間隔，Pc1 和 Pc2分別為前一次和前二次的壓力差值。根據(jù)計算出的電流增量與上一次電流值相加得到當(dāng)前的電流值，用此電流值對變頻器進(jìn)行控制。

　　4. 2 系統(tǒng)的主程序

　　系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6所示。其中當(dāng)?shù)谝淮捂I盤的切換按鈕按下時，標(biāo)志符 Flag = 1; 當(dāng)再一次按下鍵盤的切換按鈕時，F(xiàn)lag = 0。Ps為設(shè)定的供水出口水壓，Pmax為一臺水泵運行時在供水出口產(chǎn)生的最大水壓力。

　　首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化。接下來判斷切換標(biāo)志符Flag是否為1： 如果是為1，再判斷設(shè)定的壓力是否小于一臺水泵運行時在供水出口產(chǎn)生的最大水壓力，如果小于，則泵組按方式三運行，否則按方式四運行; 如果標(biāo)志符 Flag 為 0，則也再判斷設(shè)定的壓力是否小于一臺水泵運行時在供水出口產(chǎn)生的最大水壓力，如果小于，則泵組按方式一運行，否則按方式二運行; 然后進(jìn)行 PID 控制，循環(huán)此流程。

　　5 結(jié) 語

　　本文所介紹的變頻恒壓供水系統(tǒng)以STC12C5A60S2 單片機為核心，實現(xiàn)對控制變頻器輸出頻率參數(shù)量的 PID 控制、泵組運行臺數(shù)和運行方式的智能控制、壓力值的設(shè)定和設(shè)定壓力值的顯示等功能。在節(jié)能方面明顯優(yōu)越于當(dāng)前的變頻恒壓供水方法，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，并且能夠延長泵組設(shè)備的使用壽命，在“節(jié)能、環(huán)?！边@一主題越來越被當(dāng)今社會重視的今天可以得到廣泛應(yīng)用。