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智能給水控制器的軟硬件設計

作者: 時間:2011-05-12 來源:網絡 收藏
3.3 壓力表信號采集與光電隔離電路

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/162095.htm

  位于用戶管網的壓力傳感器監測到的壓力信號經過光電隔離電路進行濾波和隔離處理后,進入C8051F-410內部的ADC模塊,實現按比例轉換,轉換為12 b數字量,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換量程相稱,充分發揮A/D轉換器的分辨率,在對壓力信號進行A/D轉換之前經過光電隔離電路時,就已將外部傳入的O~5 V模擬電壓轉換為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,經過隔離和濾波電路,轉換為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,這些信號迭加在有用的被測信號上會降低測量的準確度,造成控制系統的不穩定。以上電路便利用線性光耦進行光電之間的相互轉換,利用光作為媒介進行信號傳輸,在電氣上使測量系統與現場信號完全隔離,從而實現了電平線性轉換且不把現場的電噪聲干擾引入到控制系統中。

  3.4 控制變頻器輸出電路

  單片機通過內部的電流輸出型數/模轉換模塊(IDAC),將計算得出的數字量轉化為模擬電壓輸出,其輸出電壓經過濾波和比例轉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

  該采用Atmel公司的E2PROM芯片AT24C02,其體積小,性能優,使用靈活方便,能夠在系統掉電之后存儲一些用戶設定和運行的狀態參數,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

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

  4 的軟件設計

  該設計中對變頻器輸出頻率的調節采用PID控制算法,其控制算法就是對偏差的比例、積分和微分。它是連續系統中技術成熟,應用最廣泛的一種算法,特別是在工業控制中,因為控制對象的精確數學模型很難建立,系統參數又經常發生變化,因此常采用PID控制算法,其控制示意圖如圖6所示。

  

  它的數學表達式為:

  

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

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

  

  式中:e(j)為第j次采樣的誤差值;T為采樣周期。

  在實際應用中,一般選擇增量式PID控制規律。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,更易于實現手動到自動的無沖擊切換。增量式數字PID控制算式為:

  

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