水泵综合保护控制器微机化的设计与实现

朱 洁

(上海电机学院高职技术学院，上海 200240)

0 引言

随着人民生活水平的提高，水泵在各行业得到越来越广泛的使用［1］。当水泵发生渗漏水，如接线盒、电机室、缓冲室等漏水时，水泵要马上停止运行。水泵绕组和轴承发生过热时，也要立即停止运行并报警。文中介绍的控制器能解决上述问题。

为了检测水泵渗漏水，控制器在缓冲室和电机室等都置入了静水传感器。正常情况下传感器输出电阻值为无限大;当发生渗漏水后，传感器的输出电阻值会小于20 kΩ，控制器会对传感器信号进行检测并输出声光报警信号。

水泵绕阻和轴承过热问题，可通过在水泵内置半导体热敏电阻予以解决。常温下其输出为低阻状态，当温度过高时，其输出电阻值将增加几倍。把绕组传感器过热报警值设定为1.9 kΩ，轴承传感器过热报警值设定为3.8 kΩ。温度超过设定值，则控制器迫使水泵自动停止，并输出声光报警信号等待运行人员到来。

1 控制器硬件设计

由于控制器中传感器输出的信号都是电阻信号［3］，且控制值为开关量，因此，控制器选用LM324运算放大器作为比较器来实现电阻值的比较。当输入电阻值超过比较器设定值时，运算放大器输出发生电平转换，输出经过光电耦合隔离后，对单片机P3口进行采样。Pt100温度信号通过恒流源转换成电压信号送入压频转换器V/F，压频转换器输出频率信号，经过高频光电耦合器隔离后送给单片机的T1计数器进行计数。控制器根据计数值计算出Pt100的温度值。键盘信号送入AT89S52单片机P1口，要显示的数据经过P0口输出送到LED数码管进行显示。图1为控制器设计原理图［2］。

图1 控制器硬件结构框图Fig.1 Hardware structure of the controller

当发生掉电情况时，为了避免轴承温度设定值重复设置，控制器将设定值存储在串行的EEPROM内。这样设置的数据能被永久保留，避免重复设置。各传感器经过AT89S52单片机检测后，在P2口输出相应的报警状态，并经驱动器使继电器吸合，实现输出报警。

1.1 比较器的设计

比较器选用LM339运放。当缓冲室、接线盒或电机室泄漏漏水时，传感器电阻值R＜20 kΩ，输出电压V1为零电平，光耦PC817导通，输出V2为高电平，该信号送入AT89S52单片机进行采样。根据V2的电平高低就能判断传感器的电阻值R是否小于20 kΩ，从而产生报警信号。图2所示为比较器设计原理图。

图2 比较器原理图Fig.2 Schematic diagram of the comparator

当水泵绕阻过热时(原理类似图2，略)，传感器电阻值 R ＞1.9 kΩ，R3设计为改为 1.9 kΩ，输出 V1为高电平，光电耦合截止，输出V2为高电平。单片机采样到信号后，即发出报警信号，表示水泵绕阻过热。当轴承温度过热时，传感器电阻值 R＞3.8 kΩ，R3设计为3.8 kΩ，输出V1为高电平，光电耦合截止，输出 V2为高电平，单片机发出轴承温度过高报警。

1.2 Pt100热电阻温度测量

温度测量原理图如图3所示。

图3 温度测量原理图Fig.3 Schematic diagram of temperature

由于+12 V的电源存在着温漂和时漂，所以它不能作为恒流源来使用。控制器采用MC1403基准电源作为恒流源电源。

温度测量通过一个铂型热电阻(Pt100)温度传感器来实现。由于运算放大器LM324的同相输入端(脚3)是恒定输入常量，其反相输入端(脚2)电位也是一个常量，所以当三极管BC857导通时，流过线绕电阻RX3的电流也为常量，从而构成一个简单恒流源电路。电流由三极管的发射极流向集电极，再通过Pt100热电阻流向12 V电源的负端，即流过Pt100的电流是一个常数。这样，当温度增加时，热电阻值增加，恒流源输出电压值也线性增加，电压值经线性转换器LM331［4］，其输出频率值与输出电压呈线性关系。通过CPU对频率进行计数，就可以线性计算出温度值［5］。

1.3 串行 EEPROM

串行EEPROM工作原理图如图4所示。图4中，AT24C01是提供1024位串行电可改写、可编程的只读(可读)存储器，它具有低功耗、低电压下可工作的特点。

图4 串行EEPROM工作原理图Fig.4 Operational principle of the serial EEPROM

与传统并行或EEPROM 相比［6］，AT24C01只需两根线就可与CPU进行数据交换。图4中，AT24C01的SCL 脚与 AT89S52 的 P1.1口相连。当 P1.1口发生只读数据信号时，AT89S52的P1.2口从共SDA脚读取已存储的数据;当P1.1口发生写数据信号时，CPU将数据从P1.2口，通过 SDA 脚把数据存储到 AT24C01，完成对AT24C01的数据读写。

1.4 继电器输出驱动电路

由于AT89S52的P2口无法驱动继电器吸合，因此，控制器设计ULN2003A驱动器来提高电流的驱动能力。继电器输出驱动电路图如图5所示。

图5 继电器输出驱动电路图Fig.5 Drive circuit of relay

由于ULN2003A驱动器内部7只达林顿驱动具有输出电平倒向性能，为防止上电瞬间继电器发生瞬时吸合产生误报警，控制器增设了74HC04反相器。当上电时，AT89S52的P2口内部由于存在着上拉电阻，所以P2口将输出高电平，经过74HC04反相后输出低电平，再通过ULN2003A内部倒相电路后，输出高电平。继电器的线圈上没有电流，继电器不吸合。反之，当A789S5检测到报警信号后，P2口输出低电平，ULN2003A输出低电平，则继电器线圈上有电流产生，继电器吸合，输出声光报警信号。

2 软件设计

控制器软件由主程序和100 ms定时中断服务程序两部分组成。如图6所示，主程序主要完成CPU内部RAM(程序存储器)和定时器/计数器的初始化。100 ms定时中断服务程序完成开关量和模拟量的输入采样、继电器报警输出处理、键盘显示处理以及EEPROM的读写处理等。

图6 主程序流程图Fig.6 Flowchart of main program

3 结束语

本文中提出的控制器在嘉兴污水处理设备厂使用时发现，水泵开始启动时，对3只泄漏传感器测量皆发生误报警输出。经过现场勘测发现3只传感器一端均接入金属外壳，导致与大地接通，当水泵启动时，产生干扰信号，从而产生误报警。通过加入一套软件模块解决了以上问题。

具体的改进措施如下:加入一套卡尔曼滤波软件模块［7］，对该传感器信号重复测量15次，若全部测得报警信号，则为正确报警信号;反之，若有1次未测到报警信号，则为干扰信号，放弃。经过1年多的现场使用，控制器运行良好，证明了其可靠性，具有推广应用价值。

［1］许振茂.森兰变频调速器在风机水泵中的节能应用［J］.自动化博览，2003(5):40－41.

［2］张志良，马彪.单片机原理与控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2005:37 －38.

［3］公茂法.单片机人机接口实例集［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1999:60－65.

［4］孟虎.微机原理与接口技术［M］北京:高等教育出版社，2007:36－37.

［5］朱洁，茅忠明.一种节能型酒店客房温度控制系统的研究和应用［J］.上海理工大学学报，2010，32(2):202.

［6］何立民.单片机应用系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1990:123－146.

［7］秦永元，张洪钺，汪叔华.卡尔曼滤波与组合导航原理［M］.西安:西北工业大学出版社，1998:49－51.