農(nóng)田灌溉節(jié)水控制系統(tǒng)管理探討范文

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1控制系統(tǒng)的部分硬件設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)是基于PIC16F1946單片機(jī)研制而成的。該單片機(jī)是一款Microchip公司研制的64引腳、高性能增強(qiáng)型8位微型處理器，其內(nèi)置16K＊14字的Flash程序存儲(chǔ)器，1024字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，256字節(jié)的數(shù)字EEPROM，F(xiàn)lash讀寫次數(shù)可達(dá)十萬(wàn)次，EEPROM讀寫次數(shù)可達(dá)一百萬(wàn)次；具有強(qiáng)大的DSP高速運(yùn)算能力，可以滿足智能控制裝置各模塊的數(shù)據(jù)處理要求；內(nèi)部振蕩器選擇頻率范圍為31～32MHz，內(nèi)含4倍頻鎖相環(huán)、故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)視器、上電延時(shí)定時(shí)器、振蕩器起振定時(shí)器和擴(kuò)展型看門狗定時(shí)器，低功耗休眠功能，供電電壓范圍為1．8～5．5V。54個(gè)I／O引腳，引腳RA0－RA7、RB0－RB7、RC0－RC7、RD0－RD7、RE0－RE7、RF0－RF7均可作為通用I／O和LCD模擬輸出；5個(gè)可編程預(yù)分頻器和后分頻器的定時(shí)計(jì)數(shù)器；3個(gè)增強(qiáng)型捕捉／比較PWM模塊；2個(gè)帶SPI和I2C的主同步串行端口；2個(gè)增強(qiáng)型通用異步收發(fā)器；14路10位模數(shù)AD轉(zhuǎn)換器。是一個(gè)比較適合于以開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入檢測(cè)的性價(jià)比較高的八位單片機(jī)。智能控制系統(tǒng)主要包括三相電能計(jì)量電路ATT7022B，低壓無(wú)功補(bǔ)償控制電路，IC卡讀寫控制電路，HS12864－15B液晶顯示電路，磁保持繼電器控制和缺相檢測(cè)等模塊電路。

1.1三相電能計(jì)量模塊

三相電能計(jì)量采用深圳炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司的ATT7022B低功耗芯片實(shí)現(xiàn)。該計(jì)量芯片ATT7022B具有精度高，輸入動(dòng)態(tài)工作范圍為1000∶1，非線性測(cè)量誤差小于0．1％；有功功率測(cè)量滿足0．2s；無(wú)功功率測(cè)量滿足2級(jí)；可測(cè)量各相電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)；可測(cè)量各相的和三相的有功功率、無(wú)功功率、視在功率；支持全數(shù)字域的增益、相位校正；提供一個(gè)SPI接口，與外部MCU傳遞信息。電表常數(shù)可調(diào)，＋5V供電。芯片內(nèi)部集成了七路二階高速ADC，前三路用于三相電壓采樣，另外三路用于三相電流采樣，最后一路用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣。內(nèi)部除了ADC和濾波、相乘電路外都采用了數(shù)字電路，有效地消除了尖脈沖等干擾信號(hào)。該模塊利用SPI接口與單片機(jī)PIC16F1946的信息傳遞。計(jì)量芯片CS、SCLK、DIN、DOUT分別與單片機(jī)SPI接口的片選信號(hào)、串行時(shí)鐘輸入、串行數(shù)據(jù)輸入、串行數(shù)據(jù)輸出相連接，另外，在連接線上串接一個(gè)10Ω的電阻和對(duì)地接上一個(gè)10pF的去耦小電容，實(shí)現(xiàn)低通濾波器，用于消除SPI接口信號(hào)上的振蕩。

1.2軟啟動(dòng)模塊

異步電機(jī)軟啟動(dòng)是利用串接于電源與異步電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管MJSY－QKJL模塊作為調(diào)壓模塊實(shí)現(xiàn)的，虛線框內(nèi)為MJSY－QKJL控制模塊。在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間Ts，當(dāng)t＜Ts時(shí)，實(shí)時(shí)讀取ATT7022B芯片三相電壓有效值和電流有效值，對(duì)閉環(huán)控制采用增量式數(shù)字PID運(yùn)算及時(shí)計(jì)算出控制量，經(jīng)12位的串行模擬轉(zhuǎn)換器MAX538輸出，控制三相反并聯(lián)晶閘管MJSY－QKJL模塊，從而實(shí)現(xiàn)控制晶閘管的導(dǎo)通角α實(shí)現(xiàn)交流輸出電壓的調(diào)節(jié)，控制啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的目的。隨著繞組電壓逐漸增大直到額定電壓時(shí)，控制接通旁路繼電器供電，0．2s后，三相反并聯(lián)晶閘管MJSY－QKJL模塊退出，軟啟動(dòng)過(guò)程完成。軟停止運(yùn)行在電機(jī)負(fù)載要求平穩(wěn)緩慢停車情況下，首先接通晶閘管MJSY－QKJL模塊，全導(dǎo)通0．2s后，斷開(kāi)旁路繼電器，然后晶閘管MJSY－QKJL模塊的導(dǎo)通角逐漸減小，電樞運(yùn)行電壓逐漸降低，直到電樞電壓降到0為止，實(shí)現(xiàn)零電壓斷開(kāi)繼電器，避免繼電器斷開(kāi)瞬間出現(xiàn)“火花”燒壞觸點(diǎn)的情況，完成電機(jī)平穩(wěn)停車，消除了水錘現(xiàn)象。

1.3無(wú)功補(bǔ)償控制電路等

在電機(jī)完成啟動(dòng)過(guò)程后，根據(jù)設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間Ts，當(dāng)t＞Ts時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入額定運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)讀取ATT7022B芯片三相電動(dòng)機(jī)的有功功率、有功電能、無(wú)功功率、無(wú)功電能、功率因數(shù)的測(cè)量值。自動(dòng)進(jìn)入功率因數(shù)測(cè)量與補(bǔ)償子程序模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶末端的視在功率、功率因數(shù)的大小，根據(jù)視在功率和功率因數(shù)的大小，控制三相電力電容器組的接入和切除，實(shí)現(xiàn)末端低壓電能無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能控制。無(wú)功補(bǔ)償回路是利用PIC16F1946的RD、RE端口實(shí)現(xiàn)四路磁保持繼電器控制，經(jīng)過(guò)PC817光電隔離器后，控制功率COMS管IRL1530，驅(qū)動(dòng)三相磁保持繼電器，實(shí)現(xiàn)低壓電能無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能控制。軟啟動(dòng)和軟停止旁路繼電器控制利用PIC16F1946的RF6和RF7引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，完成供電與斷電控制。在系統(tǒng)中繼電器控制端，檢測(cè)缺相信號(hào)輸入端都使用了PC817光電隔離器。通過(guò)光的耦合作用傳遞電信號(hào)，提高系統(tǒng)抗干擾的能力。IC卡采用SIEMENS公司的SLE4442加密卡；液晶顯示電路采用HOLTEK公司HS12864－15B的LCD顯示驅(qū)動(dòng)芯片；IC卡讀寫控制電路和LCD顯示電路見(jiàn)參考文獻(xiàn)［1］。

2軟件程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟的件程序共包括初始化及主程序，軟啟動(dòng)程序，電壓、電流、功率、功率因數(shù)檢測(cè)子程序，無(wú)功補(bǔ)償控制程序，IC卡讀寫處理程序，中斷處理程序，定時(shí)器處理程序，液晶顯示控制程序，電能計(jì)量與掉電處理程序，系統(tǒng)自檢與軟件抗干擾處理等程序模塊。系統(tǒng)每次上電時(shí)都要進(jìn)行初始化，初始化程序包括對(duì)PIC16F1946單片機(jī)定時(shí)器、中斷等工作方式的設(shè)定，串行液晶驅(qū)動(dòng)芯片HS12864－15B控制字，ATT7022B計(jì)量芯片控制字。按下啟動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入軟啟動(dòng)工作狀態(tài)，啟動(dòng)結(jié)束后電動(dòng)機(jī)進(jìn)入額定運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)進(jìn)入功率因數(shù)檢測(cè)與補(bǔ)償控制程序，完成功率因數(shù)檢測(cè)和電容器的接入控制。串行讀取ATT7022B計(jì)量芯片，測(cè)量各相電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)和三相的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、三相電能；電量暫存儲(chǔ)于PIC16F1946的RAM存儲(chǔ)器中，然后累計(jì)電量每滿一度便寫入到片內(nèi)EEPROM相應(yīng)的地址中，電能計(jì)量中電量分為用戶剩余電量和多用戶累計(jì)用電量，PIC16F1946根據(jù)用戶剩余電量余額大小，余額不足時(shí)電能計(jì)量LED指示燈閃爍，提醒用戶需要購(gòu)電。HS12864－15B顯示控制程序?qū)崿F(xiàn)漢字提示，液晶顯示器顯示用戶編碼和村碼、剩余電量、累計(jì)用電量信息。

IC卡處理程序完成IC卡的密碼校驗(yàn)、讀寫和IC卡的類型處理操作。IC卡共分5種類型，清零卡用于電能計(jì)量的出廠初始設(shè)置；設(shè)置卡用來(lái)設(shè)置單位的村莊編碼和負(fù)荷門限和階梯水價(jià)；換表卡用來(lái)?yè)Q出表內(nèi)全部信息再送入新更換的電能計(jì)量中；抄表卡用來(lái)抄回表內(nèi)用戶信息和累計(jì)用電量，然后利用讀卡器傳送給上位計(jì)算機(jī)售電管理系統(tǒng)；用戶卡用戶首先通過(guò)計(jì)算機(jī)售電管理系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)戶交費(fèi)充值，然后用來(lái)向電能表送電與取電。前四種卡是用電管理部門使用，用戶僅持有用戶卡。當(dāng)插入用戶卡送電時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入軟啟動(dòng)工作，啟動(dòng)完成10s后，自動(dòng)進(jìn)入功率因數(shù)補(bǔ)償和運(yùn)行監(jiān)控，開(kāi)始灌溉。按下停止按鈕時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入軟停止，停止灌溉，再次插入用戶卡時(shí)取電。實(shí)現(xiàn)誰(shuí)插卡誰(shuí)用電，灌溉結(jié)束后插卡取電，自動(dòng)補(bǔ)償和運(yùn)行監(jiān)控。控制系統(tǒng)的工作過(guò)程主程序流程圖如圖3所示，其他子程序模塊流程圖略。

3測(cè)試結(jié)果

該智能控制系統(tǒng)在淄博貝林電子有限公司進(jìn)行了誤差測(cè)試和運(yùn)行試驗(yàn)，功率因數(shù)補(bǔ)償效率達(dá)到98％。電能計(jì)量用0．1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電子式電能計(jì)量校驗(yàn)臺(tái)作為標(biāo)準(zhǔn)表，該IC卡電能計(jì)量為被測(cè)表，電能計(jì)量額定負(fù)荷為40kW。貝林電子有限公司針對(duì)10、40kW2臺(tái)井水水泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，。測(cè)試結(jié)果表明該IC卡電能計(jì)量誤差小于1％，屬于1．0級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知減小電能計(jì)量誤差方法，一是通過(guò)調(diào)節(jié)ATT7022B的取樣匹配電阻調(diào)整到精確值；二是該匹配電阻阻值要求隨溫度變化阻值變化較小；三是在電能計(jì)量過(guò)程中，當(dāng)送電和取電時(shí)，計(jì)量電能的尾數(shù)部分不足0．01kWh的電能，余下的脈沖數(shù)值一塊存取，避免了不足0．01kWh的電能丟失而造成累計(jì)電量有誤差。

4結(jié)語(yǔ)

該智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載軟啟動(dòng)和軟停止控制、末端無(wú)功補(bǔ)償控制、IC卡預(yù)付費(fèi)多用戶三相電能計(jì)量管理；設(shè)計(jì)出了集控制、補(bǔ)償、管理于一體的新型灌溉控制系統(tǒng)；該系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的平滑軟啟動(dòng)解決水錘問(wèn)題，利用低壓電能無(wú)功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，利用預(yù)付費(fèi)多用戶三相電能計(jì)量實(shí)現(xiàn)誰(shuí)插卡誰(shuí)灌溉的節(jié)水管理。具有平滑起停、節(jié)能節(jié)水和低成本的特點(diǎn)，特別適合于農(nóng)田灌溉控制和管理。該控制系統(tǒng)經(jīng)淄博貝林電子有限公司生產(chǎn)表明，設(shè)計(jì)技術(shù)新穎，計(jì)量準(zhǔn)確，IC卡控制靈活，液晶顯示直觀，功耗低的特點(diǎn)。對(duì)于農(nóng)田機(jī)井灌溉節(jié)能節(jié)水效果顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景。

作者：姜吉順，張亮，趙艷雷   單位：山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院