朱 潔

(上海電機(jī)學(xué)院高職技術(shù)學(xué)院，上海 200240)

0 引言

隨著人民生活水平的提高，水泵在各行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的使用［1］。當(dāng)水泵發(fā)生滲漏水，如接線(xiàn)盒、電機(jī)室、緩沖室等漏水時(shí)，水泵要馬上停止運(yùn)行。水泵繞組和軸承發(fā)生過(guò)熱時(shí)，也要立即停止運(yùn)行并報(bào)警。文中介紹的控制器能解決上述問(wèn)題。

為了檢測(cè)水泵滲漏水，控制器在緩沖室和電機(jī)室等都置入了靜水傳感器。正常情況下傳感器輸出電阻值為無(wú)限大;當(dāng)發(fā)生滲漏水后，傳感器的輸出電阻值會(huì)小于20 kΩ，控制器會(huì)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并輸出聲光報(bào)警信號(hào)。

水泵繞阻和軸承過(guò)熱問(wèn)題，可通過(guò)在水泵內(nèi)置半導(dǎo)體熱敏電阻予以解決。常溫下其輸出為低阻狀態(tài)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，其輸出電阻值將增加幾倍。把繞組傳感器過(guò)熱報(bào)警值設(shè)定為1.9 kΩ，軸承傳感器過(guò)熱報(bào)警值設(shè)定為3.8 kΩ。溫度超過(guò)設(shè)定值，則控制器迫使水泵自動(dòng)停止，并輸出聲光報(bào)警信號(hào)等待運(yùn)行人員到來(lái)。

1 控制器硬件設(shè)計(jì)

由于控制器中傳感器輸出的信號(hào)都是電阻信號(hào)［3］，且控制值為開(kāi)關(guān)量，因此，控制器選用LM324運(yùn)算放大器作為比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻值的比較。當(dāng)輸入電阻值超過(guò)比較器設(shè)定值時(shí)，運(yùn)算放大器輸出發(fā)生電平轉(zhuǎn)換，輸出經(jīng)過(guò)光電耦合隔離后，對(duì)單片機(jī)P3口進(jìn)行采樣。Pt100溫度信號(hào)通過(guò)恒流源轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入壓頻轉(zhuǎn)換器V/F，壓頻轉(zhuǎn)換器輸出頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻光電耦合器隔離后送給單片機(jī)的T1計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂破鞲鶕?jù)計(jì)數(shù)值計(jì)算出Pt100的溫度值。鍵盤(pán)信號(hào)送入AT89S52單片機(jī)P1口，要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)P0口輸出送到LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。圖1為控制器設(shè)計(jì)原理圖［2］。

圖1 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware structure of the controller

當(dāng)發(fā)生掉電情況時(shí)，為了避免軸承溫度設(shè)定值重復(fù)設(shè)置，控制器將設(shè)定值存儲(chǔ)在串行的EEPROM內(nèi)。這樣設(shè)置的數(shù)據(jù)能被永久保留，避免重復(fù)設(shè)置。各傳感器經(jīng)過(guò)AT89S52單片機(jī)檢測(cè)后，在P2口輸出相應(yīng)的報(bào)警狀態(tài)，并經(jīng)驅(qū)動(dòng)器使繼電器吸合，實(shí)現(xiàn)輸出報(bào)警。

1.1 比較器的設(shè)計(jì)

比較器選用LM339運(yùn)放。當(dāng)緩沖室、接線(xiàn)盒或電機(jī)室泄漏漏水時(shí)，傳感器電阻值R＜20 kΩ，輸出電壓V1為零電平，光耦PC817導(dǎo)通，輸出V2為高電平，該信號(hào)送入AT89S52單片機(jī)進(jìn)行采樣。根據(jù)V2的電平高低就能判斷傳感器的電阻值R是否小于20 kΩ，從而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。圖2所示為比較器設(shè)計(jì)原理圖。

圖2 比較器原理圖Fig.2 Schematic diagram of the comparator

當(dāng)水泵繞阻過(guò)熱時(shí)(原理類(lèi)似圖2，略)，傳感器電阻值 R ＞1.9 kΩ，R3設(shè)計(jì)為改為 1.9 kΩ，輸出 V1為高電平，光電耦合截止，輸出V2為高電平。單片機(jī)采樣到信號(hào)后，即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，表示水泵繞阻過(guò)熱。當(dāng)軸承溫度過(guò)熱時(shí)，傳感器電阻值 R＞3.8 kΩ，R3設(shè)計(jì)為3.8 kΩ，輸出V1為高電平，光電耦合截止，輸出 V2為高電平，單片機(jī)發(fā)出軸承溫度過(guò)高報(bào)警。

1.2 Pt100熱電阻溫度測(cè)量

溫度測(cè)量原理圖如圖3所示。

圖3 溫度測(cè)量原理圖Fig.3 Schematic diagram of temperature

由于+12 V的電源存在著溫漂和時(shí)漂，所以它不能作為恒流源來(lái)使用?？刂破鞑捎肕C1403基準(zhǔn)電源作為恒流源電源。

溫度測(cè)量通過(guò)一個(gè)鉑型熱電阻(Pt100)溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于運(yùn)算放大器LM324的同相輸入端(腳3)是恒定輸入常量，其反相輸入端(腳2)電位也是一個(gè)常量，所以當(dāng)三極管BC857導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)線(xiàn)繞電阻RX3的電流也為常量，從而構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單恒流源電路。電流由三極管的發(fā)射極流向集電極，再通過(guò)Pt100熱電阻流向12 V電源的負(fù)端，即流過(guò)Pt100的電流是一個(gè)常數(shù)。這樣，當(dāng)溫度增加時(shí)，熱電阻值增加，恒流源輸出電壓值也線(xiàn)性增加，電壓值經(jīng)線(xiàn)性轉(zhuǎn)換器LM331［4］，其輸出頻率值與輸出電壓呈線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)CPU對(duì)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以線(xiàn)性計(jì)算出溫度值［5］。

1.3 串行 EEPROM

串行EEPROM工作原理圖如圖4所示。圖4中，AT24C01是提供1024位串行電可改寫(xiě)、可編程的只讀(可讀)存儲(chǔ)器，它具有低功耗、低電壓下可工作的特點(diǎn)。

圖4 串行EEPROM工作原理圖Fig.4 Operational principle of the serial EEPROM

與傳統(tǒng)并行或EEPROM 相比［6］，AT24C01只需兩根線(xiàn)就可與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖4中，AT24C01的SCL 腳與 AT89S52 的 P1.1口相連。當(dāng) P1.1口發(fā)生只讀數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，AT89S52的P1.2口從共SDA腳讀取已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù);當(dāng)P1.1口發(fā)生寫(xiě)數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，CPU將數(shù)據(jù)從P1.2口，通過(guò) SDA 腳把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 AT24C01，完成對(duì)AT24C01的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

1.4 繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路

由于A(yíng)T89S52的P2口無(wú)法驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，因此，控制器設(shè)計(jì)ULN2003A驅(qū)動(dòng)器來(lái)提高電流的驅(qū)動(dòng)能力。繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示。

圖5 繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.5 Drive circuit of relay

由于ULN2003A驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部7只達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)具有輸出電平倒向性能，為防止上電瞬間繼電器發(fā)生瞬時(shí)吸合產(chǎn)生誤報(bào)警，控制器增設(shè)了74HC04反相器。當(dāng)上電時(shí)，AT89S52的P2口內(nèi)部由于存在著上拉電阻，所以P2口將輸出高電平，經(jīng)過(guò)74HC04反相后輸出低電平，再通過(guò)ULN2003A內(nèi)部倒相電路后，輸出高電平。繼電器的線(xiàn)圈上沒(méi)有電流，繼電器不吸合。反之，當(dāng)A789S5檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)后，P2口輸出低電平，ULN2003A輸出低電平，則繼電器線(xiàn)圈上有電流產(chǎn)生，繼電器吸合，輸出聲光報(bào)警信號(hào)。

2 軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件由主程序和100 ms定時(shí)中斷服務(wù)程序兩部分組成。如圖6所示，主程序主要完成CPU內(nèi)部RAM(程序存儲(chǔ)器)和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初始化。100 ms定時(shí)中斷服務(wù)程序完成開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入采樣、繼電器報(bào)警輸出處理、鍵盤(pán)顯示處理以及EEPROM的讀寫(xiě)處理等。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of main program

3 結(jié)束語(yǔ)

本文中提出的控制器在嘉興污水處理設(shè)備廠(chǎng)使用時(shí)發(fā)現(xiàn)，水泵開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，對(duì)3只泄漏傳感器測(cè)量皆發(fā)生誤報(bào)警輸出。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)3只傳感器一端均接入金屬外殼，導(dǎo)致與大地接通，當(dāng)水泵啟動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生干擾信號(hào)，從而產(chǎn)生誤報(bào)警。通過(guò)加入一套軟件模塊解決了以上問(wèn)題。

具體的改進(jìn)措施如下:加入一套卡爾曼濾波軟件模塊［7］，對(duì)該傳感器信號(hào)重復(fù)測(cè)量15次，若全部測(cè)得報(bào)警信號(hào)，則為正確報(bào)警信號(hào);反之，若有1次未測(cè)到報(bào)警信號(hào)，則為干擾信號(hào)，放棄。經(jīng)過(guò)1年多的現(xiàn)場(chǎng)使用，控制器運(yùn)行良好，證明了其可靠性，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］許振茂.森蘭變頻調(diào)速器在風(fēng)機(jī)水泵中的節(jié)能應(yīng)用［J］.自動(dòng)化博覽，2003(5):40－41.

［2］張志良，馬彪.單片機(jī)原理與控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:37 －38.

［3］公茂法.單片機(jī)人機(jī)接口實(shí)例集［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999:60－65.

［4］孟虎.微機(jī)原理與接口技術(shù)［M］北京:高等教育出版社，2007:36－37.

［5］朱潔，茅忠明.一種節(jié)能型酒店客房溫度控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(2):202.

［6］何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1990:123－146.

［7］秦永元，張洪鉞，汪叔華.卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998:49－51.