水泵綜合保護控制器微機化的設計與實現

朱 潔

(上海電機學院高職技術學院，上海 200240)

0 引言

隨著人民生活水平的提高，水泵在各行業得到越來越廣泛的使用［1］。當水泵發生滲漏水，如接線盒、電機室、緩沖室等漏水時，水泵要馬上停止運行。水泵繞組和軸承發生過熱時，也要立即停止運行并報警。文中介紹的控制器能解決上述問題。

為了檢測水泵滲漏水，控制器在緩沖室和電機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限大;當發生滲漏水后，傳感器的輸出電阻值會小于20 kΩ，控制器會對傳感器信號進行檢測并輸出聲光報警信號。

水泵繞阻和軸承過熱問題，可通過在水泵內置半導體熱敏電阻予以解決。常溫下其輸出為低阻狀態，當溫度過高時，其輸出電阻值將增加幾倍。把繞組傳感器過熱報警值設定為1.9 kΩ，軸承傳感器過熱報警值設定為3.8 kΩ。溫度超過設定值，則控制器迫使水泵自動停止，并輸出聲光報警信號等待運行人員到來。

1 控制器硬件設計

由于控制器中傳感器輸出的信號都是電阻信號［3］，且控制值為開關量，因此，控制器選用LM324運算放大器作為比較器來實現電阻值的比較。當輸入電阻值超過比較器設定值時，運算放大器輸出發生電平轉換，輸出經過光電耦合隔離后，對單片機P3口進行采樣。Pt100溫度信號通過恒流源轉換成電壓信號送入壓頻轉換器V/F，壓頻轉換器輸出頻率信號，經過高頻光電耦合器隔離后送給單片機的T1計數器進行計數。控制器根據計數值計算出Pt100的溫度值。鍵盤信號送入AT89S52單片機P1口，要顯示的數據經過P0口輸出送到LED數碼管進行顯示。圖1為控制器設計原理圖［2］。

圖1 控制器硬件結構框圖Fig.1 Hardware structure of the controller

當發生掉電情況時，為了避免軸承溫度設定值重復設置，控制器將設定值存儲在串行的EEPROM內。這樣設置的數據能被永久保留，避免重復設置。各傳感器經過AT89S52單片機檢測后，在P2口輸出相應的報警狀態，并經驅動器使繼電器吸合，實現輸出報警。

1.1 比較器的設計

比較器選用LM339運放。當緩沖室、接線盒或電機室泄漏漏水時，傳感器電阻值R＜20 kΩ，輸出電壓V1為零電平，光耦PC817導通，輸出V2為高電平，該信號送入AT89S52單片機進行采樣。根據V2的電平高低就能判斷傳感器的電阻值R是否小于20 kΩ，從而產生報警信號。圖2所示為比較器設計原理圖。

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

當水泵繞阻過熱時(原理類似圖2，略)，傳感器電阻值 R ＞1.9 kΩ，R3設計為改為 1.9 kΩ，輸出 V1為高電平，光電耦合截止，輸出V2為高電平。單片機采樣到信號后，即發出報警信號，表示水泵繞阻過熱。當軸承溫度過熱時，傳感器電阻值 R＞3.8 kΩ，R3設計為3.8 kΩ，輸出V1為高電平，光電耦合截止，輸出 V2為高電平，單片機發出軸承溫度過高報警。

1.2 Pt100熱電阻溫度測量

溫度測量原理圖如圖3所示。

圖3 溫度測量原理圖Fig.3 Schematic diagram of temperature

由于+12 V的電源存在著溫漂和時漂，所以它不能作為恒流源來使用。控制器采用MC1403基準電源作為恒流源電源。

溫度測量通過一個鉑型熱電阻(Pt100)溫度傳感器來實現。由于運算放大器LM324的同相輸入端(腳3)是恒定輸入常量，其反相輸入端(腳2)電位也是一個常量，所以當三極管BC857導通時，流過線繞電阻RX3的電流也為常量，從而構成一個簡單恒流源電路。電流由三極管的發射極流向集電極，再通過Pt100熱電阻流向12 V電源的負端，即流過Pt100的電流是一個常數。這樣，當溫度增加時，熱電阻值增加，恒流源輸出電壓值也線性增加，電壓值經線性轉換器LM331［4］，其輸出頻率值與輸出電壓呈線性關系。通過CPU對頻率進行計數，就可以線性計算出溫度值［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、可編程的只讀(可讀)存儲器，它具有低功耗、低電壓下可工作的特點。

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

與傳統并行或EEPROM 相比［6］，AT24C01只需兩根線就可與CPU進行數據交換。圖4中，AT24C01的SCL 腳與 AT89S52 的 P1.1口相連。當 P1.1口發生只讀數據信號時，AT89S52的P1.2口從共SDA腳讀取已存儲的數據;當P1.1口發生寫數據信號時，CPU將數據從P1.2口，通過 SDA 腳把數據存儲到 AT24C01，完成對AT24C01的數據讀寫。

1.4 繼電器輸出驅動電路

由于AT89S52的P2口無法驅動繼電器吸合，因此，控制器設計ULN2003A驅動器來提高電流的驅動能力。繼電器輸出驅動電路圖如圖5所示。

圖5 繼電器輸出驅動電路圖Fig.5 Drive circuit of relay

由于ULN2003A驅動器內部7只達林頓驅動具有輸出電平倒向性能，為防止上電瞬間繼電器發生瞬時吸合產生誤報警，控制器增設了74HC04反相器。當上電時，AT89S52的P2口內部由于存在著上拉電阻，所以P2口將輸出高電平，經過74HC04反相后輸出低電平，再通過ULN2003A內部倒相電路后，輸出高電平。繼電器的線圈上沒有電流，繼電器不吸合。反之，當A789S5檢測到報警信號后，P2口輸出低電平，ULN2003A輸出低電平，則繼電器線圈上有電流產生，繼電器吸合，輸出聲光報警信號。

2 軟件設計

控制器軟件由主程序和100 ms定時中斷服務程序兩部分組成。如圖6所示，主程序主要完成CPU內部RAM(程序存儲器)和定時器/計數器的初始化。100 ms定時中斷服務程序完成開關量和模擬量的輸入采樣、繼電器報警輸出處理、鍵盤顯示處理以及EEPROM的讀寫處理等。

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

3 結束語

本文中提出的控制器在嘉興污水處理設備廠使用時發現，水泵開始啟動時，對3只泄漏傳感器測量皆發生誤報警輸出。經過現場勘測發現3只傳感器一端均接入金屬外殼，導致與大地接通，當水泵啟動時，產生干擾信號，從而產生誤報警。通過加入一套軟件模塊解決了以上問題。

具體的改進措施如下:加入一套卡爾曼濾波軟件模塊［7］，對該傳感器信號重復測量15次，若全部測得報警信號，則為正確報警信號;反之，若有1次未測到報警信號，則為干擾信號，放棄。經過1年多的現場使用，控制器運行良好，證明了其可靠性，具有推廣應用價值。

［1］許振茂.森蘭變頻調速器在風機水泵中的節能應用［J］.自動化博覽，2003(5):40－41.

［2］張志良，馬彪.單片機原理與控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2005:37 －38.

［3］公茂法.單片機人機接口實例集［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1999:60－65.

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

［5］朱潔，茅忠明.一種節能型酒店客房溫度控制系統的研究和應用［J］.上海理工大學學報，2010，32(2):202.

［6］何立民.單片機應用系統設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1990:123－146.

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