田東鉅

(順德水業(yè)控股有限公司，廣東 佛山 528300)

1.引言

隨著城市化建設(shè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大以及生活水平的不斷提高，人們對自來水公司供水的可靠性要求越來越高，尤其是供水水壓方面的要求[1]，人們通常都希望水壓能夠穩(wěn)定恒壓。由于人工方法不夠智能，很難做到實(shí)時(shí)性調(diào)節(jié)水壓[2]，因此，在現(xiàn)今的供水系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)閥門的方法已經(jīng)逐漸被自動(dòng)化的設(shè)備所取代。如何保證恒壓供水，使供水時(shí)隨用戶需水量的變化，供水系統(tǒng)都能夠?qū)崟r(shí)的進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量保證水壓的恒定，成為重要的問題。本文通過MSP430系列單片機(jī)調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)自動(dòng)控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)供水口的水壓始終保持在預(yù)定的值上，從而達(dá)到恒壓供水的目的。

2.MSP430系列單片機(jī)簡介

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器公司研發(fā)的一款16位超低功耗單片機(jī)[3]，因?yàn)槠渚哂芯喼噶罴幕旌闲盘柼幚砥鳎苑Q之為混合信號處理器。該系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：

(1)處理能力強(qiáng)

MSP430系列單片機(jī)具有豐富的尋址方式 (4種目的操作數(shù)尋址和7種源操作數(shù)尋址)；27條內(nèi)核指令以及豐富的模擬指令；可以參加多種運(yùn)算的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲和大量寄存器；高效的查表處理指令[4]。

(2)運(yùn)算速度快

該系列單片機(jī)可以在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下達(dá)到40ns的指令周期，數(shù)據(jù)寬度是16位，以及多功能的硬件乘法器，能夠完成數(shù)字信號處理的某些算法。

(3)超低功耗

因?yàn)镸SP430系列單片機(jī)在降低芯片的電源電壓以及靈活可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)特之處，所以其具有超低的功耗。

(4)中斷源多

該系列單片機(jī)的中斷源較多，而且可以相互嵌套，使用起來靈活方便。

3.自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 恒壓供水系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)接收流量計(jì)信號后對其信號進(jìn)行處理，將流量計(jì)電流或脈沖信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號計(jì)算出實(shí)時(shí)流量，根據(jù)實(shí)時(shí)流量計(jì)算出水泵電機(jī)應(yīng)該提供的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)化為脈沖信號后輸出給水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器。在此過程中，系統(tǒng)會將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在LCD屏上，并將其存儲到存儲芯片中，同時(shí)通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，可供管理人員監(jiān)控。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括流量計(jì)信號處理模塊、LCD顯示模塊、時(shí)鐘模塊、升級接口、存儲模塊、通信模塊、按鍵設(shè)置模塊、脈沖信號轉(zhuǎn)換與輸出模塊、水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器。

3.3 功能模塊設(shè)計(jì)

(1)MSP430F169單片機(jī)

通過該單片機(jī)模塊對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算，并對其進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)節(jié)，對其他各功能模塊進(jìn)行管理，從而使各模塊能夠合理的相互協(xié)調(diào)運(yùn)行。

(2)流量計(jì)信號處理模塊

該模塊負(fù)責(zé)處理流量計(jì)傳送過來的實(shí)時(shí)信號，流量計(jì)信號可以支持2種：模擬電流信號和脈沖信號。對于模擬電流信號，需要先轉(zhuǎn)換為0-2.5V的電壓信號，然后送給單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換得到流量計(jì)的流量值；對于脈沖信號，使用單片機(jī)來進(jìn)行計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)出脈沖頻率，從而計(jì)算出流量計(jì)的流量值。

(3)LCD顯示模塊

LCD顯示模塊主要是將系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示出來，同時(shí)，LCD還提供可視化的系統(tǒng)菜單設(shè)置功能，用戶根據(jù)LCD屏上的提示內(nèi)容可以進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置。

(4)時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊使用DS1302芯片，其功能是為系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間，通過該模塊可以對系統(tǒng)時(shí)間的年、月、日、時(shí)、分、秒等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)，該模塊為系統(tǒng)定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲提供依據(jù)。

(5)升級接口

升級接口是預(yù)留為系統(tǒng)進(jìn)一步升級準(zhǔn)備的，當(dāng)系統(tǒng)軟件有更新時(shí)，可以通過此接口與升級設(shè)備進(jìn)行接連，進(jìn)而對系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級。

(6)存儲模塊

該模塊使用M 25P80芯片，用來存儲供水量、水壓、存儲芯片中的當(dāng)前存儲地址、系統(tǒng)參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際情況可以設(shè)置一個(gè)存儲周期，系統(tǒng)會根據(jù)這個(gè)周期定期的進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

(7)通信模塊

該模塊使用MAX485芯片，提供對PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)通過該模塊將運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到管理計(jì)算機(jī)上，管理人員可以通過計(jì)算機(jī)來監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并根據(jù)實(shí)際需求對系統(tǒng)進(jìn)行管理。

(8)按鍵設(shè)置模塊

鍵和鍵盤是人對系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)及數(shù)據(jù)輸入的最常用的外部設(shè)備，在微控制器試驗(yàn)系統(tǒng)中，常用的鍵盤接口有2種方式：獨(dú)立式和矩陣式。本模塊使用矩陣式接口，通過中斷與掃描相結(jié)合的方式接收鍵盤的輸入。在程序正常運(yùn)行時(shí)，如果有鍵盤輸入則會觸發(fā)鍵盤輸入中斷，從而接收按鍵值；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到設(shè)置界面時(shí)，鍵盤的接收轉(zhuǎn)變成掃描的方式。

(9)脈沖信號轉(zhuǎn)換與輸出模塊

系統(tǒng)根據(jù)流量計(jì)信號計(jì)算出供水水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過脈沖轉(zhuǎn)換與輸出模塊將其轉(zhuǎn)換成脈沖信號并發(fā)送給水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器。

(10)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器

根據(jù)系統(tǒng)發(fā)送來的脈沖信號對水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)節(jié)了供水水壓，使供水管口處水壓始終保持著穩(wěn)定的值。

4.結(jié)束語

采用MSP430系列單片機(jī)作為主控制器來實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動(dòng)恒壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)水壓使供水系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，同時(shí)，使用MSP430系列單片機(jī)提高了系統(tǒng)的控制可靠性和抗干擾性。在節(jié)約成本的同時(shí)，也進(jìn)一步保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。該系統(tǒng)融合了單片機(jī)控制技術(shù)、反饋控制技術(shù)和電機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)等，在自來水公司供水控制系統(tǒng)中有一定的使用與推廣價(jià)值。

[1]劉瑩.變頻恒壓給水設(shè)備在工業(yè)、生活供水系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].電站設(shè)備自動(dòng)化，2002，2：18-23

[2]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]孫軍.基于MSP430的低功耗水情遙測儀的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，4(3)：33-35.